周昊,方波,楊娜娜,趙衛(wèi)雄,王春暉,張為俊

(1中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,安徽 合肥 230031;2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230026;3中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230026)

0 引言

光譜測(cè)量能夠精準(zhǔn)識(shí)別分子種類[1]、判斷分子狀態(tài)[2]、測(cè)定分子濃度[3],廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)物理和化學(xué)[4,5]、大氣痕量探測(cè)[6]、工業(yè)監(jiān)測(cè)[7]及燃燒診斷[8]等研究領(lǐng)域。不同的應(yīng)用對(duì)光譜測(cè)量的各項(xiàng)指標(biāo)提出了不同要求,其中光譜范圍、時(shí)間分辨率和光譜分辨率是最關(guān)鍵的三個(gè)參量,共同決定了光譜測(cè)量的性能。

目前光譜測(cè)量常用的方法和儀器包括:可調(diào)諧激光器與光電探測(cè)器聯(lián)用方法、傅里葉變換光譜儀及光柵光譜儀。光電探測(cè)器與可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器聯(lián)用[9],具有非常高的光譜分辨率[10]。光電探測(cè)器測(cè)量的信號(hào)為接收光的總和,在某一時(shí)刻只能對(duì)應(yīng)單一波長(zhǎng),不適用于寬帶光譜的測(cè)量。傅里葉變換光譜儀可實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率[11]。其光譜分辨率取決于動(dòng)鏡掃描的距離,分辨率越高,所需時(shí)間越長(zhǎng),且對(duì)適用環(huán)境的震動(dòng)控制要求也更高[12]。光柵光譜儀結(jié)合衍射光柵和線陣CCD探測(cè)器[13],可快速獲得寬光譜信息。但普通光柵色散能力較差,其產(chǎn)品的光譜分辨率普遍在nm量級(jí)。為提高光柵光譜儀的光譜分辨率,使用具有更強(qiáng)色散能力的中階梯光柵代替普通光柵,發(fā)展了中階梯光柵光譜儀,其分辨率可達(dá)幾十pm[14]。

近些年隨著光學(xué)頻率梳在光譜學(xué)上應(yīng)用的不斷發(fā)展,對(duì)時(shí)間分辨寬光譜測(cè)量技術(shù)的光譜分辨率的要求到達(dá)幾pm[15]。中階梯光柵刻劃寬度越寬,色散能力越強(qiáng),但其面積也越大,且光能量分布的面積擴(kuò)大對(duì)光源強(qiáng)度有更高的要求,成像質(zhì)量難得到保證[14]。為此,發(fā)展出了虛像相位陣列(VIPA)光譜儀,VIPA元件是由Shirasaki[16]于1995年提出的一種新型色散器件,其外形是一塊雙面鍍膜的玻璃平板,具有比中階梯光柵更強(qiáng)的色散能力,但其輸出光束存在光譜周期性混疊問(wèn)題,高分辨率特性不能得到充分利用[17]。2004年,Xiao等[18]在VIPA之后再使用一塊衍射光柵在正交方向色散,解決了VIPA光譜級(jí)次重疊的問(wèn)題。2007年,Diddams等[19]用VIPA光譜儀測(cè)量光學(xué)頻率梳光譜。2012年,Nugent-Glandorf等[20]將VIPA光譜儀用于中紅外痕量氣體探測(cè),獲得了約600 MHz(29 pm)@3.3 μm的高光譜分辨率。美國(guó)Jun Ye研究組[21]將VIPA光譜儀用于化學(xué)動(dòng)力學(xué)測(cè)量,獲得了高達(dá)10 μs的高時(shí)間分辨光譜。2020年,Roberts等[22]研制的VIPA光譜儀光譜分辨率高達(dá)190 MHz(7 pm)@3.3 μm。這種由柱面鏡、VIPA、衍射光柵、聚焦透鏡和面陣接收器組成的新型光譜儀結(jié)構(gòu),已有報(bào)道應(yīng)用于痕量探測(cè)[23]、化學(xué)動(dòng)力學(xué)測(cè)量[24]、激光測(cè)距[25]、布里淵光譜成像[26]、呼吸診斷[27]、相干斷層掃描[28]等精密光譜測(cè)量領(lǐng)域。

本文討論了VIPA光譜儀的原理,研制了一臺(tái)用于紅光波段的光譜測(cè)量?jī)x,并評(píng)估了光譜儀的光譜分辨率和長(zhǎng)時(shí)漂移。

1 VIPA光譜儀原理

VIPA元件是一塊前后表面平行的雙面鍍膜標(biāo)準(zhǔn)具,其入射面除入射窗口區(qū)鍍有增透膜外,其余區(qū)域均鍍有反射率約100%的高反膜,出射面鍍有反射率約95%的部分反射膜。圖1為VIPA基本原理示意圖,如圖所示,平行光束通過(guò)柱面透鏡以一定角度在水平方向上線聚焦于VIPA的入射窗口,光束在VIPA內(nèi)部?jī)蓚€(gè)反射面間來(lái)回反射,在透過(guò)后表面的出射光場(chǎng)中形成多光路干涉。對(duì)于出射面來(lái)說(shuō),相當(dāng)于有n個(gè)等間距的虛像,故名虛像相位陣列。VIPA第n個(gè)虛像源的出射光強(qiáng)度可表示為[29]

圖1 VIPA基本原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the basic principle of VIPA

式中:R、r分別為入射面的高反膜反射率、出射面的部分反射膜反射率;ω=λf/πW是進(jìn)入VIPA光束的束腰尺寸,W為入射平行光束半徑,λ是波長(zhǎng),f為柱面透鏡焦距;第n個(gè)虛像的橫向位移Δyn=2ndsinθi,θi為VIPA的傾斜角。由于各支光的強(qiáng)度接近,此時(shí)可按照多支光束的疊加來(lái)計(jì)算干涉場(chǎng)。在理想情況下,利用聚焦透鏡進(jìn)行空間傅里葉變換,像平面的光場(chǎng)分布為[18]

式中:d為VIPA的厚度,F為出射聚焦透鏡焦距,k=2π/λ為波矢,θ=θi/n是入射光的折射角,n是折射率,y是成像面上的點(diǎn)距離中心點(diǎn)的距離。

在(2)式中,第一項(xiàng)是高斯函數(shù),可以看成是光斑的包絡(luò);第二項(xiàng)是一個(gè)與k和θ有關(guān)的周期性洛倫茲函數(shù)。這說(shuō)明波長(zhǎng)為λ的輸入光在像面上周期性成像,而不同波長(zhǎng)的光由于折射角θ和波矢k不同在像平面上不同位置呈周期性分布。但當(dāng)某一波長(zhǎng)光的干涉級(jí)次與另一波長(zhǎng)光的干涉級(jí)次重疊,周期性分布的特點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致VIPA輸出光譜混疊。根據(jù)(2)式可推得VIPA的自由光譜區(qū)范圍(FSR)和光譜分辨率(用出射級(jí)次的半高全寬FWHM表示)可分別表示為[18]

為分散VIPA出射光混疊的光譜,需要在VIPA后面放置次級(jí)色散元件進(jìn)行與主方向垂直的交叉色散。次級(jí)色散元件選擇衍射光柵的原因是衍射光柵的分辨率能夠達(dá)到nm量級(jí),能夠分辨VIPA的自由光譜范圍且其自由光譜范圍寬,不需擔(dān)心水平方向的光譜混疊問(wèn)題。衍射光柵與VIPA的結(jié)合實(shí)現(xiàn)光譜的二維映射,將VIPA的高色散特性與衍射光柵的寬光譜檢測(cè)范圍特性結(jié)合,實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率與寬光譜檢測(cè)的共存。

衍射光柵的表面是規(guī)則的等間距凹槽,以角度α入射到光柵表面的光其衍射角β與衍射級(jí)次m的關(guān)系可以表示為

式中a為光柵常數(shù)。

設(shè)聚焦透鏡的焦距為f,則其線色散為

由(6)、(7)式可計(jì)算衍射光柵的光譜分辨率與VIPA的FSR在像面上的距離,結(jié)合CCD像元面積即可在理論上分析VIPA光譜儀的光譜檢測(cè)范圍。

VIPA光譜儀的基本光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示,入射的待測(cè)平行光經(jīng)柱面鏡線聚焦于VIPA的入射窗口,VIPA將待測(cè)光束在垂直方向上進(jìn)行色散,再使用衍射光柵將垂直方向上混疊的干涉級(jí)次在水平方向色散展開(kāi),即在水平方向上分離VIPA自由光譜范圍(FSR)內(nèi)的疊加頻率,使入射光分散為二維光譜,最后經(jīng)過(guò)聚焦透鏡將光譜聚焦在面陣探測(cè)器上,不同頻率的光出射角不同,所以它們經(jīng)過(guò)聚焦透鏡后聚焦在焦平面上的不同位置,從而將面陣探測(cè)器上像素點(diǎn)的位置與光頻率一一對(duì)應(yīng)。VIPA/閃耀光柵的交叉色散系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相互垂直方向的色散,其光譜分辨率取決于VIPA的色散能力,光譜檢測(cè)范圍取決于閃耀光柵、成像物鏡和相機(jī)的面陣大小,時(shí)間分辨率取決于相機(jī)的曝光時(shí)間。

圖2 VIPA光譜儀基本光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the basic optical structure of VIPA spectrometer

2 實(shí)驗(yàn)裝置

VIPA光譜儀實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示,使用到的所有光學(xué)元器件安裝在一塊600 mm×300 mm的鋁合金面包板上。待測(cè)634 nm多縱模激光器(IO MatchBox)出射光由單模光纖導(dǎo)出并經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直,光斑束腰半徑W約為1 mm,準(zhǔn)直后的平行光束與頻率標(biāo)定用的He-Ne光束共光路傳輸,經(jīng)有效焦距f=40 mm的柱透鏡在水平方向線聚焦于VIPA入射窗口,VIPA入射窗口高度為3 mm,柱透鏡大小為40 mm×20 mm,VIPA傾斜放置并與入射光軸呈2.4°夾角,滿足VIPA激光注入條件[29];VIPA 與衍射光柵聯(lián)合色散形成的二維光譜被有效焦距F=400 mm的1英寸雙膠合消色差透鏡聚焦在面陣CCD相機(jī)(Thorlabs,1501M-USB)靶面,面陣CCD位于透鏡焦平面上。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置(a)原理框圖及(b)實(shí)物圖;(c)VIPA實(shí)物圖Fig.3 (a)Schematic diagram and(b)photograph of experimental set-up;(c)Photograph of VIPA

實(shí)驗(yàn)使用的VIPA自由光譜區(qū)范圍FSR為60 GHz,基底材料為熔融石英,厚度d為1.68 mm,尺寸為22 mm×24 mm(長(zhǎng)×寬),其中入射面的入射窗口區(qū)大小為22 mm×3 mm(長(zhǎng)×寬),各表面鍍膜的有效波長(zhǎng)范圍為600～725 nm。閃耀光柵刻線密度為600 line/mm,基底材料為鋁合金,尺寸為64 mm×64 mm,工作范圍為350～1000 nm,其中600 nm處的閃耀角為10.37°。CCD相機(jī)靶面尺寸為1392 pixel×1040 pixel,像素尺寸為6.45 μm,最大幀數(shù)每秒23幀,曝光時(shí)間為0～1000 s。

3 結(jié)果與討論

VIPA光譜儀使用100 μs曝光時(shí)間、1幀的采集速度進(jìn)行光譜測(cè)量。圖4(a)為得到的He-Ne激光器光譜圖像,圖中兩個(gè)光點(diǎn)所代表的波長(zhǎng)都為632.8 nm,豎直間距代表一個(gè)FRS,通過(guò)提取光點(diǎn)峰值像素點(diǎn)確定圖像上頻率的準(zhǔn)確位置,得到一個(gè)FSR包含的像素點(diǎn)數(shù)為468,再根據(jù)(4)式可計(jì)算出當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下FRS應(yīng)為60.5 GHz,由此得到每個(gè)像素間隔對(duì)應(yīng)0.17 pm。峰值強(qiáng)度提取通過(guò)條紋位置點(diǎn)橫向范圍內(nèi)5個(gè)像素點(diǎn)的平均獲得,以降低圖像噪聲的影響。圖4(b)為待測(cè)多模激光器的光譜圖像,圖中每一個(gè)亮點(diǎn)代表激光器的一個(gè)出光模式。豎直方向是VIPA色散結(jié)果,水平方向是衍射光柵的色散結(jié)果。根據(jù)He-Ne激光器標(biāo)定的FSR位置可準(zhǔn)確截取出多模激光器光譜圖像的一個(gè)FSR區(qū)域,如圖4紅色虛線標(biāo)識(shí)區(qū)域,以用于一維光譜的反演。將左側(cè)He-Ne的光斑中心位置作為632.8 nm的絕對(duì)頻率參考點(diǎn),圖4(b)中光斑作為相對(duì)頻率參考點(diǎn),確定離632.8 nm絕對(duì)頻率參考點(diǎn)最近位置的模式波長(zhǎng),假設(shè)模式間隔一定的條件下,根據(jù)圖2所示規(guī)則,從下到上、從左到右重構(gòu)條紋信息,將圖像位置點(diǎn)與波長(zhǎng)之間的關(guān)系一一對(duì)應(yīng),從而反演出一維光譜。

圖4 使用(a)He-Ne激光器和(b)多模激光器獲得的二維光譜成像圖Fig.4 2D spectrogram obtained by using(a)He-Ne laser and(b)multimode laser

反演得到的激光器出射光譜如圖5(a)所示,其中橫坐標(biāo)為波長(zhǎng),縱坐標(biāo)為圖像采集到的相對(duì)強(qiáng)度,單張圖片覆蓋譜寬3.1 nm。圖5(b)所示為紅框選取部分放大的光譜圖像,從細(xì)節(jié)上可以看出激光器的每個(gè)模式都能得到清晰的呈現(xiàn)。如同(2)式的描述,VIPA的單個(gè)FSR范圍內(nèi)的光強(qiáng)度信息都與函數(shù)sin(kΔ/2)和一個(gè)高斯包絡(luò)函數(shù)有關(guān)。

圖5 (a)VIPA光譜儀測(cè)量到的多模激光器出射光譜;(b)放大后的光譜細(xì)節(jié)Fig.5 (a)Spectrum of multimode laser measured by VIPA spectrometer;(b)Detailed spectrum of the zoom

根據(jù)(5)式和實(shí)驗(yàn)參數(shù),搭建的VIPA光譜儀理論光譜分辨率為1.5 GHz(2.0 pm)。實(shí)驗(yàn)使用的多模激光器的激光模式線寬標(biāo)稱小于1.0 pm,因此可用于檢驗(yàn)VIPA光譜儀的實(shí)際光譜分辨率。隨機(jī)選取圖5中的一個(gè)光學(xué)模式,如圖6所示,測(cè)得其半高全寬FWHM為1.54 GHz(2.1 pm),表明VIPA光譜儀的實(shí)際光譜分辨率與理論值基本一致。

圖6 VIPA光譜儀的光譜分辨率Fig.6 Spectral resolution of VIPA spectrometer

由于CCD相機(jī)的暗噪聲、雜散光以及裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等因素的影響,在判斷條紋或光斑中心位置時(shí)會(huì)存在一定的像素偏差,在測(cè)量上體現(xiàn)為光譜漂移。為評(píng)估VIPA光譜儀的波長(zhǎng)標(biāo)定準(zhǔn)確性,用He-Ne激光器作為光源,以測(cè)量零時(shí)像素點(diǎn)為初始位置,記錄光斑在成像面上的位置變化,再根據(jù)像素間隔計(jì)算出光譜儀的長(zhǎng)時(shí)漂移。測(cè)量結(jié)果如圖7所示,在4 h連續(xù)運(yùn)行中光斑中心漂移在3個(gè)像素以內(nèi),光譜漂移小于 375 MHz(0.5 pm)。

圖7 連續(xù)4 h運(yùn)行的頻率漂移Fig.7 Spectral frequency shift during 4 h

4 總結(jié)

報(bào)道了紅光波段VIPA光譜儀的研制,其單幅測(cè)量譜寬為3.1 nm、時(shí)間分辨率為100 μs、光譜分辨率為1.5 GHz(2.0 pm),4 h連續(xù)運(yùn)行的光譜漂移約375 MHz(0.5 pm)。使用該VIPA光譜儀測(cè)量了633 nm多模激光器的出射光譜,能清晰分辨出光譜中的每一個(gè)激光模式。VIPA光譜儀的光譜分辨率取決于VIPA元件,可通過(guò)其厚度、前后表面鍍膜反射率和入射角度控制；其光譜檢測(cè)范圍取決于VIPA的自由光譜范圍、相機(jī)像元面積和聚焦透鏡焦距等因素,需要在實(shí)際使用過(guò)程中權(quán)衡;其時(shí)間分辨率取決于相機(jī)的曝光時(shí)間,可通過(guò)更換更好性能的相機(jī)達(dá)到更高的時(shí)間分辨率。目前該系統(tǒng)仍存在一些問(wèn)題,如每一個(gè)VIPA的自由光譜范圍內(nèi)的光譜信息均被一個(gè)高斯函數(shù)包絡(luò)等,需要進(jìn)一步解決。當(dāng)前VIPA光譜儀可用于寬帶腔增強(qiáng)裝置。