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用于低频(低波数)拉曼测量的体布拉格光栅

发布时间:2021-09-10 10:44:09 浏览量:2077 作者:Leon

摘要

为了在拉曼仪器中获得低频振动,光谱仪须将瑞利光尽可能地排斥在接近激光线的地方。有效信号与瑞利光的比率通常在60-70dB。

因此瑞利光须被抑制至少6个数量级才使弱拉曼模式被检测到。拉曼系统最低可测频率由拒绝直射光的陷波滤波器截止值决定。目前工

业中陷波滤波器截止频率大于200 cm-1,斯托克斯反斯托克斯模的同时测量受到此频率范围的限制。基于布拉格光栅陷波滤光器

(BNFs)的VBG可用一套滤光器代替双光谱仪级,从而使具有低频测量能力的拉曼系统成本更低,体积更小。

正文


图1


布拉格条件下,最小透过角与一定波长耦合。滤光片在较大的波长范围内角度可调。改变入射光与滤光片的夹角可在不损失光密度

情况下调节反射波长。单个BNF在400-1100 nm范围内典型光密度为3-4。在785 nm处,单光栅最大光密度为OD5。大多数拉曼光谱

仪需60dB以上瑞利光抑制,这可以通过几个BNFs的顺序级联得到。图1显示了两个级联BNFs在785 nm处光谱轮廓,两个滤光片组合

光密度约为7。图2显示了一个高端薄膜陷波滤波的光谱轮廓。可见使用VBG滤波器技术可以实现带宽的显著降低,这使得单级光谱

仪进行超低频率拉曼测量成为可能。


图2


不同BNFs的透射光谱如图3所示。OD>3在488 nm处的滤光片,其特征损耗约为15-20%,532 nm滤光片损耗为15-20%,633 nm

滤光片损耗为10-15%,而785 nm滤光片损耗小于10%。BNF光学损耗主要是由光在玻璃体中的散射引起的。光散射与波长的四次方

成正比增大。这导致滤光片在较短波长的透射率下降。值得注意的是,图3中的测量是用涂有抗反射(AR)薄膜的滤光片进行的。AR涂层

的透射变化决定了滤光片透射曲线的形状。在标记的谐振波长处,BNFs的实际透射率接近于零。透射光谱中锐线的测量深度(图3)是由

用于这些测量的分光光度计的光谱分辨率光束发散度决定的,分光光度计的光谱分辨率和光束发散度大于BNFs的光谱宽度和角度接

受度。


另一种用于拉曼光谱应用的VBG滤波器如图4所示。一组BNFs可以抑制6个数量级以上的瑞利光,距离激光线5cm-1。然而,拉曼光谱

中使用的激光光源大多具有大于-60 dB的噪声,如放大自发辐射(ASE)、等离子体线等。因此,为了检测出微弱的低频拉曼模式,激光线

必须清洗到-60分贝或更低。基于薄膜技术的带通滤波器可用于此目的;然而,它们不能去除距离激光中心波长100-200cm-1以内的

噪声。与陷波滤波器类似,薄膜带通滤波器的线宽受到外延层数量的限制,这些外延层可以在不降低质量的情况下沉积,因此,目前只

能窄到几纳米。


图3


反射型的VBG,即BragGrate™带通滤波器(BPF),可将频谱噪声降低至-60-70分贝,如图4所示。BPF并不是一个真正的带通滤波器,

因为它反射信号而不是传输信号;然而它把有用的信号从噪声中分离出来,清理激光线。BPF的典型衍射效率约为95%,相应地,有用

信号的损失约为5%。图4的左面板显示了在拉曼系统中如何使用BPF的示例。标准BPF的偏转角在20°左右。可以制作偏转角高达90°的

滤光片,但这种滤光片的角度接受度将会变窄,这通常是不可取的,因为有更严格的对准要求。

图4


基于VBG的净化滤波器最基本的优点是较窄的线宽与BNFs的线宽相匹配。因此,在与被研究样品相互作用后抑制激光线的陷波滤波器

相同的线宽下,BPF可以清洁激光线并将光谱噪声降低到-70 dB以下。图4的右边面板显示在785 nm波长处的激光二极管的原始光谱

(红线)和使用BPF带通滤波器清洗后的激光光谱(绿线)。


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