《光谱仪器》PPT课件.ppt

第四章 光谱仪器,自由讨论：,1，光的哪些物理量需要测量，分别是什么单位？ 2，你知道有哪些光的探测工具，简单工作原理是什么？ 3，有哪些种类干涉仪，简单工作原理是什么？ 4，你的实验室分别有哪些光探测仪器，分别探测什么物理量？ 5，简单谈谈误差的分析？,摄谱仪与单色仪 干涉仪 波长计 光的灵敏探测,讲课内容,波长 强度（功率） 线型,光谱仪测量的物理量：,灵敏度 分辨率（时间，空间） 信噪比,光谱仪主要指标：,光谱仪（Spectrometer） 将入射狭缝S1成像为S2()的光学仪器 1，摄谱仪(spectrograph): (CCD) 成像 一次拍摄谱面上的分布S2() x 2，单色仪(Monochromator): (PhD) 光电信号 谱面上安装出射狭缝S2，获得单色输出,第4.1节 摄谱仪与单色仪,谱色散 dn/d：棱镜、光栅 线性色散dx/d : 取决于dn/d 和 f2。 色散越大、焦距越长、狭缝越小，则分辨率越高,CCD: 频率分辨， 空间辨： (将物上不同部分成像于像平面)，1 pixel=110 um 曝光时间：1 us 瞬时物理过程 1 h 提高信噪比 响应波长：200-1000 nm,CCD: 高空间和频率分辨，时间响应慢 Photodiode:时间分辨率高，空间和频率分辨率小,*CCD对冷原子成像，原子的空间密度分别，分析原子的统计特性（经典量子）,Gaussian分别：热原子,Thomas-Fermi分布：量子凝聚体,*Photodiode探测光强，原子频率的吸收，研究原子的能级结构,饱和吸收谱实验装置,Rb原子结构,吸收谱,最大立体角匹配（最优化收集光）,一，光谱仪的一些注意事项,激光束直接照射在狭缝上时， 1、光栅/棱镜不能被均匀照射，从而减小分辨率； 2、光路对称性不保证，带来波长测量系统误差； 3、激光的良好相干性导致附加的衍射峰,光源,测量波长,利用毛玻璃，产生非相关光，再测量,直接探测,利用毛玻璃,光谱透过率,棱镜摄谱仪可用范围取决于材料的光谱透过特性（减少吸收）,180nm（棱镜摄谱仪）：真空，LiF/CaF 镜面和光栅可以渡高反射模光栅优于棱镜 全息生产光栅光栅光谱仪应用于真空紫外到远红外,不同材料光谱范围,不同材料投射率,任何一个色散仪器的光谱分辨本领定义为： 其中 =1-2是可分辨的最小谱线波长间隔,Rayleigh光谱分辨判据：当一个波长的衍射极大与另一波长的衍射极小重合时，刚好分辨；更近则不可分辨,光谱分辨率,(0.81),谱仪的自由光谱区（FSR）： 谱仪的像面上强度分布 I()与波长之间存在单值关系的波长间隔。,自由光谱区（范围）,棱镜谱仪：覆盖棱镜材料正常色散的整个波长范围 光栅谱仪： 依赖于衍射级m, 且随m增大而减小 干涉仪： m很大(104108), 因而很小,二，棱镜摄谱仪,分辨率,Cauchys Formula,萤石,冕玻璃,重火石玻璃,介质折射率与色散,优点：自由光谱程大 缺点：分辨率小,超重火石玻璃,石英玻璃,几种材料的光谱性质,光栅谱仪：自由光谱程为的（m+1）极大和+的m极大重合,光栅谱仪： 依赖于衍射级m, 且随m增大而减小,干涉仪：自由光谱程为相邻干涉极大,自由光谱程（波长/频率表示）,精细度（自由光谱程中能测量的谱线数量）,精细度系数,线宽/分辨率,三，光栅摄谱仪,入射角,折射率,腔长,光栅方程,闪耀角：光栅法线与刻槽法线的夹角。 闪耀角：,Littrow结构： = = - （光线原路反射）,光栅摄谱仪,光程差,狭缝间距,半导体激光器,Littrow 光路图,调节入射角调节波长,/products/diode_lasers/,Voltage/current control,1,Current/temperature control 2,Small size,Diode laser in Toptica,Temperature fast linear response vs f easy to control,Internal modes: diode + diode facet External modes: diode + grating Overall mode selection: tuning range for diode laser (20GHz),Littrow 与 Littman 结构,Sacher- laser,Littrow 结构示意图,光谱分辨率：,R(,) 反射率 干涉极大： = 2m,光栅狭缝数,基本原理: 多光束干涉（相干长度内）,第4.2节 干涉仪,自由光谱程,一、Michelson干涉仪（2束）,SM2SB SM2SB,Interference,平行光,1，不同角度光程差不同点光源经过Michelson干涉仪形成环形干涉条纹 2，移动M1或者M1，干涉条纹直径变化,点光源,M3和M4形成的腔体经过多次反射增加光程差，提高衍射量级从而提高 谱分辨率引力波的测量,二、Mach-Zehnder干涉仪（2束）,B1M2B2 B1M1B2,Interference,B1=B2,Michelson干涉仪,一支上介质的吸收产生光程差， 从衍射条纹介质吸收系数,BSM3M2M1BS BSM1M2M3BS,Interference,三、Sagac干涉仪（两束）,整个体系的转动产生两光束的光程差,干涉条纹的变化，探测体系的转动，对体系的姿态进行定位光学陀螺仪,军舰 飞机 坦克 飞船 汽车,军用,民用,面积,折射率,旋转角频率,Wave Interference and Gyroscope,Photon Atom,Quantum Mechanics Wave-particle duality,interference + Sagnac effect,Youngs double-slit Exp.,光学/原子陀螺仪,光陀螺,原子陀螺,比值,陀螺仪灵敏度的比较, 1010,(相同环路面积A),原子陀螺仪,基础：原子干涉仪技术 目标：转动测量 方案：双向对抛干涉环路,抛射角度：76度 抛射速度：2.5米/秒,MOT1,MOT2,Raman light,Interference,四、Fabry-Perot干涉仪（多束）,自由光谱区(FSR): 透过极大峰半宽度： 精细度(finesse):,精细度(finesse):,精细度F*、线宽、Q值与R的关系,垂直入射,四、双折射滤光片（Lyot滤光片）,不同的 和 ，其透过率不同滤波,当 = 45，,两偏振分量,两垂直方向不同 折射率产生相位差,五、干涉仪扫描的方法：,1、改变Fabry-Perot干涉仪中间的介质气压改变折射率n：扫描速度慢,2、PZT （电压） d: 扫描速度快kHz(频谱分析仪),锯齿波电压加在PZT上，单次扫描可以得到不同的衍射极大（自由光谱程）,3、改变标准柱相对于入射光的夹角：和扫描PZT速度一样,4、改变双折射滤波片的电压，改变n0和ne：高速105Hz,光谱仪与干涉仪的比较,精而不准,准而不精,又精又准,精：精密 precision 标准偏差 “精益求精” 准：准确 accuracy “投篮很准” 稳定度(stability / unstability)： Allan 方差 精-准（精-确）,精确度与准确度,第4.3节 精密波长测量,精确度与准确度（续）,测量意味着: 将物理量与一个标准比较 测量误差: 统计误差、系统误差,测量同一个物理量n次，结果为 X1，X2,., Xi,Xn, 平均值为 这一组测量值 可获得的精确度(precision)由统计误差决定，且主要受单次测量的信噪比和总测量次数n决定。精确度由标准偏差(standard deviation)来表征： 平均值 与未知的真值X之间可能存在一个偏差 ， 准确度(accuracy)为 ，表示真值X处于 之间的可信度。 因为准确度不仅由统计误差决定，还特别依赖于装置和测量过程的系统误差，因此准确度永远小于精确度。,Allan variance: 2点取样平均，定义为：联系两个取样周期内频率偏差之差的平方(yn+1-yn)2的时间平均值的一半：其处理由于噪声引起的误差，而不是由频率飘逸和温度等引起的系统不完备或者误差。 直接表达为： Allan deviation: Hadamard variance: 3点平均。Hadamard方差能够包含Allan方差所不能包含的几种相位噪声，对漂移不敏感。,Allan方差与Hadamard方差,variance: （均）方差 deviation: 偏差，均方根差（对variance开根号）,/wiki/Allan_variance,原子钟的频率稳定度 （见“原子频标”专题）,Allan deviation （Quantum Limited Instability）:,Michelson波长计,Reference BR,Signal Bx,PD1: BR BS1T1M3M4T2BS2Pd1 BR BS1PT3PBS2Pd1 PD2: Bx BS2T2M4M3T1BS2PD2 Bx BS2PT3PBS1Pd1,2束干涉,通过移动T1和T2，观察reference和signal干涉条纹的相对变化，确定signal 的波长,已知频率,未知频率,Sigma波长计,反射棱镜：对不同的偏振光产生不同的相差,棱镜角,相差,Michleson interferometer,不同偏振矢量,Michelson固定光程差,比较不同的干涉条纹，得到波长值,适用于：cw laser and pulsed laser,未知频率,FPI 波长计,Ring diameter,Ring number,Suppose: m0 is known,不同的波长，产生不同直径的干涉条纹,Fizeau（斐索） 波长计,cw laser and pulsed laser,Different position on the wedge cause phase different.,由干涉条纹的极大之间的距离获得波长,楔形物倾斜角,折射角,第4.4节 光的灵敏检测,分辨力：指探测器可能感受到的被测量的最小变化的能力。（也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化,当输入变化值未超过某一数值时，探测器的输出不会发生变化，即探测器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。通常探测器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。）,静态参数：线性度、灵敏度、分辨力等 动态特性：时间响应，频率（波长）响应。,探测器,灵敏度：,放大倍数（输入和输出量纲相同）,提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。,光探测器的性质,光谱相对响应R(): 决定探测器可用的波长范围。用于比较不同波长的相对光强 绝对灵敏度S()=Vs/P : 探测器输出信号Vs与入射光功率P之比。输出为电压(V/W)（热敏电阻，光压管等）；输出为电流（A/W）（光电倍增管） 信噪比：SNR=Vs/Vn ，或者SNR=P / NEP，其中 NEP (Noise Equivalent input Power, 噪声等价功率)是SNR=1所需的输入光功率。 线性响应范围: 探测器可以线性响应的最大光强范围 响应时间/响应频率（时间常数）: 探测器对时间变化信号响应的速度,热探测器：热电压 （热敏电阻） 光探测器: 光电二极管 CCD: 空间分辨的成像 （1 pixel = 110 um） 快速二极管：ps,时间常数引起探测器输出信号上升慢于输入信号。当调制频率满足f=1/(2) 时，Vs为了DC信号的1/2。,当探测器响应为电流时，输出电压的动态过程,时间常数,频率响应,G 探测器与热沉之间的热导率； H 热探测器的热容量； 功率调制频率； 入射光被吸收的比例,一、热探测器（激光导致加热测量激光功率）,温度,探测器,温度随调制频率响应,T=0 温度,恒定光功率,RC等效电路： R2 1/G, C H, = H/G,如果光功率进行调制,调制频率 ，位相延迟,当,幅度为直流条件下的,优点: 灵敏度与波长无关 缺点: 响应慢，灵敏度低,不同的金属产生不同的电压,优点：温度范围大，-2000C 13000C 缺点：灵敏度低,线性系数占主导,类型：K, E, J, N，不同类型温度系数不同,热电偶（温度测量）,测量表面温度（抽真空）,电压随温度变化,直接利用热电偶测量温度,热敏电阻（温度测量）,优点：灵敏高 缺点：温度范围小，-900C 1300C,激光器温度控制,二、光二极管,光压 响应快 光导 灵敏,光压管：电压,光导管：电阻,快速二极管（光压管+偏置电压）,偏置电压U 小电容 Cs 小负载电阻 RL,外加电压,RD:没有光照电阻 RI：有光照电阻,并联电阻,串联电阻,负载电阻,光频光二极管（相应时间10-14s探测光频率范围）,Tungsten钨M,OxideI,NickelM,工作原理：利用光电效应，电子从金属释放，聚聚在绝缘体间上产生电压,Avalanche diode 雪崩二极管,大的偏置电压U 灵敏度高（放大倍数大106） 放大倍数依赖温度,在足够大的外加反向电压下，加速电子和空穴的运动,放大倍数,放大倍数,反向击穿电压,外加电压,n=26,取决于材料,三、光二极管阵列,对一维情况,大的自由光谱程光多通道分析仪/光谱分析仪,多个光二级管集成在芯片上。,二极管大小,二极管间距,二极管数目,自由光谱程,光谱分辨率,色散关系,单个二极管,二极管阵列,CCD阵列,由MOS管阵列组成：带电粒子在外加电压下，可以在不同MOS管间传递，增加最终的响应电压灵敏度高,对原子进行高灵敏的空间分布成像,产生电子数目,量子效率（波长依赖）,量子效率,入射光子数目,CCD：,电子,CCD相关参数(2D),读取电压过程中波动，单位：电荷数,Geoge Smith,Bell Lab: CCD (charged coupled device),Standard communication Lab, UK and Chinese Uni of Hongkong: fiber for communication,2009 Nobel Prized,Gaussian分别：热原子,Thomas-Fermi分布：量子凝聚体,实例,四、光发射探测器,原理: 基于（外）光电效应,步骤一：光照射阴极产生电子 步骤二：电子在外电场V0下加速到阳 极，产生电信号,photocell,Opaque photocathode,Semitransparent photocathode,Photomultiplier 光电倍增管,高的工作电压（200v），进行弱光探测,光照阴极产生一个电子，在高电压下，一个电子在1电极板上产生q个电子，接着在2电极板间产生q*q个电子.对弱信号进行放大,放大倍数依赖：外加电压；光入射角度；电极板