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Edge Filters在拉曼光谱中的应用


拉曼光谱对应分子的振动和转动能级,因而可用于物质成分的识别。用于激发拉曼信号的激光的强度,比拉曼信号的强度要高68个数量级。因而,为了探测到拉曼信号,需要将激光信号过滤,edge filter(或者notch filter)被用于滤除激光、并允许拉曼散射信号通过。


(一)光学密度(Optical Density, OD)

Optical Density用于描述光学滤光片(Optical Filter)阻挡光的能力。当光经过滤光片,部分光透射,其余的光被散射、反射或者吸收。所有这些引起信号光衰减的因素都考虑进Optical Density

OD=-log10T




(二)Edge Steepness边缘陡峭度

Edge Steepness是用于定义Edge Filter的截止光谱到传输光谱的过渡带的宽度,如下图指的是从OD6到透过50%-3dB)的宽度。 Edge Steepness值越小,滤光片的制造难度就越大。

(三)Cut-Off

Cut-off指从激光线到透过50%这一段的光谱宽度。简单来说,Cut-Off值越小,滤光片的制造难度就越大。可以看出,Cut-OffEdge Steepness都用于描述滤光片的截止-传输边缘的陡峭度。Edge Steepness是滤光片的固有参数,而cut-off引入了激光线的光谱,与具体应用的相关性更大。不同的应用场合,对cut-off的要求是不一样的。做低波数拉曼,要求cut-off值小。

(四)入射角(Angle of Incidence , AOI

入射角的定义:入射光线与滤光片法线的夹角,0度角入射,即所谓的“正入射”、“垂直入射”或“法线入射”。 任何非0度角入射,其光谱都会蓝移(往短波长偏移)。这种蓝移与偏振有关,可能引起偏振分裂。

(五)偏振分裂Polarization Splitting

当入射光线非0度角入射时,滤光片的截止-传输线会蓝移。但是sp光分量的蓝移量不同。对于长通滤光片(LPF)p光的光谱蓝移量更大;对于低通滤光片(SPF),s光的光谱蓝移量更大。偏振分裂的结果是,由于s光和p光的平均效应,产生了一个较为平坦的透光带,因而edge steepnesscut-off都下降了。

(六)激光波长的影响

根据定义,cut-off是指从激光线到滤光片透过率为50%位置的光谱宽度。因而,在选择拉曼滤光片时,需要考虑激光的波长、线宽、漂移等因素。


(七)有效半锥角

半锥角用于定义非准直光的角展度,例如LED。角展度可用高斯分布进行模拟,其定义是:归一化后最大强度的1e2光强处的角度。下图展示的是半锥角为5.5度的情形。对于非准直光入射的情形,相当于入射角连续分布,这种情形会降低滤光片的edge steepness, OD值等参数。


(八)探测器分辨率

滤光片的光谱曲线基于理想的0nm的光谱分辨率。而常用的光谱仪的分辨率在0.01nm~2nm之间。有限的光谱检测带宽,会使实际的探测到的曲线边缘不再陡峭,而是变圆。例如下图,用2nm分辨率的光谱仪探测到的滤光片传输曲线,比0nm分辨率光谱仪探测到的曲线,其edge steepnessOD值都下降很多。 这种变化与edge filter无关,与探测仪器有关。


(九)累积效应

AOI、角锥、偏振、激光波长不确定性,这些因素的累积对最终的滤光片性能产生很大的影响。可能产生的结果如下:

1.    实测的Edge steepness下降;

2.    cut-off增加;

3.    光谱的截止-传输边缘变圆并且蓝移;

4.    OD值下降

在下图中,滤光片的设计参数和实际效果对比如下表。

额定值

实际值

OD

7.8

4.5

Cut-Off

2.9nm

3nm@829.5nm

OD6-50% Steepness

1.9nm

3.5nm


从上述分析看出,在拉曼应用中,影响滤光片实际使用性能的因素众多,需要综合考虑这些因素,从而选择合适的滤光片,得到高品质的拉曼光谱。如欲了解如何降低这些因素的影响,请来电咨询我们技术工程师。