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用于拉曼光谱的边通滤波片

拉曼光谱学

拉曼光谱学探索材料的分子振动和转动模式,以检测和识别材料。激光灯入射到材料上,可测量散射光。激发源激光强度通常比拉曼散射信号强 6 到 8 个数量级。因此,在传输波长偏移(红移,斯托克斯;蓝移,反斯托克斯)的拉曼散射信号时,需要边通(或带通)滤波片来阻隔 Rayleigh 散射激光灯。

光学密度

光学密度 (OD) 是光学滤波片的阻隔能力的一种衡量因素。当光通过滤波片时,一些光会透射,而另一些会反射、散射或被吸收。光学密度要考虑所有形式的光衰减,包括吸收、反射和散射。光学密度被定义为 OD = -log10T OD 值的数值相当于透射比值 (dB) 的 -1/10。

边陡度

边通滤波片的边陡度被定义为边通滤波片的透射光谱上两点间的光谱宽度。滤波片的边陡度值越小(过渡越尖锐),制作滤波片就越困难。

截止

边通滤波片的截止被定义为激光谱线与边通滤波片的透射光谱上的 50% 透射 (-3dB) 点之间的光谱宽度。一般而言,对于给定的激光,截止值越小,滤波片越“尖利”,制造这样的滤波片就越困难。尽管截止和边陡度都说明了滤波片的光谱陡度,截止值与激发源的激光谱线相关,而边陡度是滤波片的固有属性。要实现指定的截止值,既需要实现滤波片的陡度,又需要将该边缘相对于激光谱线进行定位。这种情况下,截止是更严格的规范,也与应用更加相关。

AOI 的效应

入射角 (AOI) 是入射光束与滤波片表面的法线之间形成的角度。0° 的 AOI 也表示为“法向入射”。对于任何非零 AOI(非法向入射),滤波片的光谱边缘将向较短的波长偏移。非零 AOI 的波长下移取决于设计,并且不同于各种会导致偏振分光的偏振。

偏振分光

随着 AOI 从法向入射角增大,滤波片边缘会向较短的波长偏移(“蓝移”)。s 和 p 偏振的边缘偏移不同的量,导致偏振分光。对于长通滤波片 (LPF),p 偏振光谱边缘的蓝移程度大于 s 偏振边缘。对于短通滤波片 (SPF),s 偏振光谱边缘的蓝移程度大于 p 偏振边缘。偏振分光导致非偏振光的光谱响应中出现扁平“架”(s 和 p 偏振边的均值)。这会减小有效边陡度,从而减小滤波片的截止值。

激光波长的效应

根据定义,滤波片截止是激光谱线与滤波片光谱上已定义的透射点(通常 T=50% 点)之间的波长差。激光波长的变化将影响滤波片截止。因此,选择或定义拉曼边通滤波片的需求时,考虑边通滤波片的工作波长(通常 T=50% 波长)以及激光谱线的波长、光谱宽度和不确定性。边陡度是边通滤波片的一个固有属性。它被定义为两个透射点(如 OD6 处和 50% 处)之间的波长差,因此不会受到激发激光波长变化的影响。

锥形半角 (CHA) 的效应

锥形半角 (CHA) 定义非准直光源(例如 LED)的光线的角度扩散。角度扩散可建模,例如,建为带 CHA 的高斯分布图,此 CHA 定义为归一化光强为最大光强的 1/e2 时的角度。下图显示锥形半角为 5.5 度的高斯分布图光源。 光束内的非准直量(角度扩散)是光束中 AOI 的有效连续分布。此角度扩散的效应是拓宽光谱的特性。这可增大截止,减小滤波片的边陡度,并减少任何给定波长和 AOI 时的 OD。

T 带宽的效应(探测器分辨率带宽)

这些滤波片的理论透射曲线基于 0nm 的光谱分辨率。光学计量仪器通常使用 0.1 nm 到 2 nm 范围内的分辨率。通常,测量 OD 时,测量的光谱带宽会增大,以最大程度增加探测器收到的光量,并改善信噪比 (S/N)。有限分辨率带宽的效应是光谱边缘是“圆形”的。舍入的量与所用的分辨率带宽成正比,带宽越高,对应的舍入量就越多。对于上述示例,在用 2 nm 的分辨率带宽进行测量时,透射曲线与 0nm 时的曲线大相径庭,包括在所有波长条件下降低的边陡度和减小的 OD。但是,这不是因为滤波片的制造缺陷,而是由于测量的伪差。

累积效应

AOI、锥角、偏振、激光波长不确定性的累积效应是更缺乏直观性,各个单独参数中的微小变化会使滤波片光谱性能出现较大的整体性变化。总之,通过上述效应的一种或多种组合,测得的边陡度将减小,滤波片的截止值将增大,光谱边缘将更圆,并向更短的波长偏移,并且 OD 减小。这种情况会在滤波片性能没有任何变化的情况下发生。在较为真实的条件下,例如当 AOI = 5 度,CHA = 2.5 度,分辨率带宽为 1.25 nm 时,同样的 830nm LPF 滤波片测得的光谱性能所受的影响如下图所示:上述示例显示同一滤波片的两个滤波片响应曲线,但将得出不同的性能值:

参数 滤波片性能 采用不兼容光束的滤波片性能
阻隔 7.8 OD 4.5 OD
截止 2.9nm 3nm 相对于 829.5nm,2.5 nm 相对于 830nm
OD6 ‐ 50% 陡度 1.9nm 3.5nm

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