光谱分析仪教程

Thorlabs OSA20xC傅里叶变换光谱分析仪(FT-OSA)使用两个回射器，如图1所示。这些回射器安装在音圈驱动平台上，同时从相反方向改变干涉仪两臂的光程。这种布局的优势在于干涉仪的光程差(OPD)的变化是平台机械运动的四倍。OPD变化越大，FT-OSA能分辨的光谱细节越精密。

Redstone™ OSA305 FT-OSA采用一个回射器固定一个回射器运动的标准配置，如图2所示。可运动的回射器安装在音圈驱动平台上，以此改变所在干涉臂的光程。固定的回射器安装在压电驱动器上，压电驱动器能通过自对准算法使回射器垂直于光路进行两维平移。在这种配置中，两臂之间的OPD变化是平台机械运动的两倍。

未知输入光经过准直后，分束器把光信号分成两路。两路之间的光程差可以改变，OSA20xC的最大变化是40 mm，而Redstone是160 mm。准直光场在分束器重新合束时发生光学干涉。

图1：Thorlabs OSA20xC OSA基于双回射器设计的光路原理图

图2：Thorlabs Redstone OSA的光路原理图

图1和图2中所示的探测器组件记录干涉图案。这个干涉图为输入光谱的自相关波形。对波形进行傅里叶变换就能恢复光谱。请注意，Redstone OSA在零光程差(ZPD)点周围采集不对称的干涉图案，所以这些干涉图案一般叫做单边图案；OSA20xC光谱仪采集双边干涉图案。由此得到的光谱具有高分辨率和非常宽的波长覆盖范围，其光谱分辨率和光程差相关。波长范围受限于探测器带宽和光学镀膜。为了保证系统的准确度，OSA20xC光谱仪中集成了稳频的632.9918 nm氦氖参考激光器，而Redstone OAS305光谱仪中集成了稳频的1532.8323 nm红外参考激光器，通过它们能非常精确地测量光程变化，使系统连续自校准。这种过程确保的光学分析准确性要远高于光栅光谱仪。

OSA20xC和Redstone OSA的光谱分辨率分别为7.5 GHz (0.25 cm^-1)和2.0 GHz (0.0625 cm^-1)。以波长为单位的分辨率取决于所测光的波长。详细介绍请看下面的分辨率和灵敏度部分。本文中根据瑞利判据定义光谱分辨率，表示能够分辨的两条谱线之间的最小间距。请不要混淆这种光谱分辨率数值和工作在波长计模式下的分辨率，波长计分辨率明显更高。

Thorlabs FT-OSA内置一个主动稳定的HeNe参考激光器(OSA20xC)或锁频红外参考激光器(Redstone OSA305)，通过干涉测量光程差的变化。参考激光器插在干涉仪中，与未知的输入光束的路径紧密相邻。为了降低中红外波段的水吸收，OSA的后面板上有两个快拆式软管接口(内径1/4英寸)，通过它们流通干燥空气或者氮气清洗干涉仪。我们的空气净化循环装置使用的管子可以直接插入这些接口中，所以非常适合这个用途。

这种仪器的分辨率取决于干涉仪中两路之间的光程差(OPD)。以波数(厘米分之一)为单位通常更好理解分辨率，而不是波长(纳米)或频率(太赫兹)。

假设我们有两个窄带光源，比如激光，其波数分别是6500 cm^-1和6501 cm^-1，能量相差1 cm^-1。为了在干涉图中分辨这些信号，我们需要从零光程差(ZPD)点移动1 cm。OSA20xC可从OPD移动±4 cm，所以能够分辨间距为0.25 cm^-1的光谱特征；Redstone OSA305可从OPD移动16 cm，所以能够分辨间距为0.0625 cm^-1的光谱特征。仪器分辨率根据下式计算：

其中Δλ是以pm为单位的分辨率，Δk是以cm^-1为单位的分辨率，λ是以µm为单位的波长。使用这个公式计算的以pm为单位的分辨率随波长变化，如图3所示。

OSA20xC光谱仪的分辨率可在软件主窗口中设为高或低。在高分辨率模式下，回射器最多平移±1 cm (OPD是±4 cm)；在低分辨率模式下，回射器平移±0.25 cm (OPD是±1 cm)。Redstone OSA305可设置的分辨率模式有四种：高、中高、中低和低。这些设置对应的OPD分别为16 cm、4 cm、1 cm和2.5 mm。OSA软件可以切割用于计算光谱的干涉图长度，从而去掉来自高频分量的光谱影响。

光谱分析仪的灵敏度取决于传感电路中的电子增益。由于提高增益会降低探测器带宽，因此在高增益设置下仪器运行更慢。下面各图中不同OSA型号的本底噪声与波长的关系。

图3：OSA分辨率 vs. 未知输入光的波长

这个分辨率使用上边的公式计算。虽然这个公式适用于所OSA型号，但是每个型号能够使用的波长范围受限于探测器带宽和光学镀膜。请注意，对于OSA20xC光谱仪，在低分辨率模式下Δk = 1 cm^-1，在高分辨率模式下Δk = 0.25 cm^-1。对于OSA305光谱仪，Δk在低、中低、中高和高分辨率模式下分别取4.0、1.0、0.25和0.0625 cm^-1。

光谱的纵轴可根据绝对功率(图4)或功率密度(图5)展示，且都可用线性或对数坐标表示。在绝对功率模式下，总功率是基于仪器对某特定波长的实际分辨率进行显示的；我们建议只在测量窄带光谱输入时采用这个设置。对于宽带器件，建议使用功率密度模式。此处纵轴以单位波长的功率进行显示，而单位波长基于固定波长带，并且与仪器的分辨率设置无关。

对于OSA20xC型号，参考激光的干涉图案对16位模数转换器(ADC)计时，从而以固定的相等光程间隔采样。HeNe激光的参考条纹周期经过数字化处理，将其频率乘以锁相环(PLL)得到极精细的采样分辨率。多重PLL滤波器能将频率倍增设置为16X、32X、64X或128X。在128X倍增设置下，大约每1 nm平台行程采集数据点。多重PLL滤波器使用户能够平衡分辨率和灵敏度及采集时间和刷新率这些系统参数。

Redstone OSA305通过18位ADC以最高1 MHz的固定频率采样干涉图案，而回射器平台通过PID环控制，以恒定速度运动。在最高灵敏度设置下，大约每1 nm行程采集一个数据点。采集的数据经过重新采集，在每个参考激光周期拟合最多128个数据点。

在测量微弱的宽带光时，精细采用可能很有用，使得干涉图在ZPD处具有非常短的间隔，包含所有的光谱信息。干涉图的这个部分一般称作Center Burst。

高速USB链路将干涉图案传输给OSA软件，它经过高效优化，能完全利用现代多核处理器和顶级性能的图形处理单元(GPU)。软件通过大量计算分析和调节输入波形，从而在快速傅里叶变换(FFT)输出中获得最高的分辨率和信噪比(SNR)。

OSA20xC光谱仪使用极低噪声和低失真的探测器，它通过自动增益控制提供宽动态范围，使ADC得到最好的使用，为最高10 mW的输入功率下保证高信噪比(SNR)。对于低功率信号，系统可以探测窄带光源低于的100 pW的信号。由于平衡探测结构，OSA20xC能使用所有输入干涉仪的光，从而增强系统SNR，同时也能抑制共模噪声。

Redstone OSA的探测器模块包含具有高增益带宽积(GBP)的放大器，它能完全利用探测器动态范围，而且放大器还组合了驱动高带宽18位ADC的高电流、低噪声缓冲器。自动放大器调节功能优化使用的ADC位数(填充比例)。可调光衰减器即使对于易饱和红外探测器也能提供宽输入功率范围。差分放大器加上具有高效筛选和滤波技术的平衡传输基础结构确保信号完整度，实现无乱真的高动态范围。

仪器产生的干涉图(请看图6)具有5万到1600万个数据点不等，具体取决于所采用的分辨率和灵敏度设置。FT-OSA软件分析输入数据并从内部库中智能地选择最佳FFT算法。

更高的软件性能在多个不同的光谱信息处理阶段通过异步多线程采集和处理干涉数据实现。软件的多线程构架能够主动适应PC性能，平行管理多个操作任务，因此保证处理器带宽的最高利用率。我们每台FT-OSA仪器都附带一台精选笔记本电脑，确保最优的数据处理和用户界面操作。

在分析窄带光信号时，FT-OSA自动计算输入光的中心波长，显示在主光谱区域下方的窗口中。中心波长λ根据下式从输入和参考激光的干涉条纹数(干涉图案的周期)计算：

其中，m_ref为参考激光的条纹数， m_meas为输入激光的条纹数，n_ref为参考激光波长(632.991 nm)下的空气折射率，λ_ref,vac为参考激光的真空波长。n_meas为波长λ_meas,vac下的空气折射率，根据修正的Edlén公式(2.90或以下版本的OSA软件)或Ciddor公式(3.0版本的OSA软件)从λ_meas,air(空气中所测的波长)通过迭代法确定。

OSA20xC光谱仪内置真空波长为632.9918 nm的稳定型HeNe参考激光器。稳定型HeNe激光器能够确保长期波长准确性，因为稳定型HeNe激光器技术已经非常成熟。Redstone OSA305集成了真空波长为1532.8323 nm的锁频参考激光器。锁频确保长期波长准确度，参考激光器连接在FC/APC输出端口上，如果需要，可以连接光谱仪的光纤输入端口用于校准。

这些仪器经过工厂对准，使得在干涉仪扫描时参考激光和未知输入光束经历相同的光程变化。任何残留的对准误差对波长测量的影响都小于0.5 ppm；通过高精密陶瓷插口和稳固干涉腔设计确保输入光束的对准。扫描干涉仪中没有使用光纤。每次测量时，使用Eldén公式和仪器内部传感器采集的温度和压力数据主动计算参考激光在空气中的波长。

测量接近峰值的低水平信号的能力由仪器的光学抑制比(ORR)决定。它可以看作OSA的滤波响应，并可以定义为距峰值某一给定位置处的功率与峰值功率的比值。

如果ORR不高于待测光源的信噪比，那么测量将会被OSA响应限制，而不能反映被测光源的真实性质。下表提供了一个实例。

表格中为OSA205C和Redstone OSA305在测量1532 nm窄带光源时提供的光学抑制比，分别采用以下设置：高分辨率、低灵敏度、平均次数=5、Hann切趾和zero fill = 2。如果到峰值的距离以GHz(频率单位)表示，那么所有OSA20xC和Redstone OSA305展示相似的工作情况。