所提出的长期测量反映了超连续介质源平均功率的时间稳定性，因此通过增加测量时间可以实现信噪比增强。本文对中红外超连续光源的光谱稳定性进行介绍。
中红外超连续光源的光谱稳定性
摘要：所提出的长期测量反映了超连续介质源平均功率的时间稳定性，因此通过增加测量时间可以实现信噪比增强。本文对中红外超连续光源的光谱稳定性进行介绍。
对中红外光谱非常感兴趣的度量是在标准测量时间尺度上的时间间隔上发射体诱导的光谱波动。从这个角度来看，零吸光度线提供了一个洞察这一性质。在相同的条件下，在光路和系统不发生变化的情况下，计算了两个连续测量光谱的比尔吸光度。因此，它们可以用来评估不同发射器的噪声，因为它们显示出波数相关的不稳定性。我们在没有插入样品的情况下进行了这些测量。使用中性密度过滤器和不同孔径尺寸，人为地将强度缩放到可比较的水平。因此，结果并不代表绝对信噪比的优点:例如，通过增加光谱测量的路径长度，热源的信号可以被强烈或完全抑制，而超连续波仍然可以有效穿透。各种zui先jin的基于激光的中红外光谱方法的光谱噪声定量评估可在中找到。
为了表征中红外超连续介质源的光谱性能，并将其与标准热发射器进行比较，排除仪器噪声的可能贡献，我们使用商用FTIR光谱仪(Bruker Optics, Vertex 70)作为核心系统，并使用中红外探测器(汞镉碲化可变间隙探测器，MCT, Vigo PCI-4TE-12，探测率D = 2.0 × 109 cm·√Hz·W−1)进行所有表征测量。光谱仪和探测器的采集参数和设置是固定的，因此对不同的信号源进行噪声估计的测量时间设定为常数(每个光谱约5秒)。图1分别描述了三个中红外超连续光谱源和内置FTIR Globar测量的零吸光度线。
(a)基于Leukos InF3光纤的超连续介质源 (600 mW, 250 KHz;使用1% ND滤波器); | (b) NKT光子学ZBLAN光纤超连续谱源(500 mW, 2.5 MHz);RMS = 0.0025 (abs.u)。 |
| (c) Thorlabs SC4500 InF3光纤超连续源(300 mW, 50 MHz);RMS = 0.0024 (abs.u)。 | (d)标准机载热发射器;RMS = 0.0012 (abs.u)。 |
图1所示。使用标准FTIR仪器测量的零吸收线，采用(a-c)中红外超连续光源和(d)常规热发射器;发射功率谱在对应的子图中如下所示，以供参考(大气CO2和H2O的特征吸收)，探测器暗噪声底为3.3×10-5 (a.u);FTIR光谱仪、检测器(MCT)及其所有测量参数设置相同，因此，噪声评估的测量时间设置为恒定(每个光谱约5秒);使用2.4 μ m边通光谱滤波器选择光谱的中红外部分;RMS误差计算的频谱带宽范围为4025 cm-1至2280 cm-1[由于覆盖范围有限，(c)为2500 cm-1]。
由于超连续光源是脉冲低占空比光源，因此使用了箱车积分器(门控积分器，苏黎世仪器，UHFLI)来解调和预处理信号，以便由光谱仪的读出电子设备采集。因此，通过在优化配置的时间门(从20到50 ns)期间平均信号来排除脉冲间噪声。选择这种类型的积分器是因为与锁相放大器相比，它对于非正弦低占空比源更有效。我们假设积分器不引入显著的噪声，允许将脉冲超连续波与连续波热发射进行比较。
图1所示的所有测量都是在光谱仪的锁定配置和参数下进行的。利用边通滤波器(2.4 μ m cut-on波长)选择中红外光谱波段。为了使探测器在接近饱和状态下工作，根据光源的不同亮度调整了孔径的大小。由于其中一种超连续介质激光器(Leukos，基于InF3光纤)与其他光源相比具有相当高的脉冲能量(平均功率650mw，重复频率250khz)，因此采用强中性密度滤波器来对前者的发射进行比例调整(1%传输，Thorlabs NDIR20B，光谱强度噪声假设按比例进行比例调整)。FTIR系统的镜像频率固定在1 kHz用于表征，因此，用于噪声评估的测量时间窗口是恒定的。根据源的脉冲重复率，车厢积分器(即干涉图解调设备)被单独配置，以避免在各自的干涉图中高频分量的涂抹。这是由于相对于车厢积分器的有效带宽，镜面速度高造成的。对于NKT Photonics的超连续光源，boxcar时间常数设置为1024个周期(相当于410µs时间常数)，对于Leukos的超连续光源，boxcar时间常数设置为128个周期(512µs时间常数)，对于Thorlabs SC4500, boxcar时间常数设置为32768个周期(655µs时间常数)。由于高信噪比，得到的光谱平滑。
考虑到图1中描述的表征结果和获得的RMS误差，必须注意的是，NKT Photonics和Thorlabs的高重复率超连续谱发生器具有优越的光谱稳定性(光谱偏差无法用肉眼区分)，并且在小范围内超过了给定配置下的热发射器。然而，基于ZBLAN超连续的FTIR的光谱噪声性能仍然可以通过平坦的光谱形状或去除强光谱峰来有效地利用探测器和DAQ单元的动态范围来提高，这可以在相对较宽的光谱范围内产生相当的噪声水平。
所有特征超连续介质源都是常规的，基于一个反常色散产生方案。图1证实并说明了一个众所周知的事实，即在异常色散区使用泵浦的超连续介质源表现出相对较高的波动(特别是与全正态色散超连续介质发生器的新概念相比)。然而，该图也显示了脉冲平均的重要性，因此对于大多数常规中红外光谱应用，高脉冲重复频率发射器(MHz或数十MHz范围)可以减少脉冲到脉冲光谱不稳定性的影响。在光谱域光学相干层析成像的ji端噪声敏感技术中，通过使用高重复率的积分来降低噪声的示例可以在中找到。此外，我们想指出的是，光谱亮度的增强能够显著延长光-物质相互作用的路径长度，并探测更多的分子(即增强相对于噪声的吸收信号)。因此，相对较高的光谱不稳定性(在标准测量时间尺度)的超连续介质源相比标准热发射器在实践中变得微不足道。
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