楔形中性密度滤光片的实验观测

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楔形中性密度滤光片的实验观测

标准中密度滤光片与楔形中密度滤光片比较

我们在此给出标准反射式中性密度(ND)滤光片与楔形反射式ND滤光片之间的标准具效应差异的实验室测量结果。在许多宽带散射或吸收测量中，重要的是理解通过所用的光学元件的强度波动会如何影响测量结果。虽然已经知道，平行的表面引入具有显著波长依赖性的强度波动，但是我们发现，利用楔形几何结构可以显著减小这种标准具效应。

我们的实验使用SLS202稳定型光源作为宽带激光耦合光源。F260FC-C光纤准直器装在KAD11F可调俯仰/偏转转接件中，用于准直从光纤出射的光。准直光在进入OSA203B光谱分析仪之前入射在待测中性密度滤光片上。OSA的光谱分辨率是75 GHz (0.25 cm-1) ，且轨迹被平均(>100次扫描)，从而减小噪声，实现更精确的分析。数据集中在1820 - 1845 nm的波长范围内，覆盖了近红外水频谱。因为水的吸收频谱是熟知的，所以非常适合用来进行对比，以评估这两种ND滤光片的性能差异。

下图概括了通过反射式中性密度滤光片的标准具效应的测量结果。标准具效应非常显著，而且我们可以在标准ND滤光片的例子中看到，水频谱的细节由于背景强度波动而丢失了。相比之下，楔形ND滤光片具有相对干净的信号和明确的峰值。这里呈现的数据针对的是未安装的标准和楔形ND滤光片，但是结果对已安装的滤光片也有效。数据也与HITRAN水频谱标准进行了对比。

通过标准ND滤光片和楔形ND滤光片所记录的水频谱

楔形中性密度滤光片标准具效应

Thorlabs 的中性密度(ND) 滤光片在很宽的光谱范围内提供均匀的衰减。由于前后表面平行，标准 ND 滤光片可以表现出显着的标准具效应。

Thorlabs 的楔形中性密度 (ND) 滤光片也能在很宽的光谱范围内提供均匀的衰减，但滤光片一侧的 30 弧分楔形有助于消除使用时可能出现的标准具效应，这会影响标准 ND 滤光片系列。

背景

标准具是由于光路内平行表面之间的反射而产生的。

平行光学元件前后表面的菲涅尔反射产生相移 φ = k(2π/λ)2nd 的次级光束，其中 λ 是光的波长，n 是光学元件的折射率，d 是 光学器件的物理厚度，k 是往返次数。需要注意的是，该方程假定在光学/空气边界处垂直入射。

这些次光束与原始光束混合，即使光学器件的厚度大于光源的相干长度。结果是波长空间中的正弦强度模式。

这种效应在法布里-珀罗干涉仪和薄膜（电介质）涂层中被利用，但对于宽带光谱实验可能会产生问题。

上面是折射率为 n 的基板中菲涅尔反射的说明。上面显示的光束路径的位移是为了图像清晰，并不代表实际的光束路径，它在垂直入射时是同轴的。

实验设计

SLS202光纤耦合光源的光通过Ø50 µm多模跳线（M42L01）耦合到F260FC-C光纤准直器

光纤准直器安装在动态俯仰/偏航安装座（KAD11F）内，以便将输入与OSA203B 自由空间端口对齐。

楔形和普通 ND 滤光片均循环到 SM1QP 镜筒滤光片支架中，黄铜垫片 (SM1S3M) 将滤光片固定在滤光片支架内。记录和分析光谱以评估产生的标准具效应。

OSA 迹线经过平均（>100 次）以降低噪声并在高分辨率、高灵敏度和自动增益设置下更准确地显示标准具效应。

实验装置

通过标准 ND 滤光片（ND03B、ND10B、ND30B）和楔形 ND 滤光片（NDW03B、NDW10B、NDW30B）测量标准具的实验装置如下所示。滤光片安装在透镜套管中，透镜套管位于光纤准直器和光谱分析仪之间。

1) 1000 – 2600 nm 频谱分析仪：OSA203B

2) 稳定光纤耦合红外光源：SLS202

3) 光纤准直器：F260FC-C

4) 被测 ND 滤光片（不可见），用 SM1S3M 光学垫片（不可见）固定到位

结果

标准具的波长(λ)在OSA软件中使用标记测量，然后使用𝑡=𝜆0/2𝑛𝜆转换为厚度的度量，其中λ0是在光谱内测量标准具的波长，我们假设 指数n为1.5。OSA的光谱分辨率为7.5GHz(0.25cm-1)。

所有标准ND滤光片的标准具都在1.2毫米左右，在1.0±0.25毫米厚度规格范围内。

所有楔形ND滤光片均提供0.5mm量级的标准具，与单独光源提供的标准具相匹配，对应OSA探测器前端窗口的厚度。

总体而言，楔形ND滤光片设计似乎去除了标准具。

源（无滤光片）：0.51 毫米标准具

*标准具计算假设指数为 1.5

应用演示

在这里，我们提供了一个简单的演示，说明在光谱应用中使用楔形 ND 滤光片的优势。

在实验设置幻灯片中使用相同的宽带源，我们放大到具有可见吸水线（1820 – 1885 nm/5304 – 5493 cm-1 ）的区域。

偏移蓝色轨迹，显示使用标准ND滤光片记录的光谱，在整个光谱中表现出清晰的正弦标准具效应；一些吸收带在正弦信号的顶部可见。需要额外的处理来移除标准具并测量感兴趣的真实特征。

偏移红色轨迹为楔形ND 滤光片记录的光谱。在这里，定义了来自光源的清晰基线，并且很容易观察到较小的吸水线。

绿色轨迹显示该地区水的 HITRAN 数据（在 OSA 软件中可用）。

与 HITRAN 水光谱（绿色）相比，使用标准（蓝色）和楔形（红色）ND 滤光片的吸水谱线。光谱偏移并以任意单位绘制以可视化差异。重要的是要注意，此结果描述了一项简短的调查，以深入了解我们组件的一般行为，并且应该在考虑设备的特定限制的情况下进行解释。

实验限制

OSA203B 的光谱分辨率为 7.5GHz (0.25 cm-1 )，光谱中看不到任何具有低于分辨率特征的标准具或光谱变化。

如幻灯片 1 中的图表所示，使用楔形 ND 滤光片测量的每波长功率量略小于标准 ND 滤光片的功率量。假设这种差异是实验误差和滤光片之间轻微变化的组合。

需要注意的是，本实验中使用的 ND 滤光片设计用于 350 - 1100 nm。本实验是使用近红外 OSA203B 进行的，目的是展示吸水带的效果，吸水带不存在于设计的波长范围内，而不是表征滤光片本身。

概括

标准具产生于光束路径内平行板物体之间的反射，并且会通过扭曲或隐藏振荡中的特征而极大地影响数据分析。

楔形 ND 滤光片通过防止来自背面的反射沿着相同的光路传播，从而显着限制了标准具。

使用宽带光源和光谱分析仪获得的光谱表明，使用楔形 ND 滤光片时，用标准 ND 滤光片观察到的标准具被完全去除。

在使用宽带光源可视化光谱应用中的小特征时，楔形 ND 滤光片的使用极为有益，因为这样做可以最大限度地减少所需的数据处理量。

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