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傅里叶变换微光谱仪

傅里叶变换微光谱仪




傅里叶变换光谱仪通常用于红外范围内的吸收光谱或发射光谱,其重点是使用干涉仪来调制随时间推移入射在单个检测器上的光。然后,通过傅里叶变换将在检测器上收集到的“干涉图”(接收信号强度随时间的函数,或者系统的时变特性,例如,光程长度)转换为与波长相关的光谱。与基于衍射光学的系统相比,傅里叶变换系统具有两个主要的内在优势。首先,在一个检测器上同时收集光谱信息会带来多重(或Fellgett)的优势。其次,避免空间色散会导致更高的光通量或étendue度,这就是Jacquinot的优势。这两个因素都倾向于提供更高的信噪比。此外,与基于阵列的探测器相比,使用一个探测器提供了一个更小、更经济的替代方案。


微型傅里叶变换光谱仪可以通过以下机制进行分类:干涉仪内的光程随时间变化;最宽泛的区别在于有运动部件和无运动部件的产品之间。属于前一组,最早的基于芯片的傅里叶变换光谱仪出现在1990年代后期,基于迈克尔逊干涉仪,微电子机械系统用于操纵带有静电、电磁或电热(通常是梳驱动)致动器(图4A)。除了与平面光源集成的困难外,这些装置的缺点是光谱分辨率受到致动器行程范围允许的最大光程差的限制而这又受制于拉入效应(在阈值分隔以下时,镜将不受控制地迅速相互吸引)。最近,已经证明,在光纤末端上的液滴的蒸发还可以起到类似于扫描傅里叶变换光谱仪的系统的作用,以获得液体分析物的吸收光谱


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图4 傅里叶变换微光谱仪平台。A、基于迈克尔逊干涉仪的微型微电子机械系统傅立叶变换光谱仪的示意图。干涉仪的路径长度由静电致动器随时间变化以收集干涉图,随后,通过傅立叶变换将其转换为光谱数据。(B和C)基于Mach-Zehnder干涉仪的片上傅立叶变换光谱仪。B、基于具有不同光程差的多个Mach-Zehnder干涉仪阵列的空间外差光谱仪的光学图像,每个光程差随ΔLi的变化而变化。C、基于单个Mach-Zehnder干涉仪的微谱仪的示意图,该微谱仪使用微环谐振器来提高分辨率并使用加热器通过热光效应来促进光程调制。D、电光可调介质中驻波集成傅里叶变换光谱仪系统的示意图,在铌酸锂中使用电光效应通过施加偏置电压来使干涉图随时间沿波导移动的情况。

到2000年代后期,已经出现了基于集成波导且没有可移动镜的平面片上傅里叶变换光谱仪。这些系统以Mach-Zehnder干涉仪为基础而不是迈克尔逊架构,从而将光分成至少两个单向路径,朝着单个检测器重组。在此,光程差在不同通道中的光之间引起相位差。其中一些系统基于多个Mach-Zehnder干涉仪阵列,形成空间外差光谱仪。例如,制造了螺旋状的波导阵列(图4B),波导的长度线性地变化,从而引起路径之间的延迟。但是,这种系统受到最大光程差以及Mach-Zehnder干涉仪数量的限制,这两者都限制了光谱仪可在保持令人满意的性能的同时减少占地面积的程度。


在此基础上,替代设计使用的机制可以连续调整单个Mach-Zehnder干涉仪的特性(因此,仅需要一个光电探测器)而不是依赖具有固定长度的多个Mach-Zehnder干涉仪。这是通过在铌酸锂波导中进行电光调制以及利用热光效应实现的,其中,在集成光路附近嵌入了微型加热器(图4C) 。一种替代方法是数字傅里叶变换光谱仪,其中,使用光子电路,其特征是具有多个光开关,这些光开关可沿不同长度的路径转移信号。在此,分辨率取决于路径数或频谱通道数,其随光学开关的数量成指数比例增长。在许多这些方法中,最新的进展已允许诸如压缩感测、机器学习和前后线性预测之类的计算技术来增强这些设备的光谱分辨率并校正温度变化–或基于制造的错误。


这些基于微型干涉仪的FT系统的一个相关变体是固定波集成傅立叶变换光谱仪。在基于固定波集成傅立叶变换光谱仪的微谱仪的最新工作中,通过两个反向传播的信号的干涉,在单模闭环波导中建立了驻波(或者在Lippmann配置中,可以在波导的末端放置一个反射镜,以实现通过将信号反射回自身而建立驻波)。尽管在傅里叶变换光谱仪中通过单个检测器产生并收集了时间干涉图,但在这里却产生了空间干涉图。金属纳米带以规则的间隔沉积在波导的顶部,以对倏逝场进行采样并绘制沿环路的驻波的相对强度(图4D)。这种设计的概念验证证明,这种系统的光谱范围受到限制(在这种情况下,以1500 nm为中心为96 nm),因为不能以一定的间距制造采样器,以避免干涉图的欠采样。


最近,研究人员发展出一种固定波集成傅立叶变换光谱仪,该系统使用双重空间和时间采样方案来规避此问题。在混合铌酸锂-氮化硅波导平台中使用电光效应,可以通过施加电压(图4D)使空间干涉图沿波导移动(图4D),从而即使使用固定的纳米采样器阵列,也可以将整个干涉图成像为采样,在这种情况下达到500 nm的光谱范围。因此,在厘米尺度上,极高的分辨率(几十皮米)是可能的,尽管相反,这样的设备可能不适合极端小型化。这些系统目前还依赖于外部摄像机对来自采样器的干涉图散射成像;将专门的纳米级光电探测器放置在波导上的发展,将允许直接测量和简化系统


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