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광학 분광학/Herriott Cell

Mesa Photonics는 광학 흡수 분광학의 4 가지 영역에서 작업하고 있습니다.
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광학 분광학/Herriott Cell

Mesa Photonics는 광학 흡수 분광학의 4 가지 영역에서 작업하고 있습니다.
Herriott Cell
대부분의 광학 센서 및 분석기는 빛 빔이 흡수 샘플을 통과 할 때 강도 손실을 설명하는 Beer-Lamber 법칙을 사용하여 표현되는 흡수 분광법에 의존합니다.

여기서 0 은 빛이 샘플에 들어가는 빛의 강도, I 는 빔이 샘플을 빠져 나가는 강도, n 은 흡수체 수 밀도 (또는 농도), σ 는 흡수체의 기본 속성 인 흡수체 단면입니다. , L 은 샘플을 통과하는 광학 경로의 길이입니다.



Mesa Photonics의 모든 작업에서 흡수체는 가스이고 빛은 레이저에 의해 생성됩니다.

대부분의 관심 가스에 대해 흡수 단면적 σ 는 공개 문헌에서 사용 가능하거나 실험실에서 독립적으로 측정 할 수 있습니다. 광 경로 길이는 장치의 설계 매개 변수입니다.

제품 은 흡광도 α 이며, 이는 무 차원의 양입니다. 흡수체 농도는 흡광도를 측정하여 결정할 수 있습니다. 오른쪽 그래프는 1m 길이의 경로에서 1ppm H 2 O에 대해 HITRAN 분광 데이터베이스 1 을 사용하여 계산 된 1400nm에 가까운 수증기의 흡광도 스펙트럼을 보여줍니다 가장 강한 피크의 흡광도가 1.4 × 10 -4  경우 I가 0 = 1 mW의 다음 I는 0.99986 될 것이다.  

검출 감도는 단면이 큰 측정 파장을 선택하거나 긴 광학 경로 L을 사용하여 개선 할 수 있습니다 검출 감도는 또한 안정적으로 측정 할 수있는 최소 흡광도 α min에 의해 결정됩니다 이것은 화학 분석의 고전적인 문제입니다. 큰 신호에서 작은 변화를 결정하는 가장 좋은 방법입니다. 흡수 분광법에서 α min 은 측정 할 수있는 0 의 가장 작은 변화로 정의됩니다 레이저 분광법의 경우 이론적 최고는 샷 노이즈 한계로 정의됩니다. 

여기서 C는 쿨롱 (6.241 × 10 18 전자)이고, I 는 W 단위로 검출기에 도달하는 레이저 강도 (전력), η는 AW -1 단위로 검출기 효율입니다 수증기 예제 (1mW 레이저 출력, 1390nm 레이저 파장, 1m 경로 길이) 및 InGaAs 포토 다이오드 검출기 (η = 0.85 AW -1 ), 샷 노이즈 제한 흡광도, α shot_noise = 1.4 × 10 -8 Hz -1/2 , 1 초 측정에서 1.4 ppb의 가스 감지 한계를 의미합니다.  

실제 레이저 분광기의 감지 감도는 일반적으로 레이저 진폭 노이즈 (레이저 초과 노이즈라고도 함), 레이저 파장과 진폭 조정 간의 크로스 토크, 그리고 무엇보다도 원치 않는 다양한 노이즈 소스로 인해 1000 배 더 나쁩니다. 광학 간섭 무늬. 결과적으로 다이오드 레이저 분광기의 "기술"은 추가 노이즈를 최소화하거나 긴 광학 경로 길이 또는이 둘의 조합을 사용하는 기술을 개발해야합니다.  

긴 광학 경로 길이

Mesa Photonics 연구진은 물리적으로 조밀 한 구조에서 긴 경로 길이에 대해 두 가지 접근 방식을 사용했습니다. 첫 번째는 1960 년대 중반에 Bell Labs의 Herriott와 Schulte가 광학 지연으로 사용하기 위해 원래 개발 한 Herriott 스타일의 다중 경로 광학 셀입니다 2 .  오른쪽 사진은 Mesa Photonics가 NASA 계약에 따라 소형 무인 항공기 (UAV)에 사용하기 위해 개발 한 경량 Herriott 셀을 보여줍니다. 구조는 길이 30cm이며 두 개의 곡면 거울이 있습니다. 거울 중 하나가 사진의 오른쪽에 보입니다. 레이저 빔은 하나의 거울에있는 구멍을 통해 들어 와서 들어오는 것과 동일한 구멍을 통해 나올 때까지 거울 사이에서 앞뒤로 반사됩니다. 빔은 앞뒤로 반사되어 두 번째 사진에서 빨간색 점으로 보이는 원형 스폿 패턴을 추적합니다. 미러는 각 패스에서 빔의 초점을 다시 맞추고 빔이 잘 시준되고 정렬되도록 유지합니다. Mesa Photonics 셀은 그림과 같이 34 패스 및 5.78m 광학 경로에 대해 사전 정렬되어 있습니다.  

빔이 셀을 빠져 나간 후 Herriott 셀 사진의 왼쪽 상단 모서리에있는 블랙 박스 인 포토 다이오드 검출기에 초점을 맞 춥니 다.  

패스 수는 미러 분리를 변경하여 변경할 수 있습니다.  

Herriott 셀의 주요 장점은 반사율이 높은 미러를 쉽게 사용할 수 있기 때문에 원래 레이저 출력의 대부분이 검출기에 도달한다는 것입니다. Mesa Photonics Herriott 셀의 금 코팅 거울의 반사율은 1500nm에서 20μm 사이의 파장에서 반사 손실이 60 ~ 40 %까지 다양 할만큼 충분히 큽니다. 대부분의 사용 가능한 레이저, 특히 쉽게 구할 수있는 근적외선 레이저의 경우 노이즈는 샷 노이즈 제한을 훨씬 초과합니다. 

 헤리엇 셀


Gordon, IE, et al., The HITRAN2016 분자 분광 데이터베이스. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 저널, 2017. 203 : p. 3-69.
Herriott, D. 및 H. Schulte, 접힌 광학 지연 라인. Applied Optics, 1965. (8) : p. 883.

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