中红外光谱仪 Mid-infrared spectrometers

2022-11-09 09:18:27 浏览:274

定义

可以分析中红外光的光谱仪。

中红外光谱区域对于光谱学特别重要,因为它包含许多吸收线,这是某些分子的特征。 特别是,这适用于波长在7μm和11μm之间的“指纹区域”。 该区域的吸收线与量子化的分子振动有关,它们可用于区分许多分子并测量它们的身份。 典型应用是环境监测和医学科学。

根据 ISO 20473:2007,中红外跨越 3 μm 至 50 μm 的整个波长区域。 一些光谱仪可以在这个广泛的区域的大部分地区工作。

中红外区域的挑战

在中红外光谱区域运行的光谱仪原则上可以与其他光谱仪类似,但由于各种原因,出现了巨大的挑战:

  • 一个主要问题是在该光谱区域中性能良好的光电探测器的可用性有限。 特别是光电二极管阵列等多元件光电探测器很难制造中红外。
  • 对于激光光谱学,窄线宽可调中红外激光源的选择有限。

热辐射是中红外的一个重大问题。

  • 另一个挑战可能是所有吸收物体在室温下发出的热辐射;注意热能kB T大于中红外区域的光子能量,允许大量发射。 这实际上是中红外探测器问题的一个重要部分;其中许多必须在低温下使用(例如,使用77 K的液氮),以充分抑制热噪声。

由于这些原因,中红外光谱仪不像近红外和可见光谱区域那样广泛可用,并且通常表现出较低的性能,例如在灵敏度(或信噪比)或光谱分辨率方面。

解决方案

傅里叶变换光谱

一种常见的解决方案是使用傅里叶变换光谱。 (对于红外应用,这通常被称为FTIR,意思是傅里叶变换红外。 在这里,一个关键优势是可以使用单元件光电探测器。

作为中红外吸收光谱的宽带光源,人们通常使用热源 - 例如,基于由锆/钇陶瓷制成的电加热棒的能斯特辉光。

傅里叶变换光谱的一个局限性是,这种光谱仪在扫描模式下工作,需要大量的时间来记录单个光谱,并且使用的光学延迟线具有更高的精度。

激光光谱

尽管中红外激光器在光谱学应用中的可用性多年来一直非常有限,但一些发展已经取得了实质性进展。 特别是,现在可以使用量子级联激光器,它以小线宽发射显着的光功率,并且在某些波长范围内可调谐。 虽然量子级联激光器只能覆盖相当有限的光谱范围,但这种激光器可以在非常宽的发射波长范围内制造,并且由于其紧凑性,可以在一个光谱仪中组合多个激光器。

均匀的频率梳状源现在可用于中红外,在光谱学中特别有用。 通过在光纤中采用超连续体产生,可以使这种光源覆盖红外的长范围。

可调谐中红外激光源也可以通过光学参量振荡器实现。 这些可以覆盖具有高输出功率和窄线宽的宽波长区域,但这种OPO系统往往相对复杂且昂贵。

高光谱分辨率通常是由所用激光光源的窄线宽引起的。 在其他情况下,它是由检测中的高波长辨别引起的。

上转换

中红外光电探测器的问题可以通过将中红外光上转换到较短波长区域(通常是0.8μm至1μm左右的近红外区域)来规避,在这些区域可以使用性能良好的光电探测器。 上转换可以通过非线性晶体中的和频率生成(SFG)来实现,其中中红外光与激光相互作用,例如来自发射1064nm的Nd:YAG激光器。 通常,要检测的中红外光非常微弱,而施加具有大量光功率的激光使得中红外光的很大一部分被转换为近红外光。

请注意,总和频率的产生可以理解为基于非线性过程,其中来自每个输入源的一个光子在输出波长处转换为单个光子。 在理想情况下,通过所有中红外输入光子的完全转换和具有高量子效率的近红外探测器,基本上可以进行散粒噪声限制检测。

AgGaS2事实证明,在各个方面都非常合适。

非线性转换受到相位匹配要求的约束。 理想情况下,所使用的非线性晶体材料不仅应在整个相关光谱区域中高度透明,而且还应提供合适的相位匹配方案(例如具有足够宽的相位匹配带宽)和高非线性系数(以减少所需的激光功率量)。 已经发现硫化银镓(AgGaS2,AGS)非常合适,具有0.85μm至11μm的宽透明度范围,相当高的非线性系数(约16pm/V)和适合使用1064nm的YAG激光器的相位匹配特性,并且已经证明了有希望的结果[4]。 然后总频率波长在0.9μm左右,非常适合使用硅基光电探测器技术。 例如,线性光电二极管阵列和二维焦平面阵列(图像传感器)以低成本具有良好的性能。

非共线相位匹配有效地为人们提供了宽带宽和高光谱分辨率。

将非共线相位匹配与具有较大光束半径的激光束结合使用,可以利用由此产生的角度色散:不同的中红外波长导致输出光的不同锥体,并且通过使用焦平面阵列检测该光,稍后将不同的探测器像素与不同的波长相关联。 相同的非线性晶体可以在不同的角度取向下使用,以覆盖感兴趣的光谱区域的不同部分。

对于连续检测,必须使用连续波激光器,但也可以使用脉冲激光器,在激光脉冲时获得高灵敏度,在其他时间则没有灵敏度。 这种时间门控实际上可能对某些应用程序有用。

参考文献

[1] P. Jacquinot, “New developments in interference spectroscopy”, Rep. Prog. Phys. 23 (1), 267 (1960), doi:10.1088/0034-4885/23/1/305
[2] F. Adler et al., “Mid-infrared Fourier transform spectroscopy with a broadband frequency comb”, Opt. Express 18 (21), 21861 (2010), doi:10.1364/OE.18.021861
[3] J. Mandon et al., “Fourier transform spectroscopy with a frequency comb”, Nature Photon. 3, 99 (2009), doi:10.1038/nphoton.2008.293
[4] P. Tidemand-Lichtenberg et al., “Mid-infrared upconversion spectroscopy”, J. Opt. Soc. Am. B 33 (11), D28 (2016), doi:10.1364/JOSAB.33.000D28

光检测和表征

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