多轨光谱学及其应用简介

多轨光谱学仅用一个光谱仪和检测器就可以收集和分析来自多个输入源的数据。

图1.二维光谱摄影机上的光谱和空间信息。
图1.二维光谱摄影机上的光谱和空间信息。

在许多应用中 光谱学,同时观察多个输入源以从样本中获取更多信息是有用和/或必要的;例如,在单独的位置测量和关联频谱,或者通过并行采集信号来提高效率和速度。

尽管可以为每个信号输入使用单独的光谱仪,但是当将通道数量扩展到数十个或数百个时,就会出现挑战。多轨光谱学是一种仅需在单个光谱仪上使用二维照相机即可测量传感器上不同行上的多个输入信号的技术。该技术可以应用于任何常见的光谱形式,例如 光致发光 要么 拉曼光谱。下一代光谱仪与大面积检测器结合使用,可同时使用数十到数百个源通道,以实现真正的多轨光谱学功能。

多轨技术可提高效率并减少光谱测量任务的总时间,使其成为基础研究的新发展,工业研究与开发,质量和过程控制应用的最佳选择。

什么是多轨光谱学?

在光谱仪中,来自信号源的光通过入口狭缝进入仪器,并通过自由空间或光纤耦合。光谱仪中的色散元件将光分成其颜色分量。它通常是为获得最佳光谱分辨率和效率而选择的衍射光栅。然后,由准直和聚焦光学系统组成的光学成像系统在焦平面上创建狭缝的图像。对于输入信号中的每种离散颜色,缝隙图像将在焦平面中的不同位置处再现(请参见图1)。

为了在焦平面中创建并启用多轨图像的读取,焦平面中的信号沿信息的频谱和空间轴进行编码。光谱轴沿水平方向取向,在该水平方向上,由衍射光栅分散的不同波长成像在检测器的不同列上。空间轴沿垂直方向定向。当光谱仪光学器件在焦平面内创建入口狭缝的图像时,沿着入口狭缝处于不同位置的任何入射光都将被映射到检测器的另一行上。在多轨光谱学中,来自多个光源的信号沿着入射缝隙在不同位置耦合到光谱仪中。然后,摄像头在检测器上检测到明显的水平线(视觉上看起来像条纹)。每行的宽度取决于输入源的大小。

用于信号采集的检测器位于光谱仪的焦平面上。从紫外线到近红外,大多数低光光谱学应用都使用背照式和耗尽型CCD相机。根据设计,CCD摄像机通过单个读取节点连续读取所有成像像素,使其非常适合标准光谱测量,但成像任务相对较慢。

对于单迹光谱学应用,通常在CCD上对信号进行装仓以提高读出速度和信噪比。但是,这会扰乱空间信息,因此合并不能用于多轨光谱。另外,多轨光谱学需要带有机械快门的CCD,以在读出期间阻挡光在传感器上的积累。如果没有快门,检测器上的信号将在频谱轨迹之间拖尾并混合。

大型CCD传感器通常具有多种读出模式,以补偿较慢的读出时间,并且是多轨实验的理想选择检测器。但是,电子倍增CCD(EMCCD)和科学CMOS(sCMOS)相机速度更快。这些传感器不需要机械快门,因此是测量动态,快速变化事件的多轨光谱的最佳选择。大型传感器能够使用数十至数百个输入通道来支持应用。砷化铟镓(InGaAs)焦平面阵列是检测器的替代选择,并且是检测1000至1700 nm之间的波长所必需的。

多轨光谱仪的光学性质

多轨信号在相机传感器的光谱和空间方向上覆盖了很大的区域。因此,至关重要的是,空间图像分辨率高且在整个传感器上保持一致且光学像差最小。但是,使用Czerny-Turner设计的传统光谱仪的像差可能会很大。例如,Czerny-Turner系统使用环形镜来校正散光。尽管环形透镜可以完全校正焦平面中心的像散,但像差会再次出现在中心的左右位置,从而产生领结状的图像(见图2)。输入通道需要进一步间隔开,以便在没有信号重叠的情况下进行检测,从而减少了可以同时检测的通道总数。图2. Czerny-Turner光谱仪上的多轨光谱。通过散光,信号迹线随着朝向焦平面边缘的严重性增加而加宽。图2. Czerny-Turner光谱仪上的多轨光谱。通过散光,信号迹线随着朝向焦平面边缘的严重性增加而加宽。

减小输入孔径(例如,通过使用更长的焦距系统或掩盖光谱仪光学器件)可以显着改善像差并增强多轨功能。但是,这只能通过大大降低光谱带宽和光收集效率来实现。新一代的像差校正光谱仪设计消除了这一限制。

可以解决多少条轨道?

光谱仪可检测的通道总数取决于检测器上通道的密度和检测器的尺寸。高光学成像能力和低像差增加了可以同时观察到的光通道的密度。因此,对于多轨光谱仪,需要评估整个焦平面上的光谱分辨率(以纳米为单位)和空间分辨率(每毫米可分辨线对)。这提供了可以使用的可用频谱轨道数量的度量。

大幅面成像传感器(13×27 mm)涵盖了焦平面的大面积,因此可以实现这两者,涵盖了宽光谱范围,并且可以在非常多的光学轨道上工作。

例如,基于IsoPlane SCT-320光谱仪和KURO 2048 B背照式sCMOS相机的测量系统(Teledyne Princeton仪器)能够分辨出400条离散的光纤通道(见图3)。大型sCMOS检测器不仅保证了在可见光波长范围内的高灵敏度,而且可以快速读出,因此可以以视频速率采集来自所有400条磁道的数据。

图3显示了用荧光室内光照射时检测器上的图像,中心区域缩放突出显示了离散光纤通道的分离。通常,所有通道的分辨率都很好,并且可见,线条之间具有良好的对比度。图3. KURO 2048B摄像机从沿光谱仪入口狭缝放置的400条光纤中检测到的多轨信号。图3. KURO 2048B摄像机从沿光谱仪入口狭缝放置的400条光纤中检测到的多轨信号。

高密度多轨光谱学的应用

在下文中,我们讨论使用自由空间耦合和光耦合到光谱仪的光纤耦合的多轨光谱学的具体应用示例。

共聚焦显微拉曼光谱。 共聚焦光谱仪可实现高(受衍射限制的)空间分辨率,并能在小探头体积之外对任何背景信号进行高度抑制。但是,由于逐点扫描而需要从较大的对象获取空间信息时,速度很慢。

国立交通大学(台湾新竹)的Hamaoguaguchi和Sohshi Yabumoto开发了一种共聚焦技术,该技术展示了多轨光谱技术如何潜在地减少了观察时间。他们的系统使用多个激光激发点阵列,而不是单个激光点。使用光学元件的智能排列,来自每个位置的信号会沿着入射狭缝平面被定向到不同的高度。图4显示了入口狭缝平面中信号点的布置以及传感器上的光谱轨迹。图4.日本研究人员开发的多轨共焦拉曼光谱。上面的图像显示了入口狭缝平面上的信号点;底部显示了检测器上的光谱轨迹。图4.日本研究人员开发的多轨共焦拉曼光谱。上面的图像显示了入口狭缝平面上的信号点;底部显示了检测器上的光谱轨迹。(改编自Yabumoto S.和H. Hamaguchi [1])

所使用的光谱仪系统由Isoplane SCT-320光谱仪和具有1024×1024像素且像素大小为13μm的ProEM EMCCD相机组成。总共测量了16条轨迹,但是研究人员正在研究将轨迹数量增加到100条。通过平行扫描所有点的表面,拉曼扫描的采集时间得到了数量级的改善。研究人员强调了光谱仪成像质量对多轨实验的重要性。

表征等离子体。 非接触光谱法在等离子体的表征中起重要作用。等离子体监测需要从等离子体内的各个位置收集数据。光纤通常用于收集光信号。 Gonzalez-Fernandez等。基于沿不同角度和方向进入等离子体的多条视线的光信号收集,我们实现了一种光谱层析成像技术(见图5)。信号是由49根光纤收集的,这些光纤沿着IsoPlane 160光谱仪的入口狭缝成束排列,并带有ProEM-HS 1024 EMCCD摄像机,用于快速检测信号。图5.使用多条光纤对等离子体进行光谱监测。图5.使用多条光纤对等离子体进行光谱监测。(改编自V. Gonzalez-Fernandez等人[2])

来自大量光谱通道的信息的增加允许对等离子体中与位置有关的温度和电子密度进行层析成像重建。

通过并行检测来自多个输入信号的信号,使用单个光谱摄象机-相机系统的多轨光谱学可以对测量效率,速度和信息收集产生重要影响。多轨测量需要具有高成像能力的光谱仪。下一代多功能光谱仪,例如Teledyne Princeton仪器 IsoPlane系列,可以使用数十到数百个并行输入进行操作。应用范围包括从生命科学和凝聚态物理到等离子体监测和天文学的基础研究,以及工业研究,开发以及质量和过程控制。

参考资料

1. S. Yabumoto和H. Hamaguchi, 肛门化学,89,14,7291–7296(2017); //doi.org/10.1021/acs.analchem.7b00614.

2. V. Gonzalez-Fernandez等, 科学代表,10,5389(2020); //doi.org/10.1038/s41598-020-62426-9

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