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傅里葉變換微光譜儀
發(fā)布時(shí)間：2025-7-4傅里葉變換微光譜儀
傅里葉變換光譜儀通常用于紅外范圍內(nèi)的吸收光譜或發(fā)射光譜，其重點(diǎn)是使用干涉儀來調(diào)制隨時(shí)間推移入射在單個(gè)檢測(cè)器上的光。然后，通過傅里葉變換將在檢測(cè)器上收集到的“干涉圖"（接收信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的函數(shù)，或者系統(tǒng)的時(shí)變特性，例如，光程長(zhǎng)度）轉(zhuǎn)換為與波長(zhǎng)相關(guān)的光譜。與基于衍射光學(xué)的系統(tǒng)相比，傅里葉變換系統(tǒng)具有兩個(gè)主要的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)。首先，在一個(gè)檢測(cè)器上同時(shí)收集光譜信息會(huì)帶來多重（或Fellgett）的優(yōu)勢(shì)。其次，避免空間色散會(huì)導(dǎo)致更高的光通量或étendue度，這就是Jacquinot的優(yōu)勢(shì)。這兩個(gè)因素都傾向于提供更高的信噪比。此外，與基于陣列的探測(cè)器相比，使用一個(gè)探測(cè)器提供了一個(gè)更小、更經(jīng)濟(jì)的替代方案。
微型傅里葉變換光譜儀可以通過以下機(jī)制進(jìn)行分類：干涉儀內(nèi)的光程隨時(shí)間變化；最寬泛的區(qū)別在于有運(yùn)動(dòng)部件和無運(yùn)動(dòng)部件的產(chǎn)品之間。屬于前一組，的基于芯片的傅里葉變換光譜儀出現(xiàn)在1990年代后期，基于邁克爾遜干涉儀，微電子機(jī)械系統(tǒng)用于操縱帶有靜電、電磁或電熱（通常是梳驅(qū)動(dòng)）致動(dòng)器（圖4A）。除了與平面光源集成的困難外，這些裝置的缺點(diǎn)是光譜分辨率受到致動(dòng)器行程范圍允許的光程差的限制而這又受制于拉入效應(yīng)（在閾值分隔以下時(shí)，鏡將不受控制地迅速相互吸引）。最近，已經(jīng)證明，在光纖末端上的液滴的蒸發(fā)還可以起到類似于掃描傅里葉變換光譜儀的系統(tǒng)的作用，以獲得液體分析物的吸收光譜。
到2000年代后期，已經(jīng)出現(xiàn)了基于集成波導(dǎo)且沒有可移動(dòng)鏡的平面片上傅里葉變換光譜儀。這些系統(tǒng)以Mach-Zehnder干涉儀為基礎(chǔ)而不是邁克爾遜架構(gòu)，從而將光分成至少兩個(gè)單向路徑，朝著單個(gè)檢測(cè)器重組。在此，光程差在不同通道中的光之間引起相位差。其中一些系統(tǒng)基于多個(gè)Mach-Zehnder干涉儀陣列，形成空間外差光譜儀。例如，制造了螺旋狀的波導(dǎo)陣列（圖4B），波導(dǎo)的長(zhǎng)度線性地變化，從而引起路徑之間的延遲。但是，這種系統(tǒng)受到光程差以及Mach-Zehnder干涉儀數(shù)量的限制，這兩者都限制了光譜儀可在保持令人滿意的性能的同時(shí)減少占地面積的程度。
在此基礎(chǔ)上，替代設(shè)計(jì)使用的機(jī)制可以連續(xù)調(diào)整單個(gè)Mach-Zehnder干涉儀的特性（因此，僅需要一個(gè)光電探測(cè)器）而不是依賴具有固定長(zhǎng)度的多個(gè)Mach-Zehnder干涉儀。這是通過在鈮酸鋰波導(dǎo)中進(jìn)行電光調(diào)制以及利用熱光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，其中，在集成光路附近嵌入了微型加熱器（圖4C） 。一種替代方法是數(shù)字傅里葉變換光譜儀，其中，使用光子電路，其特征是具有多個(gè)光開關(guān)，這些光開關(guān)可沿不同長(zhǎng)度的路徑轉(zhuǎn)移信號(hào)。在此，分辨率取決于路徑數(shù)或頻譜通道數(shù)，其隨光學(xué)開關(guān)的數(shù)量成指數(shù)比例增長(zhǎng)。在許多這些方法中，的進(jìn)展已允許諸如壓縮感測(cè)、機(jī)器學(xué)習(xí)和前后線性預(yù)測(cè)之類的計(jì)算技術(shù)來增強(qiáng)這些設(shè)備的光譜分辨率并校正溫度變化–或基于制造的錯(cuò)誤。
這些基于微型干涉儀的FT系統(tǒng)的一個(gè)相關(guān)變體是固定波集成傅立葉變換光譜儀。在基于固定波集成傅立葉變換光譜儀的微譜儀的工作中，通過兩個(gè)反向傳播的信號(hào)的干涉，在單模閉環(huán)波導(dǎo)中建立了駐波（或者在Lippmann配置中，可以在波導(dǎo)的末端放置一個(gè)反射鏡，以實(shí)現(xiàn)通過將信號(hào)反射回自身而建立駐波）。盡管在傅里葉變換光譜儀中通過單個(gè)檢測(cè)器產(chǎn)生并收集了時(shí)間干涉圖，但在這里卻產(chǎn)生了空間干涉圖。金屬納米帶以規(guī)則的間隔沉積在波導(dǎo)的頂部，以對(duì)倏逝場(chǎng)進(jìn)行采樣并繪制沿環(huán)路的駐波的相對(duì)強(qiáng)度（圖4D）。這種設(shè)計(jì)的概念驗(yàn)證證明，這種系統(tǒng)的光譜范圍受到限制（在這種情況下，以1500 nm為中心為96 nm），因?yàn)椴荒芤砸欢ǖ拈g距制造采樣器，以避免干涉圖的欠采樣。
最近，研究人員發(fā)展出一種固定波集成傅立葉變換光譜儀，該系統(tǒng)使用雙重空間和時(shí)間采樣方案來規(guī)避此問題。在混合鈮酸鋰-氮化硅波導(dǎo)平臺(tái)中使用電光效應(yīng)，可以通過施加電壓（圖4D）使空間干涉圖沿波導(dǎo)移動(dòng)（圖4D），從而即使使用固定的納米采樣器陣列，也可以將整個(gè)干涉圖成像為采樣，在這種情況下達(dá)到500 nm的光譜范圍。因此，在厘米尺度上，的分辨率（幾十皮米）是可能的，盡管相反，這樣的設(shè)備可能不適合小型化。這些系統(tǒng)目前還依賴于外部攝像機(jī)對(duì)來自采樣器的干涉圖散射成像；將專門的納米級(jí)光電探測(cè)器放置在波導(dǎo)上的發(fā)展，將允許直接測(cè)量和簡(jiǎn)化系統(tǒng)。