所提出的長(zhǎng)期測(cè)量反映了超連續(xù)介質(zhì)源平均功率的時(shí)間穩(wěn)定性，因此通過(guò)增加測(cè)量時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)信噪比增強(qiáng)出刷。本文對(duì)中紅外超連續(xù)光源的光譜穩(wěn)定性進(jìn)行介紹璧疗。
中紅外超連續(xù)光源的光譜穩(wěn)定性
摘要：所提出的長(zhǎng)期測(cè)量反映了超連續(xù)介質(zhì)源平均功率的時(shí)間穩(wěn)定性，因此通過(guò)增加測(cè)量時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)信噪比增強(qiáng)馁龟。本文對(duì)中紅外超連續(xù)光源的光譜穩(wěn)定性進(jìn)行介紹崩侠。
對(duì)中紅外光譜非常感興趣的度量是在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量時(shí)間尺度上的時(shí)間間隔上發(fā)射體誘導(dǎo)的光譜波動(dòng)。從這個(gè)角度來(lái)看坷檩，零吸光度線提供了一個(gè)洞察這一性質(zhì)却音。在相同的條件下，在光路和系統(tǒng)不發(fā)生變化的情況下矢炼，計(jì)算了兩個(gè)連續(xù)測(cè)量光譜的比爾吸光度系瓢。因此，它們可以用來(lái)評(píng)估不同發(fā)射器的噪聲句灌，因?yàn)樗鼈冿@示出波數(shù)相關(guān)的不穩(wěn)定性夷陋。我們?cè)跊](méi)有插入樣品的情況下進(jìn)行了這些測(cè)量。使用中性密度過(guò)濾器和不同孔徑尺寸涯塔，人為地將強(qiáng)度縮放到可比較的水平肌稻。因此，結(jié)果并不代表絕對(duì)信噪比的優(yōu)點(diǎn):例如匕荸，通過(guò)增加光譜測(cè)量的路徑長(zhǎng)度，熱源的信號(hào)可以被強(qiáng)烈或完全抑制枷邪，而超連續(xù)波仍然可以有效穿透榛搔。各種zui先jin的基于激光的中紅外光譜方法的光譜噪聲定量評(píng)估可在中找到。
為了表征中紅外超連續(xù)介質(zhì)源的光譜性能东揣，并將其與標(biāo)準(zhǔn)熱發(fā)射器進(jìn)行比較践惑，排除儀器噪聲的可能貢獻(xiàn)，我們使用商用FTIR光譜儀(Bruker Optics, Vertex 70)作為核心系統(tǒng)嘶卧，并使用中紅外探測(cè)器(汞鎘碲化可變間隙探測(cè)器尔觉，MCT, Vigo PCI-4TE-12，探測(cè)率D = 2.0 × 109 cm·√Hz·W?1)進(jìn)行所有表征測(cè)量芥吟。光譜儀和探測(cè)器的采集參數(shù)和設(shè)置是固定的侦铜，因此對(duì)不同的信號(hào)源進(jìn)行噪聲估計(jì)的測(cè)量時(shí)間設(shè)定為常數(shù)(每個(gè)光譜約5秒)。圖1分別描述了三個(gè)中紅外超連續(xù)光譜源和內(nèi)置FTIR Globar測(cè)量的零吸光度線钟鸵。
(a)基于Leukos InF3光纖的超連續(xù)介質(zhì)源 (600 mW, 250 KHz;使用1% ND濾波器); | (b) NKT光子學(xué)ZBLAN光纖超連續(xù)譜源(500 mW, 2.5 MHz);RMS = 0.0025 (abs.u)。 |
| (c) Thorlabs SC4500 InF3光纖超連續(xù)源(300 mW, 50 MHz);RMS = 0.0024 (abs.u)棺耍。 | (d)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)載熱發(fā)射器;RMS = 0.0012 (abs.u)贡未。 |
圖1所示。使用標(biāo)準(zhǔn)FTIR儀器測(cè)量的零吸收線，采用(a-c)中紅外超連續(xù)光源和(d)常規(guī)熱發(fā)射器;發(fā)射功率譜在對(duì)應(yīng)的子圖中如下所示俊卤，以供參考(大氣CO2和H2O的特征吸收)嫩挤，探測(cè)器暗噪聲底為3.3×10-5 (a.u);FTIR光譜儀、檢測(cè)器(MCT)及其所有測(cè)量參數(shù)設(shè)置相同消恍，因此俐镐，噪聲評(píng)估的測(cè)量時(shí)間設(shè)置為恒定(每個(gè)光譜約5秒);使用2.4 μ m邊通光譜濾波器選擇光譜的中紅外部分;RMS誤差計(jì)算的頻譜帶寬范圍為4025 cm-1至2280 cm-1[由于覆蓋范圍有限，(c)為2500 cm-1]哺哼。
由于超連續(xù)光源是脈沖低占空比光源佩抹，因此使用了箱車(chē)積分器(門(mén)控積分器，蘇黎世儀器取董，UHFLI)來(lái)解調(diào)和預(yù)處理信號(hào)棍苹，以便由光譜儀的讀出電子設(shè)備采集。因此茵汰，通過(guò)在優(yōu)化配置的時(shí)間門(mén)(從20到50 ns)期間平均信號(hào)來(lái)排除脈沖間噪聲枢里。選擇這種類(lèi)型的積分器是因?yàn)榕c鎖相放大器相比，它對(duì)于非正弦低占空比源更有效蹂午。我們假設(shè)積分器不引入顯著的噪聲栏豺，允許將脈沖超連續(xù)波與連續(xù)波熱發(fā)射進(jìn)行比較。
圖1所示的所有測(cè)量都是在光譜儀的鎖定配置和參數(shù)下進(jìn)行的豆胸。利用邊通濾波器(2.4 μ m cut-on波長(zhǎng))選擇中紅外光譜波段奥洼。為了使探測(cè)器在接近飽和狀態(tài)下工作，根據(jù)光源的不同亮度調(diào)整了孔徑的大小晚胡。由于其中一種超連續(xù)介質(zhì)激光器(Leukos灵奖，基于InF3光纖)與其他光源相比具有相當(dāng)高的脈沖能量(平均功率650mw，重復(fù)頻率250khz)估盘，因此采用強(qiáng)中性密度濾波器來(lái)對(duì)前者的發(fā)射進(jìn)行比例調(diào)整(1%傳輸瓷患，Thorlabs NDIR20B，光譜強(qiáng)度噪聲假設(shè)按比例進(jìn)行比例調(diào)整)遣妥。FTIR系統(tǒng)的鏡像頻率固定在1 kHz用于表征擅编，因此，用于噪聲評(píng)估的測(cè)量時(shí)間窗口是恒定的箫踩。根據(jù)源的脈沖重復(fù)率爱态，車(chē)廂積分器(即干涉圖解調(diào)設(shè)備)被單獨(dú)配置，以避免在各自的干涉圖中高頻分量的涂抹班套。這是由于相對(duì)于車(chē)廂積分器的有效帶寬肢藐，鏡面速度高造成的。對(duì)于NKT Photonics的超連續(xù)光源吱韭，boxcar時(shí)間常數(shù)設(shè)置為1024個(gè)周期(相當(dāng)于410μs時(shí)間常數(shù))吆豹，對(duì)于Leukos的超連續(xù)光源鱼的，boxcar時(shí)間常數(shù)設(shè)置為128個(gè)周期(512μs時(shí)間常數(shù))，對(duì)于Thorlabs SC4500, boxcar時(shí)間常數(shù)設(shè)置為32768個(gè)周期(655μs時(shí)間常數(shù))痘煤。由于高信噪比凑阶，得到的光譜平滑。
考慮到圖1中描述的表征結(jié)果和獲得的RMS誤差衷快，必須注意的是宙橱，NKT Photonics和Thorlabs的高重復(fù)率超連續(xù)譜發(fā)生器具有優(yōu)越的光譜穩(wěn)定性(光譜偏差無(wú)法用肉眼區(qū)分)，并且在小范圍內(nèi)超過(guò)了給定配置下的熱發(fā)射器蘸拔。然而师郑，基于ZBLAN超連續(xù)的FTIR的光譜噪聲性能仍然可以通過(guò)平坦的光譜形狀或去除強(qiáng)光譜峰來(lái)有效地利用探測(cè)器和DAQ單元的動(dòng)態(tài)范圍來(lái)提高林束，這可以在相對(duì)較寬的光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)脑肼曀健?/p>
所有特征超連續(xù)介質(zhì)源都是常規(guī)的浩嫌，基于一個(gè)反常色散產(chǎn)生方案切油。圖1證實(shí)并說(shuō)明了一個(gè)眾所周知的事實(shí)匆光，即在異常色散區(qū)使用泵浦的超連續(xù)介質(zhì)源表現(xiàn)出相對(duì)較高的波動(dòng)(特別是與全正態(tài)色散超連續(xù)介質(zhì)發(fā)生器的新概念相比)。然而又固，該圖也顯示了脈沖平均的重要性何荚，因此對(duì)于大多數(shù)常規(guī)中紅外光譜應(yīng)用毯盈，高脈沖重復(fù)頻率發(fā)射器(MHz或數(shù)十MHz范圍)可以減少脈沖到脈沖光譜不穩(wěn)定性的影響缔恳。在光譜域光學(xué)相干層析成像的ji端噪聲敏感技術(shù)中宝剖，通過(guò)使用高重復(fù)率的積分來(lái)降低噪聲的示例可以在中找到。此外歉甚，我們想指出的是万细，光譜亮度的增強(qiáng)能夠顯著延長(zhǎng)光-物質(zhì)相互作用的路徑長(zhǎng)度，并探測(cè)更多的分子(即增強(qiáng)相對(duì)于噪聲的吸收信號(hào))铃芦。因此雅镊，相對(duì)較高的光譜不穩(wěn)定性(在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量時(shí)間尺度)的超連續(xù)介質(zhì)源相比標(biāo)準(zhǔn)熱發(fā)射器在實(shí)踐中變得微不足道。
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