的Role of Edge Pass Filters in 拉曼光谱

拉曼光谱法用于通过研究材料的分子旋转和振动来检测和识别材料。通常,激光入射到材料上并测量散射光。

激发源(激光线)的强度通常比拉曼散射信号高6至8个数量级。因为这, 边缘通过或陷波滤波器 must be used This is highlighted in the figure belowto block the Rayleigh scattered laser light while ensuring that the red-wavelength shifted (Stokes) and/or the 蓝色-wavelength shifted (Anti-Stokes) Raman scattered signal is transmitted.

本文首先定义一些用于指代拉曼边缘(或陷波)滤波器的关键术语。接下来,将讨论如何充分利用边缘通过滤波器,以确保在建议的应用中实现了所需的光学性能。

概述了影响边缘通过滤光片透射率测量的参数范围,包括光的偏振,入射角,入射在滤光片上的光锥以及激光线波长的变化。

的Role of Edge Pass Filters in 拉曼光谱

光密度

光学密度(OD)充当光学滤波器的阻挡能力的量度。当光通过滤光片时,有些会透射,其余的会被散射,反射或吸收。

光密度考虑每种类型的光衰减,定义为:

OD = — log10T

哪里 ‘T’ is the transmittance of a filter. 的OD value of a filter is numerically equivalent to ImageForArticle_1803_15876332840444728.png过滤器的’以dB为单位的s透射率。

下图显示了与长通滤波器(LPF)的T [dB]相比较的不同OD级别的示例。除非另有说明,否则本图和其他图均假设准直的单色光以可忽略的仪器(检测器)分辨率入射到滤光片上。

典型的长通滤波器(LPF)的示例,其滤波器的透射率以dB和线性标度表示。还示出了对应于T [dB]的不同OD水平。

典型的长通滤波器(LPF)的示例,其滤波器的透射率以dB和线性标度表示。还示出了对应于T [dB]的不同OD水平。

边缘陡度

边缘通过滤波器’s边缘陡度的特征是光谱宽度(以‘%’, ‘nm’ or ‘cm-1’)在边缘通过滤波器的两点之间’s slope.  

因此,过滤器越小’s edge steepness, the 锐利的 the transition from passing light to blocking it. This also makes it harder is to fabricate the filter, because of the need to maintain a low passband ripple.

应该注意的是‘spectral edge’边缘通过滤光片的“波长”通常定义为滤光片透射率= -3 dB(50%)时的波长。

在下图中,(正常情况下)边缘陡度定义为滤波器的-3 dB(50%)点与其-60 dB(6 OD)点之间的频谱宽度。后者通常是过滤器’s在激光线波长处的最小允许OD。

过滤器’还可以根据所讨论的应用以不同的方式定义其边缘陡度;例如,光谱宽度可能在滤波器的90%到-60 dB之间。

该图显示了如何‘Edge Steepness’ of a LPF is typically defined (in this case, between -3dB and -60 dB transmittance levels).

该图显示了如何‘Edge Steepness’通常定义一个LPF的最大值(在这种情况下,透射比级别介于-3 dB和-60 dB之间)。

隔断 /“激光线波长处的OD阻塞”

边缘通过滤波器’s 隔断 is defined as the spectral width (specified in units of ‘%’, ‘nm’ or ‘cm-1’)在激光线波长和对应于边缘通过滤光片的50%透射率(-3 dB)点的波长之间’的透射光谱。

激光线波长处的OD阻挡指定了在激光线(LL)波长处需要实现的最小所需阻挡,λ二。一般而言,对于给定的截止值和所需的激光线OD阻塞水平,截止值越小,‘sharper’过滤器,而且制造起来更具挑战性。

截止值是相对于激光线波长的,而边缘陡度是滤光片的固有特性。要在LL处达到特定的截止和OD阻塞,必须到达过滤器’陡度,同时相对于激光线波长定位-3 dB边缘。

As a result, 隔断 is a more demanding specification, while being more relevant to the application.

该图显示了拉曼滤波器“截止”规格的典型定义。在此示例中,截止值为5.75 nm,或者也可以指定为82.9 cm-1。

该图显示了拉曼滤波器的典型定义‘cut-off’ specification. In this example, the 隔断 is 5.75 nm or it can also be specified as 82.9 cm-1.

入射角(AOI)的影响

AOI表示入射光束和滤镜法线表面之间的角度。 AOI为0°可以描述为‘normal incidence’,而对于任何非零(例如非正常或倾斜)的AOI,则过滤器’s的光谱边缘将移向较短的波长。

特定AOI的波长下移取决于设计和光偏振。光可以是线性偏振的(s或p偏振),也可以是线性偏振光的混合物。过滤器’因此,在非正常AOI下的性能将取决于光的偏振度。

特别是,使用AOI的波长下移将在光的s偏振和p偏振之间变化。这种现象可能导致极化分裂。

增加AOI会减少滤光片截止值以及在激光线波长处滤光片的OD。这是由于滤光片的光谱边缘移近激光波长而发生的。如下图所示。

该图显示了s偏振光的830 nm LPF的波长下移与AOI的关系。

该图显示了s偏振光的830 nm LPF相对于AOI的波长下移。

下图说明了更改830 nm LPF的AOI对随后的截止值变化和滤光片OD在激光线波长处的阻挡的影响。

此处,随着AOI从0改变,滤光片在激光线波长处的OD阻挡迅速从6.2 OD减少到4 OD。° to 4°, 分别。相同的AOI变化会使截止值减小2倍。

这些图显示了滤光片的截止和OD(在激光线波长处)如何随s偏振光在滤光片上的入射角(AOI)的变化而变化。

这些图显示了滤光片的截止和OD(在激光线波长处)如何随s偏振光在滤光片上的入射角(AOI)的变化而变化。

偏振分离

随着AOI从法线入射上升,滤光片边缘会移至较短的波长(‘blue-shift’). 的edges for s- and p-polarizations shift various amounts leading to polarization splitting. For an LPF, the p-polarized 光谱边缘 is 蓝移ed more than the s-polarized 光谱边缘. For a short-pass filter (SPF), the s-polarized 光谱边缘 is 蓝移ed more than the p-polarized 光谱边缘.

极化分裂导致平坦‘shelf’在...的光谱响应中‘average’ or ‘un-polarized’光;这是50%的S偏振光和P偏振光的混合物。这降低了有效边缘陡度和滤波器的截止频率。

在下图中,显示了LPF滤光器的透射率,该入射角为10度°用于s,p和平均偏振光。偏振分裂是明显的,其中与s偏振光相比,p偏振光进一步移动。在平均光偏振的情况下,平坦搁板处于-3 dB(50%)的水平。

该图显示了LPF滤光器对于不同偏振态的光的透射率变化(AOI为10时) °).

该图显示了LPF滤光器对于不同偏振态的光的透射率变化(AOI为10时) °).

平板架子的透射率水平随入射光中各种偏振光的混合而波动;例如,对于80%s偏振光和20%p偏振光的混合物,架子的透射率将小于20%。

This is highlighted in the figure below. Measured from the laser line wavelength to the 50% transmittance level, the filter 隔断 is 45 cm-1 for the 平均 polarization beam (as anticipated) but it is 57 cm-1 用于部分s偏振光束和29 cm-1 用于部分p偏振光束。

在所有情况下,滤光片都是相同的,但由于探测光束的偏振,截止值有所不同。因此,必须使用预期的偏振态的滤波器。

该图显示的是830 nm LPF

该图显示了AOI = 10时的830 nm LPF°,入射光的偏振变化如何影响视在滤光片截止和‘flat-shelf’透射率水平。

激光波长的影响

如所讨论的,滤光器截止点是激光线波长和与滤光器光谱上定义的透射点(通常为T = 50%点)相关的波长之间的波长差。

为特定激光波长设计的拉曼边缘滤光片将利用实际使用的激光波长的变化,因为这会影响滤光片的截止和在激光线波长处的OD阻塞。

因此,至关重要的是,在定义拉曼边缘滤波器的要求时,设计必须考虑到特定应用中使用的激光波长的潜在变化。

该图显示了为LPF设计的偏离激光线波长的方式如何影响所使用的激光线波长下LPF的截止和OD阻塞。在此示例中,激光线波长的+0.2 nm偏差导致OD阻塞从6.2 OD下降到5.2 OD,而截止值从〜38 cm-1减小到30 cm-1。

该图显示了为其设计了LPF的激光线波长的偏差如何影响LPF’在激光线波长处的截止和OD阻塞。在此示例中,激光线波长的+0.2 nm偏差导致OD阻塞从6.2 OD下降到5.2 OD,而截止值从〜38 cm减小-1 至30厘米-1.

举一个例子,在仪器中安装了拉曼LPF的仪器中,激光波长可能会发生显着变化(例如,±0.1 nm),即使它可能满足所有定义的规格,LPF滤镜也无法正常工作。

轻锥的效果

在先前的图中,假定滤光器上的光是准直的。然而,对于大多数应用而言,入射在滤光器上的光是以不同的入射角和相对强度到达的不同光线的组合。

可以通过假设光锥入射到具有不同相对强度的滤光片上来对该示例进行建模。可以定义圆锥半角(θCHA),以识别非准直光源(如LED)的光的角展度。

的angular spread may be modeled as a Gaussian profile with a θCHA 定义为归一化光强度为的角度 ImageForArticle_1803_15876352008273185.png 最大强度。

的following figure displays a Gaussian profile light source with θCHA= 5.5°.

该图说明了具有高斯强度分布的线锥

该图示出了具有高斯强度分布的可能的线锥。

的next figure illustrates the transmittance of an LPF when a light cone with a Gaussian profile based on a θCHA= 5.5°-和各种偏振态-入射到滤波器上。

可以看出,非准直光的存在会导致LPF的透射率发生显着变化,从而导致边缘陡度增加和激光线的OD阻塞减少。

该图显示了LPF对准直光束的透射率(?CHA = 0°)以及光锥(?CHA = 5.5°) for s-, p- and 平均-polarized light

该图显示了LPF对准直光束的透射率(θCHA=0°)和一个圆锥形(θCHA= 5.5°) for s-, p- and 平均-polarized light.

的next figure illustrates the way in which altering a light cone’s θCHA 从0开始°(准直光束)至4°LPF上的事件改变了LPF’激光线上的截止和OD阻塞。在这种情况下,830 nm LPF打算在AOI = 5下工作° in 平均 polarized light.

如上所述,由于光锥角增加时-3 dB波长变化不大,因此截止频率不会发生明显变化。但是,当半圆锥角大于1.5时,激光线的OD阻塞会受到很大影响,从6.2 OD到小于5 OD会变化。°.

可以看出,必须对入射在拉曼边缘滤波器上的光锥有一个很好的了解,才能获得所需的性能。在存在较大的半圆锥角的情况下,选择较陡的边缘滤光器斜率(具有较高的滤光器截止值)以确保保留拉曼滤光器激光线阻塞可能是有利的。

该图显示了设计用于AOI为5的830 nm LPF° for 平均 polarized light, how the 隔断 and OD blocking at the laser line is affected by the half-cone angle of a light cone incident up on the LPF.

该图显示了设计用于AOI为5的830 nm LPF° for 平均 polarized light, how the 隔断 and OD blocking at the laser line is affected by the half-cone angle of a light cone incident up on the LPF.

波长仪器/检测器分辨率的影响

先前讨论的滤光片的理论透射率曲线假设检测器/仪器的波长分辨率可以忽略不计。但是,光学计量设备可以利用介于0.1 nm和2.0 nm之间的波长分辨率来充分改善信噪比(S / N),特别是在测量过滤器的OD阻塞时。

在LPF的测量中使用非零仪器分辨率意味着从通带到阻塞的过渡变为‘rounded’。舍入的程度与所使用的分辨率带宽成比例,这意味着较高的仪器分辨率(或带宽)会导致舍入增加。

对于为AOI设计的LPF = 0°,由于仪器分辨率(带宽)从0 nm更改为2 nm,因此LPF测量中会有相当大的舍入。但是,在2 nm的分辨率带宽下,在阻塞光谱区域中的LPF透射率似乎更高。可以在下图中看到。

重要的是要注意,这是由于测量伪影而产生的,这是由于仪器分辨率非零所致。 LPF滤波器的形状在这种情况下很好,如果使用较小的仪器分辨率(带宽)进行测量,则可以证实这一点。

该图显示了用不同的仪器分辨率测量时,LPF的透射率。

该图显示了用不同的仪器分辨率测量时,LPF的透射率。

OD阻塞水平的测量

精确测量低至6至8 OD的滤光器的光密度(OD)可能相当困难。如果处理不当,测量伪影可能会使拉曼边缘通滤镜看起来无法满足激光线上的OD阻挡规范。

可以通过各种不同的方式来获取准确的阻塞测量值。最好,最简单的方法是利用可调激光光源直接测量。或者,如果只有单波长激光器可用,则可以通过对滤光片进行角度调整来测量透射率。

可以使用商用分光光度计,但是由于这些仪器使用白色光源,因此它们通常具有2 OD至7 OD(-20 dB至-70 dB)的本底噪声。当然,这取决于所选的仪器带宽。

即使滤光片能够阻挡低于此特定本底噪声的水平,用商用分光光度计来证明这一点也是不可行的。另外,为了达到较低的噪声底限(>6 OD),必须使用较大的仪器分辨率。这进而可能影响边缘通滤波器的测量斜率,从而导致另一种类型的测量伪像。

的figure below illustrates the measurement of an Iridian Nano-Edge LPF with a tunable laser source.

它强调了对预期设计(理论)性能的高度认同。但是,如果用商用分光光度计测量该滤光片,则表明激光线处的阻挡水平要小得多。–大约4至6 OD,取决于仪器的分辨率。

该图显示了使用可调谐激光器(橙色方块)测量的“铱”纳米边缘低通滤波器的透射率

该图显示了使用AOI = 0的可调激光器(橙色正方形)测量的Iridian Nano-Edge LPF的透射率°。还显示了边缘通过滤波器的理论数据(绿色曲线)。可以看出,理论与低至-90 dB(9 OD)的测量之间有着极好的协议,在此之后,可调激光器的测量设置达到了-95 dB左右的本底噪声。

为了测量从通带到阻塞光谱区域的过渡,可以将宽带白光源与OSA一起使用。为了精确测量,应使仪器分辨率尽可能窄。

下图显示了与上图相同的Iridian Nano-Edge滤镜的测量数据。此处的仪器分辨率为0.05 nm,光束的锥半角为〜2°。在这种仪器分辨率下,OD本底噪声约为2 OD,并且如此处突出显示的那样,OSA测量与设计的预期性能之间有很好的一致性。

该图显示了使用OSA和宽带光源(仪器分辨率为0.05 nm,光束锥角为2)测量的Iridian Nano-Edge LPF的透射率°(蓝色曲线)。还显示了边缘通过滤波器的理论数据(绿色曲线)。可以看出,理论和测量值之间的一致性非常好,低至-20 dB(2 OD),之后测量设置达到-22 dB左右的本底噪声。

该图显示了使用OSA和宽带光源(仪器分辨率为0.05 nm,光束锥角为2)测量的Iridian Nano-Edge LPF的透射率°(蓝色曲线)。还显示了边缘通过滤波器的理论数据(绿色曲线)。可以看出,在理论值和低至-20 dB(2 OD)的测量之间有很好的一致性,此后测量设置达到了-22 dB左右的本底噪声。

累积效应

上述所有参数(AOI,极化, 仪器分辨率,半锥角和激光波长变化-可能会影响仪器的性能 拉曼边通滤光片.

这些不一定是直观的,例如,即使这些单个参数的微小变化也会导致过滤器的整体变化。’的光谱性能。

In general, any combination the above effects will see measured edge steepness will decrease while the 隔断 过滤器的 increases. Additionally, the transition edge will be more 四舍五入, shifting towards shorter wavelengths, and the OD blocking level at the laser line will decrease.

即使边缘通滤波器的性能仍保持与使用设计激光线波长工作的准直光束所指定的性能相同,也会发生所有这些变化。

如下图所示,这种现象在830 nm LPF设计滤光片中可见。的‘blue’曲线说明了在AOI = 0时准直光束的预期滤波器性能°。可以看出,它的分辨率带宽可以忽略不计,并且激光线的波长是按设计的。

的‘orange’当入射到滤光片上的光是具有以下特征的光锥时,曲线突出显示了预期的滤光片性能θCHA=5° (at an AOI=0°),分辨率带宽为1.25 nm。激光线波长比所需的激光线波长高+0.2 nm,这些值对应于LPF的潜在应用。

该图显示了为准直光束设计的LPF的透射率(AOI = 0°, ?CHA=0°, resolution

该图显示了为准直光束设计的LPF的透射率(AOI = 0°, θCHA=0°,分辨率带宽= 0 nm,激光线波长偏移= 0 nm)– ‘blue’曲线及其在激光束波长与规定波长不同的发散光束应用中的用途(AOI = 0°, θCHA=5°,分辨率带宽= 1.25,激光线波长偏移= + 0.2 nm)– ‘orange’曲线)。请注意,在本应用中使用的OD阻塞为〜3 OD,而不是预期的>7 OD.

在这种情况下的结果是,在这两个应用示例之间,滤波器的截止频率,OD阻塞水平和边缘陡度差异很大,如下表所示。

该表显示了随着光锥半角的变化,激光线的阻塞水平,截止频率和边缘陡度的变化很大; AOI已更改;介绍了激光线波长偏移;并且仪器带宽为非零。 

规格参数 使用设计的过滤器性能 锥形滤光片的性能(θCHA=5°),仪器分辨率
1.25 nm和激光线波长偏移(+0.2 nm)
激光线阻挡 7.8 OD 3.1 OD
隔断 2.9 nm
(42 cm-1)
2.5 nm
(36 cm-1)
边缘陡度 (6 OD to 50%) 1.9 nm 3.7 nm

 

但是,可以将LPF设计为允许光锥入射到滤波器上。下图显示了此配置,现在在激光线波长处的阻断水平优于6 OD。

该图显示了为(AOI = 0)设计的LPF的透射率°, ?CHA=5°, resolution

该图显示了为(AOI = 0)设计的LPF的透射率°, θCHA=5°,分辨率带宽= 1.25 nm)– ‘orange’ curve. Max 隔断 is 4.2 nm (61 cm-1),最小6 OD阻塞。

概要

的aim of this 文章 was first to make sure that that the technical definitions used when describing a 拉曼边通滤光片 清晰易懂。然后旨在帮助用户了解过滤器’测得的性能将在很大程度上取决于在应用程序中的使用方式。

选择理想的边缘陡度,滤光片截止,滤光片AOI和OD阻挡水平将首先取决于入射到滤光片上的光的性质(半锥角,偏振),其次取决于激光线波长的任何变化,最后取决于,取决于应用程序中使用的检测器分辨率(带宽)。

最后,如果要在分光光度计上测量滤光片以验证其性能,至关重要的是确保对分光光度计的光锥,偏振态和仪器分辨率(带宽)对所测透射率的影响有良好的了解。这很重要,因为测量伪影可能会使边缘通过滤波器看起来不符合规格。

此信息已从虹膜光谱技术提供的材料中获取,审查和改编。

有关此来源的更多信息,请访问 虹膜光谱技术.

引文

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  • 预约定价安排

    虹膜光谱技术。(2020, August 20). 的Role of Edge Pass Filters in 拉曼光谱. AZoOptics. Retrieved on January 13, 2021 from //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1803.

  • 司法协助

    虹膜光谱技术。"边通滤光片在拉曼光谱中的作用". AZoOptics. 13 January 2021. <//www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1803>.

  • 芝加哥

    虹膜光谱技术。"边通滤光片在拉曼光谱中的作用". AZoOptics. //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1803. (accessed January 13, 2021).

  • 哈佛大学

    虹膜光谱技术。2020. 的Role of Edge Pass Filters in 拉曼光谱. AZoOptics, viewed 13 January 2021, //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1803.

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