基于激光驅(qū)動等離子體光源的近紅外傅里葉變換光譜系統(tǒng)

王 玥, 陳 楠, 王博雨, 劉 濤*, 夏 洋*

1.中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100190 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3.北京市微電子制備儀器設(shè)備工程技術(shù)研究中心，北京 100029 4.集成電路測試技術(shù)北京市重點實驗室, 北京 100089 5.北京交通大學(xué)研究生院，北京 100044

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和飛速發(fā)展，紅外光譜檢測作為一種常見的物化特性表征方式被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[1]，不同波段的紅外光譜也被證明能夠?qū)崿F(xiàn)不同物質(zhì)的特異性表征[2]。20世紀(jì)60年代，“近代近紅外光譜之父”Norris[3]提出了針對近紅外光譜信息的提取與分析所使用的多元線性回歸算法，極大的促進(jìn)了近紅外光譜理論體系的建立。到目前為止，近紅外光譜已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域以此來作為一種標(biāo)準(zhǔn)的物質(zhì)質(zhì)量評估技術(shù)[4-9]。傅里葉變換近紅外光譜儀作為一種常用的科研級近紅外光譜分析儀器，長久以來一直被廣大學(xué)者應(yīng)用于近紅外光譜分析中。該儀器主要利用邁克爾遜干涉儀代替棱鏡或光柵來獲得干涉圖[10]。這種方式獲得的光譜數(shù)據(jù)再經(jīng)由傅里葉變換后會具有較高的光譜分辨率，從而極大程度的保留了物質(zhì)相關(guān)信息。并且從科研角度考慮，光譜分辨率越高，意味著能夠獲得的物質(zhì)信息越詳細(xì)，有助于對物質(zhì)物化特征的深入了解。影響光譜分辨率的因素有很多，如反射鏡速度誤差[11]、鏡片類型[12]、機械誤差[13]、光譜信噪比[14]等。其中最直接的影響因素就是光譜信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)，光譜信噪比的高低直接影響光譜線指數(shù)測量精度。因此，有效提高光譜信噪比是提升光譜測量精度的關(guān)鍵。

光譜信噪比是指光譜信號與背景信號之間的比值。因此，提升信噪比最直接的方式就是提高光譜信號強度以及抑制背景信號。提升光譜信號強度最直接的方式就是提升光源的光照強度。常用近紅外光譜儀一般采用多種光源(如鎢/鹵素?zé)?組合的方式來實現(xiàn)光譜測量，這些光源的弊端在于，其光照強度會由于長時間的工作而將持續(xù)下降，從而導(dǎo)致儀器光譜信噪比受到影響。激光驅(qū)動等離子體光源(laser drive plasma light source，LDLS)是采用激光泵浦的方式維持等離子體放電發(fā)光[15]，是一種能夠長時間穩(wěn)定輸出高光照強度的寬頻譜白光光源。圖1為不同光源經(jīng)相同焦距尺寸的離軸拋面鏡準(zhǔn)直聚焦后所得光譜覆蓋波段與光照強度對比。抑制背景信號最常用的方式是將光源信號經(jīng)過斬波器進(jìn)行高頻調(diào)制再由鎖相放大器進(jìn)行頻率解調(diào)[16]，過濾非光源頻率下的雜散信號，實現(xiàn)背景信號抑制。值得注意的是，LDLS光源由于激光泵浦驅(qū)動的原因，輸出的光信號自身就帶有高頻調(diào)制信號。圖2給出了LDLS光源被探測器采集到的高頻信號及頻率周期, 其中頻率周期為50 kHz。這種高頻信號的產(chǎn)生在后續(xù)實驗過程中恰好能夠代替斬波器高頻調(diào)制的作用，與鎖相放大器配合來實現(xiàn)抑制背景信號的效果。因此，LDLS光源兼?zhèn)涮嵘庾V信號強度及抑制背景信號的功能，從而實現(xiàn)光譜信噪比的大幅度提升。

圖1 不同光源光譜強度及覆蓋波段對比

圖2 LDLS光電信號及頻率周期

綜上所述，為了提高近紅外光譜分辨率，促進(jìn)人們對物質(zhì)信息的深入了解，本工作搭建了一種全新的能夠獲得高光譜信噪比的近紅外傅里葉變換光譜系統(tǒng)。先利用傳統(tǒng)鎢燈作為近紅外光源，通過斬波器與鎖相放大器相結(jié)合的方式，實現(xiàn)近紅外光譜檢測與信號提取并獲得積分時間參數(shù)最優(yōu)解。再將光源更換為LDLS，進(jìn)行近紅外傅里葉變換光譜系統(tǒng)的搭建，同步實現(xiàn)光譜信號強度的提升以及背景信號的抑制，以此來實現(xiàn)光譜信噪比的大幅度提升。最后利用該系統(tǒng)對近紅外標(biāo)準(zhǔn)片進(jìn)行近紅外光譜檢測，評估系統(tǒng)的近紅外光譜譜線測量準(zhǔn)確性。為LDLS光源在近紅外傅里葉變換光譜系統(tǒng)中的使用提供可靠依據(jù)。

1 實驗部分

為確保所測數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本實驗采用兩種不同實驗光路以實現(xiàn)近紅外傅里葉變換光譜儀的搭建：

(1)搭建斬波器對鎢燈絲光源進(jìn)行頻率調(diào)制并用鎖相放大器進(jìn)行解調(diào)的近紅外傅里葉變換光譜系統(tǒng)，以此來確定在一定動鏡移動速度下鎖相放大器積分時間對解調(diào)后的光譜信噪比及光譜對稱性所帶來的影響。

(2)利用LDLS光源搭建的近紅外傅里葉變換光譜系統(tǒng)并通過鎖相放大器對光譜信號解調(diào)，以此探究光源對光譜信噪比的提升情況。

為確定白光干涉光譜各位置所對應(yīng)的波數(shù)，在系統(tǒng)搭建過程中，需要在系統(tǒng)中加入與近紅外光路共用分束器、動鏡和定鏡的激光干涉系統(tǒng)用來進(jìn)行位置定標(biāo)。同時，為保證干涉光路的穩(wěn)定性，激光信號經(jīng)干涉系統(tǒng)被位置傳感器接收，再實時反饋到電動平臺上裝有動鏡的壓電陶瓷裝置對光路進(jìn)行實時準(zhǔn)直矯正。最終采用的兩種近紅外傅里葉變換光譜系統(tǒng)光路如圖3所示，兩種光路的切換簡單易行，LDLS光源所對應(yīng)的光路只需要在光路中移除斬波器并且將光源更換為LDLS光源即可。實驗中動鏡移動速度為0.01 mm·s-1，移動距離0.1 mm。

圖3 近紅外傅里葉變換光譜儀光路圖

上述光路所需實驗器材及型號如表1所示。

表1 實驗所需設(shè)備及主要參數(shù)

近紅外傅里葉變換光譜檢測所用樣品為稀土元素?fù)诫s玻璃近紅外標(biāo)準(zhǔn)樣品(廠家：北京鑫昶光電科技)，該標(biāo)準(zhǔn)樣品可長時間不受溫度、時間、濕度的影響。其近紅外標(biāo)準(zhǔn)峰位如表2所示。

表2 近紅外標(biāo)準(zhǔn)樣吸收峰及帶寬

根據(jù)實驗光路圖所搭建的兩種近紅外傅里葉變換光譜儀如圖4所示。

圖4 近紅外傅里葉變換光譜系統(tǒng)

2 結(jié)果與討論

關(guān)于信噪比的評估，當(dāng)處于零光程差的位置上時，此時的峰值是所有波段光幅度疊加后產(chǎn)生的，并且在該位置上，干涉強度的數(shù)值最大，所以干涉圖零光程差位置的信噪比值可以用作干涉圖的信噪比值，定義如式(1)

(1)

式(1)中，I(0)為光程差為零時的干涉強度，σ(I(0))為零光程差位置的背景信號。

由于最終評估的是光譜信噪比。所以在上述計算公式基礎(chǔ)上應(yīng)去除儀器噪聲對結(jié)果的影響。經(jīng)由探測器進(jìn)入到鎖相放大器中的光譜信息同時也包含了探測器本身存在的本底信號。因此，檢測到的光譜背景信號和干涉信號需要扣除探測器的本底信號。所以式(2)可轉(zhuǎn)換為

(2)

式(2)中，I1為探測器在無光信號輸入時的本底信號。

這里需要說明的是，本工作采用的信噪比計算與對比方式均為針對系統(tǒng)原始干涉光譜所展開研究的，與市面上所給出的傅里葉變換光譜儀計算信噪比的方式有所不同，市面上傅里葉變換光譜儀信噪比計算方式雖然也是P-P值法[17]，但是他們是根據(jù)傅里葉變換后經(jīng)過長時間平均、積分所得到的結(jié)果。而本工作的對比方式是為了能夠更為精準(zhǔn)的確定LDLS光源能夠給系統(tǒng)干涉光譜所帶來的信噪比提升而選擇的在相同條件下對采集的白光干涉光譜進(jìn)行信噪比對比，即式(2)所提到的SNRI值。

如上所述，測量式(2)中的參數(shù)I1。利用示波器對探測器進(jìn)行無光源信號輸入時的本底信號采集，結(jié)果如圖5所示。

圖5 無光信號輸入時探測器本底噪聲

如圖5所示，無光源信號輸入時探測器所產(chǎn)生的本底信號為I1=1.26 mV。

2.1 高頻調(diào)制鎢燈絲光源的近紅外干涉光譜采集及積分時間優(yōu)化

斬波器與鎖相放大器的引入主要是為了實現(xiàn)背景信號的抑制，實驗所選用的斬波頻率為該型號斬波器所能達(dá)到的最高頻率10 kHz，以此來對光源進(jìn)行高頻調(diào)制并通過鎖相放大器對其進(jìn)行解調(diào)，從而在抑制背景信號的同時獲得該狀態(tài)下的近紅外白光干涉光譜。

在理想狀態(tài)下，積分時間越長，抑制噪聲和抗干擾的能力越強。依據(jù)鎖相放大器的原理，通過更長時間的積分可以獲得更高的信噪比，但是更長的積分時間也將降低儀器單次采樣的分析速度。為了避免這樣的事情發(fā)生，往往采用對光源進(jìn)行高頻調(diào)制的方式，在更短的積分時間內(nèi)獲得同等的信噪比提升效果。因此在高頻調(diào)制下，獲取合適的積分時間是十分必要的[10]。高頻調(diào)制時不同積分時間系統(tǒng)采集的白光干涉光譜及信噪比對比結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，通過調(diào)整鎖相放大器積分時間得到不同積分時間下的白光干涉光譜。可以明顯看出，隨著積分時間的增大，干涉光譜的噪聲在逐漸降低，同時光譜信噪比被逐漸優(yōu)化。但是，當(dāng)積分時間超過5 ms時光譜完整性與對稱性開始產(chǎn)生明顯缺失。因此，綜合光譜信噪比與光譜對稱性兩方面考慮，為了獲得較高光譜信噪比并保留光譜完整性，后續(xù)LDLS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程中積分時間設(shè)置為當(dāng)前最優(yōu)積分時間5ms，該種狀態(tài)下光譜信噪比經(jīng)式(2)計算為90∶1。

圖6 鎖相放大器積分時間不同所測光譜結(jié)果對比

2.2 LDLS的近紅外干涉光譜信息采集

經(jīng)過上述實驗與參數(shù)優(yōu)化，可以確定利用鎖相放大器對高頻信號進(jìn)行頻率解調(diào)是可以實現(xiàn)高頻信號光源下的傅里葉變換光譜系統(tǒng)搭建及光譜數(shù)據(jù)采集的。因此，利用同樣的光路系統(tǒng)，將光源更換成LDLS光源并去掉斬波器，利用數(shù)據(jù)采集卡對鎖相放大器解調(diào)后的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所得結(jié)果如圖7所示。其中圖7(a)為未解調(diào)所得到的干涉光譜，圖7(b)為解調(diào)后的干涉光譜。

圖7 LDLS傅里葉變換白光干涉光譜測試結(jié)果

圖7(b)給出了更換為LDLS光源后的經(jīng)鎖相放大器解調(diào)后的傅里葉變換光譜系統(tǒng)測得的白光干涉光譜，右上角放大結(jié)果為中心強干涉部分的光譜細(xì)節(jié)。圖7(a)為未解調(diào)狀態(tài)下系統(tǒng)的測試結(jié)果，經(jīng)計算干涉光譜信噪比約為48∶1。這里涉及到的背景噪聲為圖2所示，光源在未干涉、未解調(diào)時所產(chǎn)生的背景信號N=40 mV。這種低干涉信噪比的產(chǎn)生主要是由于未解調(diào)狀態(tài)下高頻光源的背景信號過高導(dǎo)致的。而經(jīng)過鎖相放大器解調(diào)后會大幅度降低背景信號N，從而達(dá)到顯著提高干涉信噪比的效果。

通過對圖7(b)所示解調(diào)后干涉光譜進(jìn)行信噪比評估計算發(fā)現(xiàn)，該光源所搭建的傅里葉變換光譜系統(tǒng)的光譜信噪比約為10 000∶1，與未更換光源相比光譜信噪比提升了約111倍，且局部放大的光譜具有較高的光譜對稱性(中心對稱)及光譜辨識度。圖8描述更換光源前后光譜信噪比的變化。關(guān)于信噪比的大幅提升，可以對結(jié)果進(jìn)行如下解釋：

圖8 更換光源前后光譜信噪比對比結(jié)果

LDLS光源強度如圖1所示，能夠清晰發(fā)現(xiàn)，其強度相對于鹵素鎢燈在近紅外波段900～2 000 nm處提升了～100倍，這種光源強度的提升實際上是增加了如式(2)所述的干涉信號輸出強度。與此同時光源本身輸出的高頻調(diào)制信號在經(jīng)鎖相放大器調(diào)制解調(diào)后，也有效的抑制了背景雜散信號的影響。綜合上述結(jié)果，基于LDLS的近紅外傅里葉變換系統(tǒng)能夠大幅度提升干涉光譜信噪比是合理的。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)樣品的近紅外傅里葉變換光譜檢測

為了近一步確定所搭建光譜系統(tǒng)實用性，需要利用近紅外標(biāo)準(zhǔn)樣品對系統(tǒng)進(jìn)行干涉光譜測試驗證。具體方法為，將近紅外標(biāo)準(zhǔn)樣品置于光電探測器前，使干涉后的白光經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)片后被探測器收集，并經(jīng)由鎖相放大器解調(diào)輸出到數(shù)據(jù)采集卡中。對比加入標(biāo)準(zhǔn)片與未加入標(biāo)準(zhǔn)片時兩干涉光譜的差別，對比結(jié)果如圖9所示。

圖9 LDLS傅里葉變換光譜系統(tǒng)下的近紅外標(biāo)準(zhǔn)片吸收譜線測試

圖9為近紅外標(biāo)準(zhǔn)樣品的白光干涉光譜圖，圖9(a)代表了LDLS光源本身及干涉光經(jīng)過樣品后的傅里葉變換光譜；圖9(b)為扣除LDLS光源背景后所得樣品近紅外吸收特征峰值。對比廠家給出的近紅外標(biāo)準(zhǔn)樣品吸收峰值和實驗測得的峰值，如表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)峰值與實測峰值對比

表3中，廠家給出的標(biāo)準(zhǔn)吸收峰1所對應(yīng)的誤差線寬為2 nm，標(biāo)準(zhǔn)吸收峰2所對應(yīng)的誤差線寬為5 nm。與標(biāo)準(zhǔn)譜線結(jié)果相比，LDLS系統(tǒng)所搭建的傅里葉變換光譜系統(tǒng)其針對標(biāo)準(zhǔn)吸收峰1時的誤差平均值～0.5 nm，相對于標(biāo)準(zhǔn)吸收峰2時的誤差平均值～0.3 nm，光譜吸收峰檢測準(zhǔn)確性良好。因此，通過利用近紅外標(biāo)準(zhǔn)樣品對系統(tǒng)進(jìn)行測試證明，LDLS光源所搭建的近紅外傅里葉變換光譜系統(tǒng)能夠很好的獲得高質(zhì)量的物質(zhì)近紅外吸收特征曲線。為這種光源在近紅外光譜測試領(lǐng)域的應(yīng)用提供可較為可靠的實驗依據(jù)。

3 結(jié) 論

使用新型LDLS光源搭建高光譜信噪比近紅外傅里葉變換光譜系統(tǒng)并利用該系統(tǒng)實現(xiàn)了對近紅外標(biāo)準(zhǔn)樣的精準(zhǔn)測量。在文章初始階段，利用斬波器高頻調(diào)制鎢燈絲光源并使用鎖相放大器解調(diào)高頻信號的方式，獲得了高頻調(diào)制下的鎖相放大器積分時間最優(yōu)解；此后，將系統(tǒng)光源更換為LDLS并進(jìn)行系統(tǒng)測試，結(jié)果表明更換光源后的光譜系統(tǒng)與未更換光源時相比，干涉光譜信噪比提升約111倍；最后，利用近紅外標(biāo)準(zhǔn)樣片對系統(tǒng)進(jìn)行光譜檢測準(zhǔn)確性校驗，結(jié)果表明該光源所搭建的近紅外傅里葉變換光譜系統(tǒng)對近紅外標(biāo)準(zhǔn)樣品吸收峰的檢測誤差平均值<0.5 nm，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)樣品給出的誤差范圍。證明該種光源所搭建的近紅外傅里葉變換光譜系統(tǒng)在具有高干涉光譜信噪比的同時硬具備良好的光譜準(zhǔn)確性，能夠應(yīng)用于近紅外領(lǐng)域的物質(zhì)分析。