中階梯光柵光譜儀及其應(yīng)用

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中階梯光柵光譜儀是什么？

許多實際的光譜應(yīng)用都希望在非常寬的波長范圍內(nèi)獲得高分辨率光譜。光譜測量的保真度隨著分辨率的增加而增加，直到光譜特征被完全分辨，不僅要在光譜線和背景之間產(chǎn)生最高的對比度，同時，也要記錄全光譜提供了源特性的完整圖像。

然而，以高分辨率記錄寬帶光譜需要許多獨立的光電探測器，不過半導(dǎo)體芯片中像素元件應(yīng)運而生。例如，在500 nm波長的分辨率為R= 50,000時，單個分辨率元件只能捕獲λ/R=10pm的波長范圍。采樣理論表明，至少需要兩個像素來正確采樣一個分辨率元素，所以探測器的每個像素只覆蓋5pm的光譜。一個2000像素寬的探測器在如此高的分辨率下只能記錄5nm的波長范圍。要記錄從400nm到1000nm的光譜，需要一個長度幾十萬像素、物理尺寸為米的探測器，以及配套的光學(xué)元件。

將高分辨率光譜的格式與以近似正方形格式提供所需像素數(shù)的區(qū)域探測器相匹配的一個優(yōu)雅的解決方案是使用階梯光柵。與普通衍射光柵不同的是，普通衍射光柵在衍射1階中產(chǎn)生單一的線性光譜，這些光柵利用了波長和光柵衍射階的乘積是恒定的——1階的1000 nm與2階的500 nm在同一方向上衍射。在非常高階~100階使用梯級光柵，提供高分辨率但重疊的光譜。使用同樣的例子，100階的500nm與99階的505 nm在相同的方向上衍射。階數(shù)每5nm重疊一次，這稱為光柵的自由光譜范圍(FSR)。

如上所述，5nm的光譜可以用現(xiàn)成的2000像素寬的CMOS或CCD檢測器方便地記錄，分辨率為50,000。問題仍然是檢測器不能區(qū)分重疊的順序。這是通過使用第二個色散元件，棱鏡或低分辨率光柵來解決的，它垂直于中階梯光柵，并在探測器上扇形展開，因此它們位于彼此上方的跡線中。這有效地將源光譜轉(zhuǎn)換為探測器上的連續(xù)光譜跡線堆棧，每個跡線覆蓋的光譜范圍很短，分辨率很高。這使得在一次拍攝中記錄寬帶高分辨率光譜成為可能，這就是為什么階梯光柵長期以來一直是天文觀測中首選的工具。

需要專門的分析軟件來解開堆疊的光譜序列，并將它們合并成一個覆蓋全范圍的校準(zhǔn)光譜。這需要精確的波長校準(zhǔn)——將每個像素的位置與唯一的波長相匹配，并仔細的通量校準(zhǔn)以消除由光學(xué)器件和探測器的波長相關(guān)效率引起的每個階的強度變化，特別是光柵在每個階上印下的強度剖面(所謂的火焰剖面)。

下面的動畫演示了將單個光譜轉(zhuǎn)換成短而連續(xù)的光譜序列堆疊在一起的原理，形成一個階梯狀的光譜格式，可以用提供高像素計數(shù)的面探測器記錄。

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超緊湊中階梯光柵光譜儀RS10K的應(yīng)用

下面的光譜展示了RS10k中階梯光柵光譜儀在不同應(yīng)用中的性能。每個光譜都是在一次拍攝中獲得的，覆蓋450- 1030nm范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。請注意，某些光譜已被限制在其范圍內(nèi)，以更詳細地顯示特別有趣的特征。

等離子體光譜

RS10K中階梯光柵光譜儀可以看到指紋光譜，實時揭示化學(xué)和表面科學(xué)正在發(fā)生什么。我們很高興能在ARC量子計算和通信技術(shù)卓越中心(UNSW悉尼)的一些測試中證明這一點，他們用O2/SF6等離子體或CF4/CHF3/Ar等離子體對量子計算機的少量硅進行反應(yīng)離子蝕刻。

光源表征

RS10k可以實時顯示二極管激光器的縱向模式。下圖顯示了中心峰波長為650±20 nm的二極管激光器的高分辨率發(fā)射光譜。

釷氬(Th-Ar)通常用于校準(zhǔn)天文臺的高分辨率階梯光柵光譜儀。釷在紫外、可見光和近紅外波段發(fā)射出狹窄的光譜線，可以作為精確的參考。光譜中也有亮幾個數(shù)量級的氬譜線。

物理實驗室教學(xué)工具

原子軌道可以用表示總角動量的量子數(shù)Mj來標(biāo)記。在蒸汽室中，被激發(fā)的原子從較高的狀態(tài)弛豫到較低的狀態(tài)時發(fā)出共振光，并且只有當(dāng)自旋數(shù)Mj相差1或更小時才允許光學(xué)躍遷。Mj變化為-1的躍遷產(chǎn)生sigma(-)圓偏振光，Mj變化為+1的躍遷產(chǎn)生sigma(+)圓偏振光。在外磁場中自旋能級的塞曼分裂可以用光譜測量，并且通過使用極化來獨立分離sigma(-)和sigma(+)躍遷變得更容易。同時記錄了鎘的4種不同原子躍遷的塞曼分裂，并證明了它們具有不同的自旋-軌道耦合。

天體光子學(xué)

太陽光譜是豐富而復(fù)雜的，結(jié)合了連續(xù)光譜和許多吸收線。對這些特征的分析提供了有關(guān)太陽成分、溫度和活動的寶貴信息，有助于我們對太陽和恒星物理的理解。下面的圖顯示了350 nm寬的太陽光譜，其中有顯著特征(例如鈉重態(tài)和h - α)。當(dāng)單模光纖指向太陽時，捕獲了光譜。

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高分辨率中階梯光柵光譜儀RS40K的應(yīng)用

下圖展示了RS40k中階梯光柵光譜儀的性能。每個光譜都是在一次拍攝中獲得的，包含430-950 nm的數(shù)據(jù)。某些光譜被限制在其范圍內(nèi)，以更詳細地顯示特別有趣的特征。

光源表征

二極管激光器發(fā)射的光束通常具有很小的波長范圍，稱為激光線寬。這是由于在激光二極管的諧振腔內(nèi)同時發(fā)生多種不同模式的振蕩。這些可以包括縱向和橫向模式，導(dǎo)致多模激光二極管。下圖顯示了一種廉價光纖故障檢測器的光譜，其中心峰波長為650±20 nm。

汞在紫外和可見光區(qū)域有幾條顯著的光譜線，包括546.07 nm、435.83 nm和579.07 nm的光譜線。這些譜線表現(xiàn)出部分可見的超精細結(jié)構(gòu)，在峰的底部表現(xiàn)為駝峰。這些特征的光譜寬度受水銀燈內(nèi)壓力的影響。在R=50,000左右的分辨率下，這些特征變得清晰可辨。

當(dāng)高壓加在氖氣管上時，氖氣被激發(fā)并發(fā)光，產(chǎn)生不同的光譜。霓虹光譜由紅色、橙色、黃色、綠色、藍色、靛藍和紫色的明亮發(fā)光線組成。這些顏色對應(yīng)于氖氣發(fā)出的特定波長的光。氖光譜中最突出的顏色是深紅橙色。

天體光子學(xué)

下圖顯示了656.28 nm處h - α線周圍太陽光譜的一小部分(一個階梯形)。當(dāng)單模光纖對準(zhǔn)太陽時，獲得了太陽光譜。太陽光譜包括數(shù)千條吸收線，這些吸收線是由太陽大氣中不同元素的存在引起的，可以用來研究太陽的成分和溫度。