红光波段虚像相位阵列光谱仪研究

周昊,方波,杨娜娜,赵卫雄,王春晖,张为俊

(1中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,安徽 合肥 230031;2中国科学技术大学,安徽 合肥 230026;3中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026)

0 引言

光谱测量能够精准识别分子种类[1]、判断分子状态[2]、测定分子浓度[3],广泛应用于基础物理和化学[4,5]、大气痕量探测[6]、工业监测[7]及燃烧诊断[8]等研究领域。不同的应用对光谱测量的各项指标提出了不同要求,其中光谱范围、时间分辨率和光谱分辨率是最关键的三个参量,共同决定了光谱测量的性能。

目前光谱测量常用的方法和仪器包括:可调谐激光器与光电探测器联用方法、傅里叶变换光谱仪及光栅光谱仪。光电探测器与可调谐半导体激光器联用[9],具有非常高的光谱分辨率[10]。光电探测器测量的信号为接收光的总和,在某一时刻只能对应单一波长,不适用于宽带光谱的测量。傅里叶变换光谱仪可实现高光谱分辨率[11]。其光谱分辨率取决于动镜扫描的距离,分辨率越高,所需时间越长,且对适用环境的震动控制要求也更高[12]。光栅光谱仪结合衍射光栅和线阵CCD探测器[13],可快速获得宽光谱信息。但普通光栅色散能力较差,其产品的光谱分辨率普遍在nm量级。为提高光栅光谱仪的光谱分辨率,使用具有更强色散能力的中阶梯光栅代替普通光栅,发展了中阶梯光栅光谱仪,其分辨率可达几十pm[14]。

近些年随着光学频率梳在光谱学上应用的不断发展,对时间分辨宽光谱测量技术的光谱分辨率的要求到达几pm[15]。中阶梯光栅刻划宽度越宽,色散能力越强,但其面积也越大,且光能量分布的面积扩大对光源强度有更高的要求,成像质量难得到保证[14]。为此,发展出了虚像相位阵列(VIPA)光谱仪,VIPA元件是由Shirasaki[16]于1995年提出的一种新型色散器件,其外形是一块双面镀膜的玻璃平板,具有比中阶梯光栅更强的色散能力,但其输出光束存在光谱周期性混叠问题,高分辨率特性不能得到充分利用[17]。2004年,Xiao等[18]在VIPA之后再使用一块衍射光栅在正交方向色散,解决了VIPA光谱级次重叠的问题。2007年,Diddams等[19]用VIPA光谱仪测量光学频率梳光谱。2012年,Nugent-Glandorf等[20]将VIPA光谱仪用于中红外痕量气体探测,获得了约600 MHz(29 pm)@3.3 μm的高光谱分辨率。美国Jun Ye研究组[21]将VIPA光谱仪用于化学动力学测量,获得了高达10 μs的高时间分辨光谱。2020年,Roberts等[22]研制的VIPA光谱仪光谱分辨率高达190 MHz(7 pm)@3.3 μm。这种由柱面镜、VIPA、衍射光栅、聚焦透镜和面阵接收器组成的新型光谱仪结构,已有报道应用于痕量探测[23]、化学动力学测量[24]、激光测距[25]、布里渊光谱成像[26]、呼吸诊断[27]、相干断层扫描[28]等精密光谱测量领域。

本文讨论了VIPA光谱仪的原理,研制了一台用于红光波段的光谱测量仪,并评估了光谱仪的光谱分辨率和长时漂移。

1 VIPA光谱仪原理

VIPA元件是一块前后表面平行的双面镀膜标准具,其入射面除入射窗口区镀有增透膜外,其余区域均镀有反射率约100%的高反膜,出射面镀有反射率约95%的部分反射膜。图1为VIPA基本原理示意图,如图所示,平行光束通过柱面透镜以一定角度在水平方向上线聚焦于VIPA的入射窗口,光束在VIPA内部两个反射面间来回反射,在透过后表面的出射光场中形成多光路干涉。对于出射面来说,相当于有n个等间距的虚像,故名虚像相位阵列。VIPA第n个虚像源的出射光强度可表示为[29]

图1 VIPA基本原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the basic principle of VIPA

式中:R、r分别为入射面的高反膜反射率、出射面的部分反射膜反射率;ω=λf/πW是进入VIPA光束的束腰尺寸,W为入射平行光束半径,λ是波长,f为柱面透镜焦距;第n个虚像的横向位移Δyn=2ndsinθi,θi为VIPA的倾斜角。由于各支光的强度接近,此时可按照多支光束的叠加来计算干涉场。在理想情况下,利用聚焦透镜进行空间傅里叶变换,像平面的光场分布为[18]

式中:d为VIPA的厚度,F为出射聚焦透镜焦距,k=2π/λ为波矢,θ=θi/n是入射光的折射角,n是折射率,y是成像面上的点距离中心点的距离。

在(2)式中,第一项是高斯函数,可以看成是光斑的包络;第二项是一个与k和θ有关的周期性洛伦兹函数。这说明波长为λ的输入光在像面上周期性成像,而不同波长的光由于折射角θ和波矢k不同在像平面上不同位置呈周期性分布。但当某一波长光的干涉级次与另一波长光的干涉级次重叠,周期性分布的特点会导致VIPA输出光谱混叠。根据(2)式可推得VIPA的自由光谱区范围(FSR)和光谱分辨率(用出射级次的半高全宽FWHM表示)可分别表示为[18]

为分散VIPA出射光混叠的光谱,需要在VIPA后面放置次级色散元件进行与主方向垂直的交叉色散。次级色散元件选择衍射光栅的原因是衍射光栅的分辨率能够达到nm量级,能够分辨VIPA的自由光谱范围且其自由光谱范围宽,不需担心水平方向的光谱混叠问题。衍射光栅与VIPA的结合实现光谱的二维映射,将VIPA的高色散特性与衍射光栅的宽光谱检测范围特性结合,实现高光谱分辨率与宽光谱检测的共存。

衍射光栅的表面是规则的等间距凹槽,以角度α入射到光栅表面的光其衍射角β与衍射级次m的关系可以表示为

式中a为光栅常数。

设聚焦透镜的焦距为f,则其线色散为

由(6)、(7)式可计算衍射光栅的光谱分辨率与VIPA的FSR在像面上的距离,结合CCD像元面积即可在理论上分析VIPA光谱仪的光谱检测范围。

VIPA光谱仪的基本光学结构如图2所示,入射的待测平行光经柱面镜线聚焦于VIPA的入射窗口,VIPA将待测光束在垂直方向上进行色散,再使用衍射光栅将垂直方向上混叠的干涉级次在水平方向色散展开,即在水平方向上分离VIPA自由光谱范围(FSR)内的叠加频率,使入射光分散为二维光谱,最后经过聚焦透镜将光谱聚焦在面阵探测器上,不同频率的光出射角不同,所以它们经过聚焦透镜后聚焦在焦平面上的不同位置,从而将面阵探测器上像素点的位置与光频率一一对应。VIPA/闪耀光栅的交叉色散系统可实现两个相互垂直方向的色散,其光谱分辨率取决于VIPA的色散能力,光谱检测范围取决于闪耀光栅、成像物镜和相机的面阵大小,时间分辨率取决于相机的曝光时间。

图2 VIPA光谱仪基本光学结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the basic optical structure of VIPA spectrometer

2 实验装置

VIPA光谱仪实验装置如图3所示,使用到的所有光学元器件安装在一块600 mm×300 mm的铝合金面包板上。待测634 nm多纵模激光器(IO MatchBox)出射光由单模光纤导出并经准直器准直,光斑束腰半径W约为1 mm,准直后的平行光束与频率标定用的He-Ne光束共光路传输,经有效焦距f=40 mm的柱透镜在水平方向线聚焦于VIPA入射窗口,VIPA入射窗口高度为3 mm,柱透镜大小为40 mm×20 mm,VIPA倾斜放置并与入射光轴呈2.4°夹角,满足VIPA激光注入条件[29];VIPA 与衍射光栅联合色散形成的二维光谱被有效焦距F=400 mm的1英寸双胶合消色差透镜聚焦在面阵CCD相机(Thorlabs,1501M-USB)靶面,面阵CCD位于透镜焦平面上。

图3 实验装置(a)原理框图及(b)实物图;(c)VIPA实物图Fig.3 (a)Schematic diagram and(b)photograph of experimental set-up;(c)Photograph of VIPA

实验使用的VIPA自由光谱区范围FSR为60 GHz,基底材料为熔融石英,厚度d为1.68 mm,尺寸为22 mm×24 mm(长×宽),其中入射面的入射窗口区大小为22 mm×3 mm(长×宽),各表面镀膜的有效波长范围为600～725 nm。闪耀光栅刻线密度为600 line/mm,基底材料为铝合金,尺寸为64 mm×64 mm,工作范围为350～1000 nm,其中600 nm处的闪耀角为10.37°。CCD相机靶面尺寸为1392 pixel×1040 pixel,像素尺寸为6.45 μm,最大帧数每秒23帧,曝光时间为0～1000 s。

3 结果与讨论

VIPA光谱仪使用100 μs曝光时间、1帧的采集速度进行光谱测量。图4(a)为得到的He-Ne激光器光谱图像,图中两个光点所代表的波长都为632.8 nm,竖直间距代表一个FRS,通过提取光点峰值像素点确定图像上频率的准确位置,得到一个FSR包含的像素点数为468,再根据(4)式可计算出当前实验条件下FRS应为60.5 GHz,由此得到每个像素间隔对应0.17 pm。峰值强度提取通过条纹位置点横向范围内5个像素点的平均获得,以降低图像噪声的影响。图4(b)为待测多模激光器的光谱图像,图中每一个亮点代表激光器的一个出光模式。竖直方向是VIPA色散结果,水平方向是衍射光栅的色散结果。根据He-Ne激光器标定的FSR位置可准确截取出多模激光器光谱图像的一个FSR区域,如图4红色虚线标识区域,以用于一维光谱的反演。将左侧He-Ne的光斑中心位置作为632.8 nm的绝对频率参考点,图4(b)中光斑作为相对频率参考点,确定离632.8 nm绝对频率参考点最近位置的模式波长,假设模式间隔一定的条件下,根据图2所示规则,从下到上、从左到右重构条纹信息,将图像位置点与波长之间的关系一一对应,从而反演出一维光谱。

图4 使用(a)He-Ne激光器和(b)多模激光器获得的二维光谱成像图Fig.4 2D spectrogram obtained by using(a)He-Ne laser and(b)multimode laser

反演得到的激光器出射光谱如图5(a)所示,其中横坐标为波长,纵坐标为图像采集到的相对强度,单张图片覆盖谱宽3.1 nm。图5(b)所示为红框选取部分放大的光谱图像,从细节上可以看出激光器的每个模式都能得到清晰的呈现。如同(2)式的描述,VIPA的单个FSR范围内的光强度信息都与函数sin(kΔ/2)和一个高斯包络函数有关。

图5 (a)VIPA光谱仪测量到的多模激光器出射光谱;(b)放大后的光谱细节Fig.5 (a)Spectrum of multimode laser measured by VIPA spectrometer;(b)Detailed spectrum of the zoom

根据(5)式和实验参数,搭建的VIPA光谱仪理论光谱分辨率为1.5 GHz(2.0 pm)。实验使用的多模激光器的激光模式线宽标称小于1.0 pm,因此可用于检验VIPA光谱仪的实际光谱分辨率。随机选取图5中的一个光学模式,如图6所示,测得其半高全宽FWHM为1.54 GHz(2.1 pm),表明VIPA光谱仪的实际光谱分辨率与理论值基本一致。

图6 VIPA光谱仪的光谱分辨率Fig.6 Spectral resolution of VIPA spectrometer

由于CCD相机的暗噪声、杂散光以及装置结构稳定性等因素的影响,在判断条纹或光斑中心位置时会存在一定的像素偏差,在测量上体现为光谱漂移。为评估VIPA光谱仪的波长标定准确性,用He-Ne激光器作为光源,以测量零时像素点为初始位置,记录光斑在成像面上的位置变化,再根据像素间隔计算出光谱仪的长时漂移。测量结果如图7所示,在4 h连续运行中光斑中心漂移在3个像素以内,光谱漂移小于 375 MHz(0.5 pm)。

图7 连续4 h运行的频率漂移Fig.7 Spectral frequency shift during 4 h

4 总结

报道了红光波段VIPA光谱仪的研制,其单幅测量谱宽为3.1 nm、时间分辨率为100 μs、光谱分辨率为1.5 GHz(2.0 pm),4 h连续运行的光谱漂移约375 MHz(0.5 pm)。使用该VIPA光谱仪测量了633 nm多模激光器的出射光谱,能清晰分辨出光谱中的每一个激光模式。VIPA光谱仪的光谱分辨率取决于VIPA元件,可通过其厚度、前后表面镀膜反射率和入射角度控制；其光谱检测范围取决于VIPA的自由光谱范围、相机像元面积和聚焦透镜焦距等因素,需要在实际使用过程中权衡;其时间分辨率取决于相机的曝光时间,可通过更换更好性能的相机达到更高的时间分辨率。目前该系统仍存在一些问题,如每一个VIPA的自由光谱范围内的光谱信息均被一个高斯函数包络等,需要进一步解决。当前VIPA光谱仪可用于宽带腔增强装置。