什么是光谱仪？

任何光学光谱仪的核心部件都是按波长分离光线的组件。

最常见的是衍射光栅——一种刻有重复凹槽的材料片，当光线从其表面反射或透过时，会以与波长成比例的角度发生衍射和弯曲。

棱镜——或者光栅和棱镜的组合——也可以用来以这种方式弯曲和分离光线。这种按波长的弯曲和分离称为色散。

如果在色散元件后放置一个相机，我们就可以确定不同波长的光线落在相机上的哪个位置。

光学光谱仪的组成部分有哪些？

光源

光源的类型高度依赖于实验需求，例如激光器、HgAr校准灯、氘灯和样品发的光。

翻转镜

用于在需要快速切换多个实验装置时，在直接输入和侧输入输出之间进行切换。（镜面材料/涂层的选择会影响光谱仪的光通量效率）。

球面/环面镜

用于将狭缝或针孔发出的光进行准直，并将其导向衍射元件，同时将来自衍射元件的分散光聚焦到探测器上与波长相关的区域。（镜面材料/涂层的选择会影响光谱仪的光通量效率）。

衍射元件（如光栅、棱镜或光栅）

根据光的波长，用于将光分散到不同的角度。

（衍射元件材料/涂层的选择会影响光谱仪的光通量效率）。

探测器/摄像机

一旦光在光谱仪中按波长分散，通常希望用探测器或相机测量这些光。探测器/相机的

选择高度依赖于实验需求，通常最好由安多公司的专家与客户讨论后决定，基于客户

的实验要求。影响探测器/相机选择的因素包括光敏感度、时间门控、采集速度、光谱

范围、探测器宽度/高度、客户预算等。

Czerny-Turner光谱仪

切尼-特纳光谱仪是设计最为坚固和成熟的光谱仪之一。它使用一个弯曲（环形）的镜子来收集光源发出的光线，并将其准直（或使光线平行）后反射到平面衍射光栅上。该光栅安装在精密旋转台上，能够将光源发出的光线分散并反射到第二个弯曲（环形）的镜子上，该镜子将之前准直的光线聚焦到探测器上的不同位置，以检测每个波长的光线。通过旋转光栅，可以将不同范围的波长照射到探测器上。通过在光栅或光谱仪焦距之间切换，可以不同程度地分散光线，以实现不同的波长分辨率。

中阶梯光栅光谱仪

大多数光谱仪设计使用单轴色散——光仅在一个方向上按波长分离。当需要测量非常宽的波长范围时，多个衍射级次可能会重叠。然而，如果在设计中加入第二个色散元件，这些级次可以被分开，形成二维“阶梯图”，结合了宽带和高分辨率。阶梯光谱仪是极佳的选择，适用于同时测量从紫外到近红外的广泛波长范围，而不牺牲光谱分辨率。

光谱仪是如何工作的？

光谱学过程

使用透射光谱仪测量样品在近紫外至可见光谱区域的吸收（或反射/透射/发射）。光谱仪由光源、色散元件、样品室和检测器组成。光源产生的宽带光通过色散元件转换为单色光，并穿过样品。样品后的光强度由检测器测量。通过扫描色散元件，可以产生并测量从近紫外到可见光的波长。通过比较样品后光的强度与样品前光的强度，生成透射光谱。早期的光源，如弧灯或金属丝，最近已被发光二极管（LED）取代。色散元件可以是单色仪中的棱镜或光栅。扫描式单色仪使用单个光电二极管检测器和光电倍增管，而固定式单色仪则使用CCD、光电二极管阵列。CCD和光电二极管阵列可以同时测量多个波长的光，从而实现更快的测量。

 

光谱仪的用途是什么？

光学光谱仪可用于多种不同的光谱技术，从紫外到NIR和SWIR，适用于各种尺寸和时间尺度。在以下章节中，我们将介绍不同的光谱技术，包括：

1. 喇曼光谱法
2. 发光／PL光谱学
3. 吸收/透射光谱
4. SFG/SHG光谱
5. LIBS/OES光谱学
6. 材料科学光谱学
7. 化学与催化光谱学
8. 表面增强拉曼光谱（SERS）技术
9. 多维超快光谱技术
10. 稳态荧光光谱技术
11. 燃烧／流体动力学光谱

1.   拉曼光谱

拉曼光谱是一种非破坏性技术，用于测量样品的振动模式。拉曼光谱测量散射光，这些光可能因分子中振动能级之间的跃迁而失去或获得能量。产生的光谱极其具体地反映了样品的化学成分、分子环境和温度。拉曼光谱的一些应用包括用于药物质量控制、法医鉴定和远程爆炸物及毒品检测的化学品正确定位，作为凝聚态和气相系统中分子动力学的敏感探针，监测低维材料中的缺陷和应变，以及医学诊断。拉曼光谱的子类包括表面增强拉曼（SERS）共振拉曼、尖端增强拉曼、偏振拉曼和超拉曼。

2. 发光／PL光谱学

发光是指物质在低温下自发地发出光（不是由热产生的）。发光的一些例子包括化学发光、生物发光和电致发光。光致发光是指物质吸收光子后自发地发出光。它被分为两个亚类；荧光，涉及单线态-单线态电子弛豫，发生在纳秒级；以及寿命更长的磷光，由三线态-三线态电子弛豫引起，可持续从微秒到数小时。磷光广泛用于表征半导体的光电性能、材料纯度和晶体质量，载流子寿命和应变效应。磷光还用于研究低维材料中的载流子动力学，例如纳米晶体中的量子限制效应。

3. 吸收/透射光谱

吸收/透射光谱学是指样品对辐射的吸收随波长（或频率）变化的现象。吸收/透射光谱学可以在整个电磁频谱范围内进行，从高能X射线驱动内壳层电子激发，到低能无线电波辐射中电子和核自旋可以被激发。吸收/透射光谱学既具有特异性又具有定量性，在化学分析和量化样品中物种数量方面特别有用。它还用于远程传感应用，如天文学中的星际分子云化学成分分析，或作为原子和分子电子结构的敏感探针，可用于确定原子和分子的质量及几何结构。

4. SFG/SHG光谱

和频生成（SFG）是一种非线性过程，其中两个角频率分别为ω1和ω2的光子在介质中相互作用，产生一个角频率为ω3的光子。由于信号强度取决于输入场的乘积，通常使用具有高峰值电场强度的激光器。二次谐波生成（SHG）是SFG的一个特例，此时ω 1 = ω2，是最常见的SFG类型。由于SFG只能在物质不对称的情况下发生，因此特别适用于表征表面和界面的特性。SFG还用于测量表面的电子和振动动力学。SHG是一种制造新型激光器的常用技术，也用于表征超短激光脉冲（低于1皮秒）。使用SHG的研究应用包括在高分辨率光学显微镜中检测非对称物质以及表征晶体材料。 二次谐波生成（SHG）是一种光谱技术，由于对称性限制，对测量分析物的表面具有独特的敏感性。SHG用于研究脂质体生物层和固体基底上的支撑双层的表面，允许研究膜表面生物分子的分子相互作用和脂质体双层中分子传输的动力学。

5. LIBS/OES光谱学

光学发射光谱法（OES）是一种将样品加热到高温，使样品中的电子被激发到高能态的技术。随着样品冷却，电子弛豫并发出可见光谱区域（OES）的辐射。发射的辐射频率具有样品原子特性的特征，可用于确定材料的元素组成。有几种加热样品的方法；包括电感耦合等离子体（ICP）、火焰电离、电弧和火花。激光诱导击穿光谱法是发射光谱学的一个特定分支，其中高强度激光聚焦于样品上形成等离子体，使样品原子化并激发。电子从其激发态弛豫并在激发后几微秒内发出辐射。所得光谱可用于分析样品的元素含量。激光诱导击穿光谱法已应用于金属合金表征、危险物质检测、远距离化学物检测、爆炸残留物检测以及油漆和土壤中铅的检测。

6. 材料科学光谱学在纳米、微米或宏观尺度上对固体进行操控和/或表征，以开发适用于太阳能/光伏电池、储能、LED、新型催化剂、化学检测器、生物医学设备等众多应用的新材料。该领域的许多研究人员能够以高精度和可重复性地表征各种材料的化学、结构、电子和/或光学性质，这些研究通常采用拉曼、光致发光/荧光/阴极发光、吸收、光发射光谱和激光诱导击穿谱、二次谐波生成或暗场散射等探测技术。研究人员经常测量结构变化、光子学特性、缺陷的存在、应变/应力下的行为、电子行为以及许多其他物理材料特性。近期感兴趣的材料包括：低维纳米晶体、过渡金属二硫属化物（TMDs）、有机半导体（如OLED）和等离子体超材料。
7. 化学与催化光谱学

化学和催化领域有许多小众研究应用，涉及多种专门的光谱技术，这些技术通常需要高端的专业光谱仪器来高效收集足够的光谱数据。以下是用于化学和催化应用的一些技术示例。

红外（IR）光谱可用于监测化学反应的进程，因为分子的红外光谱高度依赖于原子组成和分子结构。此外，红外光谱还可用于监测分子中的同位素替换，因为力常数（从而振动频率）是系统简化质量的函数。

化学反应动力学机理可以通过UV/VIS（电子）光谱测量，并被应用于理解CO₂活化和水分解的机制。

拉曼光谱可用于解决流体和液体样品的分子间模式。这些模式集中在光谱的低频（0-200 cm-1）区域，是样品的集体运动的结果，对分子间的分子间力特别敏感，并被认为在凝聚相化学反应动力学和动力学中起着关键作用。

8. 表面增强拉曼光谱（SERS）技术

表面增强拉曼光谱依赖于金属纳米颗粒（或粗糙金属表面）在外加光源驱动下产生局部电场增强的能力。观察到的增强效果可达10^10至10^11倍，提高了该技术对单分子检测的灵敏度。SERS能够检测体液中低浓度的生物分子，并作为下一代医学诊断和早期疾病检测平台正在被探索。

 

9. 多维超快光谱技术

超快光谱学用于研究通常发生在100飞秒（10^-15）时间尺度上的过程，而尖端实验现在正转向研究阿秒（10^-18）量级的过程。超快光谱学通常用于研究光化学反应，即化学反应由光引发。超快化学反应可以通过激光启动，分子的行为则通过红外或紫外-可见光谱学进行监测。

超快光谱学中的超快是指用于照射样品并启动或检测反应的光脉冲持续时间；而用于获取吸收光谱的探测器的工作频率为1 – 100 kHz。

这项研究的一个典型应用是研究防晒霜中分子的行为，以了解光照射下异构化或分解的变化。或者，可以利用光化学反应来更好地理解自然光合作用系统中的能量耦合。这些自然系统具有极高的量子效率，对其起源的深入了解有助于设计稳健的人工光合作用装置。

多维超快光谱学也可用于理解能量转移动力学，例如在二维红外实验中研究振动状态如何相互作用以及能量如何被淬灭。

10. 稳态荧光光谱技术

稳态荧光光谱法可用于研究RNA-蛋白质相互作用的局部构象变化，因为荧光光谱的强度和形状高度依赖于局部环境，可以成为这些相互作用的极其敏感的探针。

11. 燃烧／流体动力学光谱

研究流动的气体和液体在（有时）反应性环境中的行为。在这些领域中，了解分子能量和成分的流动对于设计更高效的发动机、车辆外观设计、涡轮机、反应堆以及许多需要考虑流体环境操作的其他工程设备至关重要。通常使用分子标记测速（MTV）或粒子成像测速（PIV）等测量方法来表征流体场中的湍流速度波动。这些技术常与其他技术结合使用，例如（平面）激光诱导荧光（(P)LIF），以测量流体温度并监测流动中的化学反应。相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）和化学发光等其他技术也是用于流体流动的有用光学诊断技术。

 

为什么光谱仪如此昂贵？

光谱仪本身并不昂贵——一个简单的光谱仪可以用一张光盘作为色散元件，用纸板框架固定。然而，构建高精度的光谱仪需要使用最佳的光学件和机械部件。镜子必须精确成型，以使光线达到最佳聚焦，并且要打磨得非常光滑，以避免强信号散射并淹没微弱信号。衍射光栅必须精确刻划，每毫米有数百到数千条线，每条线间距均匀且一致。电机必须在计算机控制下精确且可重复地移动。所有这些部件都必须牢固安装并校准在一个合适的机箱内，通常还需要额外的电动部件——旋转镜、可调狭缝、滤光轮等，以最大化系统的可用性。

没有一个单一的组件会主导生产成本，但一个功能齐全的高精度光学光谱仪就像其他计量资本设备一样——它需要技能、知识和精密部件来制造。

此外，光学光谱仪具有广泛的分析测量潜力。与提供类似材料表征能力的其他测量技术相比，光学光谱仪可能更胜一筹。

 

Andor紫外、NIR和SWIR光谱仪

当与适当的衍射光栅和检测器配合使用时，Andor Kymera 193i、Kymera 328i、Shamrock 163、Shamrock 500i、Shamrock 750是适用于UV、NIR和SWIR测量的光谱仪。

Andor光学光谱仪提供高分辨率、高通量、高模块化，从紫外到NIR和短波红外，从宏观到纳米尺度，光通量低至单光子，时间分辨率达到纳秒级。其特点包括高模块化、智能电机驱动、TruRes™——最高光谱分辨率、Adaptive Focus™技术，适用于拉曼、发光/磷光、吸收/透射、SFG/SHG、OES和LIBS、材料科学、化学与催化以及生命科学/生物医学等领

域。

Andor光谱型相机和探测器

基于光谱学的诊断在材料科学、化学、生命科学或基础物理和光学领域依赖于以高度精确度捕获和分析光学和化学特征。

Andor光谱相机和探测器系列提供广泛的灵敏度、时间分辨率和传感器格式，以最适合从紫外到短波红外、纳秒到小时的时间分辨率、高光子通量到单光子的超动态范围和分辨率的特定实验条件。

原文链接：https://andor.oxinst.com/learning/view/article/what-is-an-optical-spectrometer

返回产品链接：https://www.star-spectrum.com/home-products/

原子光谱

原子光谱法

原子谱是通过电磁谱或质谱确定元素组成的。对元素电磁波谱的研究称为原子光谱学。

电子存在于原子内的能级中。这些能级具有明确定义的能量，在它们之间移动的电子，必须吸收或发射等于它们之间差值的能量。

在它们之间移动的电子必须吸收或发射与它们之间的差相等的能量。在光谱学中，将电子移动到较高能级所吸收的能量和/或电子移动到较低能级所发射的能量以光子的形式存在。所发射的波长与所发生的电子跃迁有直接关系。由于每种元素都有独特的电子结构，因此发出的光的波长是每种元素的独特属性。由于大原子的轨道构型可能是复杂的，因此会发生许多电子跃迁，每个跃迁都会产生一个特征波长的光，如下图所示。

 能源转型

原子光谱学产生了三种用于分析的技术：原子吸收、原子发射、原子荧光。激发和衰变为基态的过程涉及原子光谱学的所有三个领域。测量激发过程中吸收的能量或衰变过程中发射的能量，并将其用于分析目的。

这三种技术是如何实现的

如果恰到好处波长的光撞击到自由的基态原子上，该原子可能会在进入激发态时吸收光，这个过程称为原子吸收。此过程如上所示。原子吸收率测量的是共振波长的光在穿过原子云时被吸收的量。随着光路中原子数量的增加，吸收的光量以可预测的方式增加。通过测量光的吸收量，可以对存在的分析物元素的量进行定量测定。使用特殊光源和仔细选择波长，可以在其他元素存在的情况下对单个元素进行特定的定量测定。

原子吸收测量所需的原子云是通过向样品提供足够的热能以将化合物解离成自由原子而产生的。将样品溶液吸入对准光束的火焰中即可达到此目的。在适当的火焰条件下，大多数原子将保持基态形式，并且能够吸收来自光源灯的分析波长的光。原子吸收法简便、快速，可以进行精确、准确的测定，这使原子吸收法成为测定金属最常用的方法之一。

原子吸收过程

在原子发射中，样品受到高能热环境的影响，以产生能够发光的激发态原子。能量源可以是电弧、火焰或最近的等离子体。

暴露于这种能量源的元素的发射光谱由一组允许的发射波长组成，通常称为发射线，因为发射波长的离散性。该发射光谱可用作定性识别元素的独特特性。使用电弧的原子发射已广泛用于定性分析。发射技术还可用于确定样品中存在多少元素。对于“定量”分析，测量在待确定元素波长处发射的光的强度。随着分析物元素的原子数的增加，该波长的发射强度将更大。火焰光度法技术是原子发射用于定量分析的一种应用。

与原子光谱相关的 ICCD 量子效率

原子光谱学的第三个领域是原子荧光。该技术结合了原子吸收和原子发射的各个方面。与原子吸收一样，在火焰中产生的基态原子是通过将光束聚焦到原子蒸气中而被激发的。然而，它不是查看过程中吸收的光量，而是测量由光源激发的原子衰变产生的发射。这种“荧光”的强度随着原子浓度的增加而增加，为定量测定提供了基础。用于原子荧光的光源与光学系统的其余部分成一定角度安装，因此光检测器只能看到火焰中的荧光，而看不到灯本身的光。最大化灯强度是有利的，因为灵敏度与激发原子的数量直接相关，而激发原子的数量又是激发辐射强度的函数。

虽然原子吸收是这三种技术中应用最广泛的，并且通常比其他两种技术具有多种优势，但在特殊分析情况下，发射或荧光可能会获得特殊优势。

 

原文链接：https://andor.oxinst.com/learning/view/article/atomic-spectroscopy

光谱学基础-历史、解释和应用

光谱学基础-历史、解释和应用

原子光谱学涉及原子与光的相互作用；

而分子光谱学涉及分子与光的相互作用。

原子光谱学提供有关样品的原子或元素身份的信息；

而分子光谱学可以揭示有关分子身份和分子结构的信息。

 

涉及原子光谱与分子光谱的跃迁类型不同：

在原子光谱中，通常观察到的是电子态跃迁；

而在分子光谱中，除了电子态跃迁外，还可以研究振动和旋转跃迁。

 

本文重点介绍分子光谱。

 

 

光谱实验装置

根据所用技术的不同，光谱实验的单位也不同。

图1列出了电磁（EM）光谱中的一些关键区域、这些区域内常用的一些光谱技术、每种技术探测的跃迁类型以及使用的单位。

例如，紫外可见吸收光谱涉及分子中价电子的跃迁，以波长(λ)为单位报告，如纳米（nm）

或埃(A)。

红外吸收光谱则研究分子振动，通常以波数（cm-1）为单位报告。

图1：电磁频谱（EM）、使用的光谱技术、涉及的跃迁和光谱单位。EM图像取自参考文献1

 

吸收光谱学是电磁辐射因与物质相互作用而随频率变化的吸收过程。

想象一下，样品在比色皿中与不同类型的光相互作用，如图2所示。当样品吸收不同类型光时，会激发出不同类型的跃迁。

例如：

X射线激发的是原子核电子的跃迁，

紫外光激发的是价电子的跃迁，

红外辐射激发的是分子振动，

微波区域激发的是分子旋转，

在射频（RF）下则激发电子和原子核。

图2：根据所用光的类型，激发分子的不同类型的跃迁。

 

紫外-可见吸收光谱

紫外-可见吸收光谱在分子中涉及激发分子轨道之间的价电子。

两个重要的分子轨道是最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占分子轨道（LUMO）。

对于处于基态的分子，HOMO被电子占据，而LUMO则没有。

在紫外-可见吸收实验中，一个电子会从HOMO激发到LUMO。当从基态激发到激发态时，还可以发生振动和旋转跃迁。

紫外可见吸收光谱仪由宽带光源、色散元件、波长选择器、检测器和记录器组成，如图3.2所示

图3：单光束（上）和双光束（下）UV-Vis分光光度计。图摘自参考文献2

 

在紫外可见光谱实验中，通过计算透过参比样品的光强度与透过样品的光强度之比的对数，来计算样品的吸光度A，其中，透过参比样品的光强度与透过样品的光强度之比是随波长变化的函数：

这可用于使用比尔-朗伯定律或比尔定律计算样品中吸收物质的浓度：

其中，ε是摩尔吸光系数，表示样品中吸收物质对特定波长光的吸收强度，通常以M^-1cm^-1表示。c是吸收物质的浓度，单位为摩尔浓度M，d是光与样品相互作用的距离（有时称为路径长度）。比尔定律在吸光度介于0.2至0.8之间时效果最佳。双光束紫外-可见光谱仪通过使用分束器同时激发参比和样品，使这一测量更加便捷。这使得可以同时收集参比和样品的强度。

比尔定律的一个例子是用于测量样品中的蛋白质浓度，例如在重组蛋白生产中发现的样品。蛋白质含有如苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸等氨基酸，这些氨基酸具有芳香基团，在紫外光下吸收强烈。通过在280纳米处测量样品的吸收并应用比尔定律，可以估算出蛋白质的浓度，如图4.3所示。尽管这种方法可能不够准确，因为核酸材料通常存在于这些样品类型中，且会吸收紫外线，但考虑到不同蛋白质中这些氨基酸的比例不同，该方法仍可用于监测重组蛋白产品的纯化过程。商用的纯化仪器，如HPLC系统，通常使用基于紫外可见光谱的检测。

图4：用于通过紫外-可见光谱法测定蛋白质浓度的三种氨基酸。左侧图表显示了(a)苯丙氨酸、(b)色氨酸、(c)酪氨酸的紫外-可见吸收光谱。右侧图表显示了根据比尔定律获得的280纳米处的吸光度与蛋白质浓度的关系。紫外-可见吸收光谱数据来自参考文献3。

 

光致发光——荧光和磷光

光致发光是指物质吸收光子后发出的光。

它分为两种类型：荧光和磷光。

荧光相对较强且快速，时间尺度在皮秒（ps）到纳秒（ns）之间。

相比之下，磷光较弱且缓慢，时间尺度在微秒（μs）或更长。

与激发波长相比，荧光和磷光都会发生红移。

Jablonski图，以Aleksander Jabłonski命名，是理解分子中不同类型的光物理过程的有用工具，如图5⁴所示。本图描述了分子的基态和激发态电子状态、基态和激发态电子状态内的振动和转动能级、这些状态的电子自旋性质以及所有这些状态之间可能发生的跃迁类型。

图5：Jablonski图，描述了分子中可能的光物理过程。图片摘自参考文献4。

 

当一个处于激发态的电子通过发射光子而从激发态回到基态时，就会产生荧光。

当基态和激发态都是单重态时，就会发生荧光。

还可能发生的是，处于单重态的电子在受到电激发后，可以通过系统间跃迁（IC）进入一个电子激发的三重态自旋状态。根据量子力学原理，激发的三重态电子通过直接光子发射弛豫到基态是被禁止的。然而，由于自旋-轨道耦合的作用，这种类型的跃迁确实会发生，这一过程正是磷光的起源。

荧光光谱仪的示意图如图6.⁵所示。光源可以是宽带光源或窄带激光器，通过透镜聚焦到样

品上，样品中的电子从基态激发到激发态。当电子从激发态弛豫到基态并发射一个光子

时，通过放置一个透镜收集发出的荧光，通常该透镜与激发路径呈90度角，以减少来自激

发源的背景干扰，并将荧光聚焦到单色仪中进行检测。然后数据被发送到记录器，在那里

测量的荧光以发射光强度随发射波长的变化形式报告。

图6：荧光光谱仪示意图。图片摘自参考文献5。

以荧光素的吸光度和荧光光谱为例，如图7.⁶所示。荧光素是一种用于生物成像的染料。吸收光谱用蓝色表示，荧光光谱用红色表示。可以看出，荧光光谱相对于吸收光谱发生了红移。这被称为斯托克斯位移。荧光光谱还像是吸收光谱的倒置，这是荧光实验中常见的现象。

图7：荧光素的吸收（蓝色）和荧光（红色）光谱。荧光光谱从吸收光谱中红移，并且呈现为“镜像”形式。光谱摘自参考文献6。

荧光测量中一个重要量是荧光量子产率Φ，即分子发射的光子数除以分子吸收的光子数：

Φ的最大值为1，此时分子每吸收一个光子就发射一个光子；最小值为0，此时分子不发射任何光子。

可以使用脉冲激光和时间分辨检测方案进行时间分辨荧光测量。近红外荧光蛋白（ iRFP）是一类用于生物成像的基因工程荧光探针。几种iRFP的稳态吸收和荧光光谱如图8.⁷所示。

图8：近红外荧光蛋白的左稳态荧光光谱。摘自参考文献7。

这些蛋白质吸收和荧光都偏向NIR方向，因此特别适用于深层组织成像，因为长波长的光比短波长的光能穿透更深的组织。图9.⁷展示了iRFP702在H₂O and D₂O中，激发波长为660 nm， 发射波长702 nm的时间分辨荧光光谱。

图9：iRFP 702在660 nm处发射并在702 nm处检测到的时间依赖性荧光光谱在水（红色）和D2O中显示了动力学同位素效应。底部的曲线是相同的衰减曲线，但强度采用对数刻度。取自参考文献7。

 

可见荧光强度随时间衰减，衰减时间从几百皮秒（ps）到几十纳秒（ns）不等，这种时间依赖性荧光强度可描述为：

其中，I(t)是激发后时间t的荧光强度，Io是初始荧光强度，τ是荧光寿命，即I(t)达到初始值（Io）的1/e的强度所需的时间。

iRFP 702在两种溶剂中的荧光寿命不同。在水溶液中，测得的荧光寿命为749皮秒，而在氘水中则为1.35纳秒。氘水中的荧光寿命比水溶液长，这可以归因于较重的氘同位素的存在，导致这两种溶剂中iRFP 702的荧光寿命的动力学同位素效（KIE）应为1.8。

福斯特Förster共振能量转移（FRET）是两种荧光团之间发生的荧光过程。在FRET中，两个荧光团被放置得非常接近，其中一个荧光团（FRET供体）的发射光谱与另一个荧光团（FRET受体）的吸收光谱重叠，形成一个FRET对。当供体分子从基态激发到激发电子态时，可能会发生非辐射能量转移，供体激发受体，随后受体荧光，如图10.8所示。

图10：显示FRET对之间Forster共振能量转移的Jablonski图。图片摘自参考文献8。

FRET的效率高度依赖于距离，随1/r^6变化，其中r是供体和受体之间的距离。由于这种强烈的距离依赖性，FRET仅在供体和受体相距几纳米时发生，在超分辨率定位成像以及检测和追踪蛋白质相互作用中具有应用。

 

磷光被广泛用于表征“下一代”材料，如纳米材料、低密度材料和新型半导体。这些材料在光伏、能源生成和太阳能电池中有着广泛的应用。磷光实验的设置与荧光实验非常相似，如图11所示。

图11：磷光光谱仪示意图。

氮化镓纳米结构是下一代材料的一个例子，因其磷光发射在蓝色范围内而受到关注，这使得它们成为用于蓝色LED和基于二极管的激光器的理想候选材料。如图12⁹所示，磷光被用来表征氮化镓纳米结构的质量。通过使用xy平移台，研究人员能够生成磷光整体强度的地图，并通过监测370 nm处缺陷带的存在或不存在来识别纳米结构中的缺陷，此外还有360 nm处的正常磷光发射。

图12：左下角-基于氮化镓的纳米结构阵列的总PL强度随xy位置的变化。右下角-基于氮化镓的纳米

结构阵列的代表性PL光谱，显示主要PL发射波长为~360 nm，检测带宽为~370 nm。改编自参考文献9。

 

研究人员一直在寻找替代传统晶体硅的材料，用于薄膜太阳能电池板中的薄膜吸收层，以降低生产成本并提高可持续性。铜锌锡硫化物（CZTSSe）被认定为一种可行且特别有吸引力的候选材料，因为它仅由低毒性的丰富材料组成。通过定量磷光可以获取这些材料电子结构的信息，从而预测使用这种材料时设备的开路电压。这一点很重要，因为可以在生产过程早期进行测量，而无需制造整个太阳能电池装置来获得这些信息。

在图13所示的实验中，10到12名研究人员通过引入一层称为缓冲层的半导体材料，能够改变CZTSSe的电子特性，并使用定量磷光技术监测这些变化的影响。利用几种缓冲层对1.05电子伏特以下磷光强度的影响，最终预测了不同缓冲层下材料在器件中的性能。

图13：在铜锌锡硫化物（CZTSSe）吸收器上测量的底部-PL光谱，使用了多种缓冲液。改编自参考文献10-12。

 

拉曼光谱技术

拉曼光谱可以作为分子振动和旋转的高度敏感探针。这一技术最初由印度物理学家C.V.拉曼发现，他在1928年发表于《自然》杂志的一篇题为“辐射的负吸收”的论文中公布了研究成果。

与红外吸收光谱不同，后者通过直接吸收能量等于分子振动和旋转跃迁的红外光 来探测分子的振动和旋转，拉曼光谱的工作原理则有所不同。

在拉曼实验中，使用一个不与分子中的任何振动或旋转状态共振的激发源，将分子中的电子激发到电子虚态，从而产生散射事件。

最常见的散射事件是瑞利散射，即光子与分子弹性散射，且这些光子的能量在散射后不会改变。

然而，光子可以与分子发生非弹性散射，在这种情况下，散射后光子的能量减少相当于分子的一个振动或旋转能级——这被称为斯托克斯拉曼散射。此外，光子也可以与分子发生非弹性散射并获得能量，此时获得的能量相当于分子的一个振动或旋转能级。这被称为反斯托克斯散射。无论是斯托克斯散射还是反斯托克斯散射，效率都相对较低，大约只有10^-7的光子会发生非弹性散射。这些不同的过程如图14.13所示。

图14：拉曼光谱中的能量水平和散射事件。摘自参考文献13。

图15¹⁴显示了拉曼光谱仪的示意图。用光激发样品，产生的散射光通过滤波器降低瑞利散射的强度，然后进入光谱仪，在那里分散并由探测器收集和记录。

图15：拉曼光谱仪示意图。摘自参考文献14。

拉曼光谱中常用的单位是波数（cm^-1）。然而，拉曼光谱的独特之处在于，样品中振动或旋转跃迁对应的单位总是相对于激发源的能量，即瑞利线来报告。例如，假设在435.83纳米激发时观察到一个未知的拉曼带位于457.4纳米。根据公式：

其中h为普朗克常数，c为光速，λ为光波长，激发源的能量为：

而非弹性散射光的能量为：

这导致了1082 cm-1的能量，从而产生了在457.4 nm处的未知带：

拉曼信号基于散射事件，其强度与激发波长的四次方成反比，即1/λ⁴，因此使用较低波长的激发源可以增加拉曼信号的强度。

拉曼“光谱密度”，即在给定能量下，拉曼模式在波长空间中的相互接近程度，在很大程度上取决于激发源的波长以及所研究模式的光谱区域。

例如，考虑一个实验目标是使用拉曼光谱测量能量范围从0到4000 cm-1的分子振动和旋转。

如果选择262纳米作为激发源，则最高能量模式在4000 cm-1处会出现在292.7纳米，即比激发源红移~30纳米。

然而，如果选择785纳米作为激发源，则同一模式在4000 cm-1处会出现在1144纳米，红移接近360纳米。

这种光谱密度对激发波长的依赖性要求在设计拉曼实验时，应仔细考虑光谱仪的带宽和分辨率以及所用探测器的波长依赖量子效率。

拉曼光谱是一种高度特异性的非破坏性技术，这种特性可以用来以多种方式表征材料。

它可以用来识别未知化学物质，如图16.15所示的六氯苯。

图16：六氯苯的拉曼光谱。摘自参考文献15。

它还可以用作量化过渡金属二硫属化物（TMDC）型单层的化学成分的一种方法，如MoS₂和WS₂，通过测量Mo_1-xW_xS₂单层合金中Mo相对于W的摩尔分数，如图17.16所示。

图17：Mo_1-xWxS₂单层合金的拉曼光谱，随W与Mo摩尔分数的变化。摘自参考文献16。

多层纳米材料的增长也可以通过观察MoS₂中拉曼模式随层数变化的情况来监测，如图18.¹⁷所示。当材料中的层数从1增加到4时，拉曼光谱中会出现额外的模式，这些模式归因于材料中的呼吸和剪切模式。这些模式涉及多层之间的运动以及一层运动对另一层的影响。这种依赖于多层的运动仅在具有多个层次的样品中才可能出现，在单层拉曼光谱中并不存在。

图18：二硫化钼的拉曼光谱随层数的变化。随着层数的增加，更多的拉曼模式变得明显。摘自参考文献17。

 

分子结构的差异，如水和冰中的差异，也可以通过拉曼光谱来表征。尽管水和冰的化学组成相同，但图19.¹⁸显示，水的拉曼光谱中O-H伸缩带比冰宽得多，这反映了水中的OH基团可以自由探索更多的振动和旋转子空间，而在冰中则更为受限。

图19：水和冰的拉曼光谱，显示了液相与固相中OH伸缩模式线形的依赖性。摘自参考文献18。

拉曼光谱可用于测量材料中的应变和缺陷。图20比较了纯石墨与经过长时间球磨处理的石墨样品的拉曼光谱。¹⁹在石墨中观察到的二维带在24小时球磨后，其双峰轮廓被抑制并转化为单峰，“类似突起”的模式。

拉曼光谱特征的细微差异可用于区分非常相似的材料，如石墨烯和石墨。石墨烯是由原子以六角晶格纳米结构排列而成的一层单分子层，而石墨则由多层石墨烯堆叠而成。图20.²⁰展示了N掺杂石墨烯和高度取向热解石墨（HOPG）的拉曼光谱。N掺杂石墨烯中的二维带相对于石墨的二维带略有红移。此外，石墨中存在多个模式，导致其二维带的线形与石墨烯不同。这种差异是由于石墨中含有多层石墨烯。N掺杂石墨烯中观察到的D带被称为缺陷或无序带，归因于样品中的氮掺杂。

图20：(a)：N掺杂石墨烯（上）和高取向热解石墨（HOPG）（下）的拉曼光谱。(b)：N掺杂石墨烯和HOPG的二维能带放大图，显示了两种材料线形的差异。摘自参考文献20。

金属和半导体单壁碳纳米管（SWCNT）也可以通过拉曼光谱进行区分。图21顶部的曲线显示了金属SWCNT的拉曼光谱，而底部的曲线则展示了半导体SWCNT的拉曼光谱。²¹金属样品与半导体样品的G模式光谱展宽程度不同，用于区分两种类型的SWCNTs。

图21：金属（上）和半导体单壁碳纳米管（SWCNT）的拉曼光谱。拉曼光谱中的差异，如G带的展宽，可用于区分金属和半导体类型的样品。摘自参考文献21。

 

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原文链接：

https://andor.oxinst.com/learning/view/article/fundamentals-of-spectroscopy-history-explanations-and-applications

用于3D增强现实眼镜的波导全息技术——新研究

增强现实(AR)和虚拟现实(VR)向未来迈进的重要一步。META Reality Labs与首尔国立大学合作，使用Cobolt Samba 532 nm激光器，推出了突破性的紧凑型全息近眼显示概念。这个原型解决了当前技术面临的关键挑战，为用户提供了身临其境和舒适的视觉体验。

正如研究人员在《 Nature Communications》杂志上所讨论的，这一概念旨在克服诸如实现紧凑的外形因素、解决收敛性冲突以及通过大眼箱获得高分辨率等障碍。传统上，这些挑战一直是追求创造真正的3D全息增强现实眼镜的绊脚石。

这一进步的关键在于一种细致的方法来模拟相干光的相互作用和传播通过波导合成器。研究人员展示了他们利用位于输入耦合器侧的空间光调制器来控制输出波前的能力。该方法通过出瞳扩展波导组合器促进3D全息显示，提供了一个大尺寸，软件可操纵的眼箱。

此外，该方法还带来了额外的好处，包括通过抑制瞳孔复制过程引起的相位不连续而实现的分辨率增强能力。这些功能的结合使全息近眼显示概念成为下一代计算平台的有前途的候选者，并有可能影响AR和VR技术的未来。随着技术的不断进步，真正的3D全息增强现实眼镜的前景越来越接近现实。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44032-1

多光子显微镜用飞秒激光器

上海星谱科技有限公司校译   021-80102555     info@star-spectrum.com

多光子显微镜技术的突破            

 

多光子显微镜无需染料或标签即可进行3D高分辨率成像，彻底改变了生物成像。这项技术的一个重要方面是使用非常短的飞秒脉冲。这些脉冲的使用有几个优点，使多光子显微镜成为研究生物样品是有价值的工具。

1. 多光子显微镜使用飞秒脉冲减少了对样品的光损伤。短脉冲最大限度地减少了曝光时间，减少了在成像过程中发生的光损伤量。这在活体样本的研究中尤为重要，因为它允许研究人员在不影响样本活力的情况下获得高分辨率图像。

肺组织的多光子显微镜图像。阿姆斯特丹大学Groot Vrije教授有限公司

 

2. 使用飞秒脉冲提高了双光子荧光的效率。这些脉冲的高峰值功率增强了非线性相互作用，从而提高了荧光效率。这使得研究人员可以用更少的光子获得高分辨率的图像，减少了对高激光功率的需求，并最大限度地减少了光损伤。

 

3. 此外，飞秒脉冲在多光子显微镜中提供了改进的空间分辨率。脉冲持续时间短，峰值功率高，可实现3D高分辨率成像，使研究人员能够在细胞和亚细胞水平上研究样品。

 

超短脉冲持续时间的优势:低于50fs

由于多光子激发的效率很大程度上取决于脉冲期间入射光的峰值功率，因此脉冲越短，峰值功率越高，产生的多光子信号就越强。到目前为止，产生低于80fs极限的超短洁净脉冲的能力相对有限。

 

VALO fs激光系列提供了一种新的方法来克服这一限制，产生更短(低于50秒)和洁净的脉冲。图1显示了双光子和三光子效率与脉冲持续时间的关系[1,2]。多光子事件的效率与激光峰值功率呈非线性关系，对于两个和三个光子过程，相应的信号分别随入射光峰值功率的平方和立方而增加。例如，将脉冲持续时间从200秒减少到50秒，峰值功率增加4倍，双光子效率增加4倍，而三光子效率增加16倍。

图1:二光子和三光子效率与脉冲持续时间的关系

 

然而，为了在实验中应用这种关系，必须准确地确定样品中的脉冲持续时间。如果显微镜中的光学色散没有得到适当的补偿，脉冲将被拉伸，并且在样品上测量到较低的峰值功率。在这种情况下，脉冲持续时间与高次谐波产生效率之间的关系，无法通过实验精确验证。为了产生足够的非线性SHG和THG信号，在对样品温和的平均功率水平下实现所需的信噪比，必须使用低于50 fs的脉冲和色散预补偿。

 

图2a)显示了样品在VALO fs系列激光器的全带宽下，使用平均功率为4.7 mW的校准网格产生的三次谐波信号，产生~40 fs脉冲。在图2b)中，激光的光谱带宽被限制在10nm的FWHM，在1064 nm左右，产生~160 fs的脉冲。图2a)和图2b)的图像比例相同，但图2b)没有THG信号。只有将较长的~160 fs脉冲中的较低THG信号重新缩放后，才有可能获得高于实验噪声底限的图像，如图2c所示。在这种情况下，需要提高2.5倍的平均激光功率才能获得与更短的低于50 fs脉冲获得的THG信号相当的信噪比[3]。

图2:带有50微米正方形的校准网格(Ibidi)的三次谐波。a) 4.7 mW，全谱短脉冲(<50 fs);VALO系列)。b) 6 mW，激光光谱限制在10 nm带宽(~160 fs)。c)将6mw激光光谱限制在10 nm带宽(~160 fs)下的对比度放大。

 

总之，在多光子显微镜中使用极短飞秒脉冲有几个优点，包括减少光损伤，提高效率，提高空间分辨率，减少背景信号。特别是，超短的低于50秒的脉冲提供了相当高的脉冲峰值功率，这使最佳的信噪比图像只需低得多的平均功率，这反过来减少光漂白，并延长细胞活力。这些优点使多光子显微镜成为研究生物样品的一种有价值的工具，使研究人员能够获得高分辨率。

参考文献：

[1] Shuo Tang, Tatiana Krasieva, Zhongping Chen, Gabriel Tempea, Bruce Tromberg (2006), Effect of pulse duration on two-photon excited fluorescence and second harmonic generation in nonlinear optical microscopy, Journal of Biomedical Optics, 11(2).

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[3] White paper, Sub 50 femtosecond pulse lasers for gentler multiphoton microscopy, HÜBNER Photonics. In publication Feb 2023.

白光全息成像的终极激光器

Elizabeth Illy and Hans Bjelkhagen 翻译：杨兵兵 上海星谱科技有限公司  010-83503853 info@star-spectrum.com   1971年，丹尼斯·加博奖被授予丹尼斯·加博奖，以表彰他“发明和发展了全息方法”。这是因为他在20世纪40年代所做的工作，早在激光器被发明之前。自1960年激光发明以来，全息术作为一种记录方法，在后来的几年里作为一种艺术形式腾飞。尤其是在过去的5-10年里，随着低成本单纵模激光器的出现，新一代的感光乳胶和波长可选照明光源的应用。随着这三个因素的结合， “白光”全息摄影复苏，实现了从安全到存档的应用。

白光全息摄影

在单色全息摄影中，使用单一激光器来曝光物体并书写全息图。理想的情况下，使用单一的颜色来照亮全息图，以重新创建物体。在现实中，全息图往往被白炽灯光源曝光，通常使全息图不清晰，而且只有单一的颜色。相比之下，在白光全息摄影中，通常使用3种颜色（最多5种）为蓝色、绿色和红色。结合新的感光乳胶，以及波长定制的激光光源可以用来照亮全息图，以实现最大的清晰度和逼真的复制，白光全息摄影引起了大家强烈的兴趣。

图1：典型的白光全息设置

正如预期的那样，这种详细的复制品可以作为一种安全的方式记录高价值商品，因此在证券市场即银行和制药得到了应用。除了安全市场之外，文物存档的应用也是一个日益增长的领域。那些太古老而无法运输或太珍贵而不能离开博物馆的文物，现在可以用白光全息图重新制作，全息图也可以被“继续参观”。在这种情况下，一个便携式全息系统被带往现场进行复制记录。

图2：(L)希腊全息研究所开发的一个叫做ZZZZyclops的便携式全息系统，(R)用ZZZZpyclops记录的全息图。

全息激光器

激光器的性能特性对于写出清晰、高分辨率的白光全息图至关重要，这些性能特性包括：波长、相干长度和波长稳定性。根据希望复制的全息图有哪些颜色，来选择写入全息图需要哪些波长(457nm，473nm，蓝色532nm，绿色640nm，红色660nm)。平衡RGB中的输出功率可以获得更接近自然的颜色平衡，通常激光器功率使用50-100 mW。＞100m的相干长度意味着创建全息图没有困难(线宽＜1MHz)。最后，对于这种便携式系统，激光器的坚固和可靠是至关重要的。Cobolt的HTCure制造技术，，即使在最恶劣的条件下，激光器也可以确保工作数年。

图3：典型波长稳定性、功率稳定性和噪声性能(左) — Cobolt单频的激光器(右)。

“The Cobolt Twist and Samba have been proved an excellent choice for our mobile color holography camera. The lasers perform according to their published specifications. I never encountered an instance of mode hops even under, most important to our work, extremely diverse environmental conditions. It is also comforting to know that the remote tuning system of the lasers is available and fully functional if ever needed.”   Andreas Sarakinos Scientific Director and Head Holographer The Hellenic Institute of Holography   “Cobolt Twist和Samba已被证明是我们的便携彩色全息相机的绝佳选择。  激光器的性能根据他们公布的规格。 对于我们的工作来说，最重要的是，在多样化的环境条件下，我从未遇到过模式跳跃的情况。 令人欣慰地知道，如果需要的话，激光器可以远程系统调谐以充分发挥其功能。” Andreas Sarakinos 科学主任和首席全息学家 希腊全息研究所   结论 近年来，白光全息技术在安全和复制方面的应用重新引起了人们的兴趣。理想的激光光源应具有长相干长度、优异的波长稳定性和优异的鲁棒性，这些都是Cobolt04-01和05-01系列激光器的强项。   关于作者 Dr Elizabeth Illy, Cobolt AB, Stockholm, Sweden. Prof Hans Bjelkhagen, Hansolo Consulting Ltd, North Wales, UK.   原文链接 https://hubner-photonics.com/wp-content/uploads/2020/05/Apps-note-Ultimate-lasers-for-white-light-holography.pdf   全息激光器产品链接 ：https://www.star-spectrum.com/light-2/#1646648887152-4f1956c3-abc2

专用高功率激光组合器促进全息技术的进步

Proc. SPIE. 11710-12, Practical Holography XXXV: Displays, Materials, and Applications (6 March 2021)

翻译：上海星谱科技有限公司  010-83503853 info@star-spectrum.com

 

摘要

激光全息成长为商业市场，用于全息光学元件(HOEs)的生产，用于虚拟现实(VR)和增强现实(AR)设备中的图像投影，以及用于生成三维物体(如博物馆文物)的超逼真的全彩复制品的白光模拟全息图。这些快速发展的全息技术和基于全息技术的应用需要的光源要求：多个波长，同时在同一光路上稳定可靠。

商业化、极可靠的单频或单纵模(SLM)激光满足了全息拍摄的需求。这些激光在可见光谱中具有长相干长度、优异的波长稳定性和精度，以及稳定的高输出功率。然而多波长系统中所必需的光学对准和光束合束，在技术上是具有挑战性和耗时的。精细的组装和持续的维护会浪费宝贵的时间和资源。提高全息图和HOEs质量是我们所需的，从更基础的工作中转移出来，这便是目标，开发一种激光组合器，在曝光期间为每条激光线提供必要的性能，并具有强稳定性的对准光束，以及曝光之间的可重复性，这需要严格控制光机械组件设计和热处理。

本文评估了一种激光组合器的性能。该组合器可集成4条以上的激光线，激光的光功率可高达1.5 W，共线对齐，具有高精度的位置重叠、角重叠、光束指向稳定性和长时间的可重复性。该激光组合器包括激光源、控制电子器件和光束合束光学器件，并被设计为易于运输，提供了理想的激光合束解决方案，以促进全息技术的进步

关键词：全息照相，激光泵浦，激光合束器，二极管泵浦激光器

 

1. 引言

借助激光的相干特性，全息和干涉测量技术被用于全息光学元件(HOEs)的开发和生产，用于虚拟现实(VR)和增强现实(AR)设备的图像投影; 利用真彩全息技术制作珍贵文物的三维复制品，如光学克隆™ [1].

随着虚拟现实(VR)和增强现实(AR)中图像投影设备的市场发展，全息光学元件(HOE)受到越来越多的关注。HOEs的制造是利用可见光的干涉和衍射，将三维特征记录到全息材料中。光学元件包括透镜、反射镜、衍射光栅和其他光束整形光学元件。全息工艺为轻量、灵活的光学元件提供了无限可能。[２]

光学克隆™，被用来展示无价的艺术作品，例如Fabergé蛋。这些复制品变得如此逼真，使得艺术爱好者在欣赏世界各地的巡回展览的同时，也能小心翼翼地保存真正的文物。真彩色全息图是由3种或3种以上不同波长的激光光源组合而成的，这就是所谓的“白光”全息图。

商业生产复杂、高精度的HOEs和逼真的真彩全息图通常需要多个高功率激光光源。这些激光源必须提供完美的TEM00光束，足够优秀的波长和功率稳定性，长相干长度，必须能够适应环境条件 [3]。这种激光器在商业上是可行的，但是多光源的光学对准和光束路径管理困难且耗时。校准和组合激光光源的工作可能会分散人们对制作HOEs和全息图这一本来就很有挑战性的工作的注意力。为了使这些技术更加商业化，多色、共线性、高性能的激光组合器必须能够适应各种环境条件。一种专用的高功率激光组合器提供了经过验证的稳定性能，消除了这些困难，促进了HOEs制造工艺的开发和全息图曝光优化。

2. 全息激光

相干性是激光的基本特性，它使全息照相和干涉测量成为可能。然而，要曝光高分辨率、稳定、均匀的全息图，以及具有研究所需的精度和适应日益增长的商业应用的处理速度的全息透镜，还需要进一步的性能。决定激光光源是否适合全息应用的关键性能参数是功率、功率稳定性、空间和时间相干性、光束形状和质量、波长稳定性和光束指向稳定性。

现有的许多激光技术可以提供全息术所需的必要性能，包括频率转换光参量振荡器[4]，频率稳定二极管激光器[5]，光纤激光器[6]和二极管泵浦固体激光器[7]。本文将重点讨论集成控制电子器件并且性能可靠的小型二极管泵浦激光器(DPLs)，[3]特别适用于全息专用的激光组合器中。

二极管泵浦激光器(DPLs)拥有完美的TEM00光束，提供高的光输出功率，具有全息所需的单频性能和光谱稳定性。DPLs通常由一个泵浦二极管、一个固态增益介质和一个非线性光学元件组成。非线性频率转换，如二次谐波、和频和三次谐波产生，使得在整个可见范围内(从457 nm到660 nm)产生离散波长的相干光成为可能。然而，仅仅获得合适的波长是不够的。为了提供足够窄的频谱，腔内纵模模抑制元件只允许一个模式传播，从而产生稳定的单频、单纵模激光。

图1:用于全息的二极管泵浦固态激光器原理图(上)和模式抑制原理图(下)。 [3]

在达到必要的单频性能后，激光器必须采用可重复的、可控的制造过程。HTCure技术制造的所有Cobolt激光器具有极高的可靠性和稳固性。腔体组件和光束整形选项使用高温固化粘合剂固定在一个整体平台上，整个光学组件是密封的，以确保组件永久对齐和无污染。选择最高质量的组件，优化热-机械相容性，主动控制关键组件的温度，以及平台本身，进一步稳定腔。此外，优化过程控制和验证关键参数，确保激光器在预期寿命内将达到所需的性能。

3. 小体积且性能卓越的全息激光器性能测试

基于已建立的性能稳定性和制造重复性[3]，并努力最小化外形，Cobolt 05系列激光器的控制电子已完全集成到激光头。这些激光器被称为Cobolt 05-iE，由于它们不需要辅助设备，因此非常适合集成到激光组合器中。

图2:完全集成控制电子器件的Cobolt 05-iE激光器，用于OEM集成的电源和I/O连接或到CE/CDRH兼容的按键控制盒。

众所周知，改变封装方式会潜在地影响稳定性，特别热处理是一个关键因素。在集成到专用高功率激光合成器之前，必须对所有关键性能参数进行验证，并证明其在操作环境变化时的稳定性。本研究演示和表征了波长为457 nm、532 nm和640 nm的Cobolt 05-iE激光器的。波长是专门选择的，用于同轴白光全息术。全息生产的曝光时间和记录速度取决于照明的强度，这使得合适的激光输出功率成为全息生产过程中生产力的一个关键因素。根据波长的不同，所需的功率水平可以从几十毫瓦到瓦不等。通常情况下，激光波长越长(越红)，所需的功率就越大。

本研究中包括的所有激光器输出功率均大于300mW，并已通过所有标准出厂验收测试，包括功率稳定性、噪声、单纵模性能、光束直径和椭圆度。这里演示了在指定的环境温度范围内工作时的性能，使用温度控制底板，从20℃到45℃循环，以模拟10℃到35℃的环境温度。温度循环测量的结果旨在表明，在实验室环境和不那么严格的气候控制的制造地点，集成电子器件没有对预期性能产生负面影响。

3.1 功率稳定性

激光器的功率稳定性是许多应用的一个关键性能参数，因此需要在每一个激光器上都得到验证。在图3中，我们展示了1.5 W的Cobolt Samba 05-iE 532nm激光器的结果。激光是安装在TEC温控板上，当底板温度从20℃ – 45℃变化时，检测功率稳定性。前12小时,包含两个6小时周期，紧随其后的是一个附加的6小时温度循环(下图12-18小时)激光器的电源开关的时间为30分钟和10分钟。在整个温度范围内，包括在底板温度循环的同时ON – OFF循环的一段时间内，功率稳定性始终优于2%。

图3:Cobolt 05-iE温度循环下的功率稳定性，激光功率测量为深蓝色，底板温度为蓝绿色(左)，温控激光举例(右)

3.2 光束形状和质量

如上所述，激光的强度也必须与曝光时间一致。此外，强度在空间中也应该是均匀的，理想情况下是一个完美高斯分布的TEM 00光束，m² < 1.1，无论任何方向，直径都相等，椭圆度优于0.90:1。下图是在35°C的恒定底板温度下，用光束质量分析仪测量光束质量，用扫描狭缝光束轮廓仪测量光束形状。

图4:光束质量m² < 1.1(左)和近乎完美的高斯光束轮廓(右)。

3.3 波长准确性

为了验证波长精度，将集成到激光组合器中的激光器安装在一个温度控制的底板上，温度在20℃到50℃范围内循环时，用高精度波长计以500毫秒的测量间隔测量波长。如图5所示，本研究中使用的激光器，底板温度从20℃到50℃，457 nm激光器的波长变化< 2 pm，532 nm激光<1pm,640nm激光< 6pm。640 nm激光在温度循环中波长稳定性的表现并不体现在恒温下的波长稳定性上。在恒温条件下，三种激光器波长稳定性表现优良;均<1pm。

 

图5:集成到激光组合器前， 457 nm、532 nm和640 nm 的Cobolt 05-iE激光器波长稳定性

3.4 单纵模性能

相干长度是决定激光是否适合全息应用的一个重要因素。具有腔内纵模抑制元件的二极管泵浦固体激光器的实际线宽<<1 MHz，对应超过100米的相干长度。通过对SLM性能的验证，我们可以确保给定激光器的期望线宽和期望相干长度没有偏差。为了确保SLM性能足够强大，可以用于系统集成，激光器用扫描法布里-珀罗干涉仪测量，具有10 GHz的自由光谱范围，给出约67 MHz的分辨率(相当于约1.4 m的相干长度，取决于相干长度的计算方式)，同时安装在一个温度控制的基板上。下面我们看到一个典型的结果，显示出完美的单模性能，用绿色表示，在20℃到50℃的温度范围内，在额定功率周围，下面结果显示了532 nm 1.5 W激光发射情况。

图6:SLM扫描窗口显示了在整个环境温度范围内以及在标称工作功率周围的功率范围内的单频性能。

3.5 光束指向稳定性

激光器必须具有优良的光束指向稳定性，才能成为光束组合系统的候选产品。为了测量光束指向的稳定性，激光器被放置在一个温度控制的底板上，该底板上有一个距离出光孔径至少1米的相机。在20℃到50℃的温度周期内连续测量光束质心的位置，为消除温控底板弯曲和运动对激光束指向结果的影响，在温控底板上反射额外的一束光束，并在测量的激光束指向稳定性中减去反射光束的指向稳定性。下面是来自Cobol 05-iE激光器的典型结果，<10 µrad /℃.

图7:集成到激光组合器之前，Cobolt 05-iE激光器的光束指向稳定性。

4. 全息照相专用高功率激光组合器

多色或“白光”全息照相可能需要3种或更多不同的激光器。光学对准既麻烦又耗时。为了克服这个问题，激光组合器的开发为全息图和全息光学元件的制造提供了一个紧凑和易于使用的界面。上述商用激光器的稳定性使它们可以被整合为一束共线的激光线，以允许在全息拍摄时拥有最大的灵活性，同时保持曝光参数的严格控制。这三种激光器组合安装在一个金属底板上，底板上还放置了合束和进一步处理光束传输的附件，如声光调制器或电子快门。激光组合器分别由用于每个光束的垂直平移棱镜和光束转向镜组成。所有激光器组合的发射都从一个共同的出光口发出。集成在组合器中的激光器的电气接口和软件控制接口也被整合进激光组合器外壳上的系统接口中。所有需要的激光安全特性也在激光组合器系统层面上得以实现，因此，激光组合器可以被视为一台可以三(或更多不同)波长发射的激光器。

图8:C-FLEX激光组合器之一，含457 nm、532 nm和640 nm三种Cobolt 05-iE激光器，红色为可选声光调制器，安装在激光头和组合器光学元件之间，可独立用于衰减激光线，且不牺牲稳定性。［8］

光束重叠和位置稳定性对任何激光组合器都至关重要，全息专用的高功率激光组合器也不能例外。光束线是由三个或多个单独的激光光束组成的，它们被制成共线，以方便多色全息曝光的实验和生产，使用组合器的关键优势是用户不必在改变颜色时调整曝光位置。如上所述，激光性能是决定激光组合器是否适合全息应用的关键因素。激光组合器作为一个系统，其性能需要得到进一步控制，如光束位置重叠和角度重叠特性，在恒定的基板温度下光束指向的稳定性，以及在温度变化情况下光束指向的稳定性，这些都已经在C-FLEX上进行了评估，并将在下面的章节中进行讨论。

4.1 激光组合器内的激光性能

演示激光组合器随时间变化的极致波长稳定性对于全息应用特别有意义。激光组合器集成了输出功率为1.5W的532 nm激光器，激光组合器安装在25℃温控的面包板上，用高精度波长计连续测量6天。结果显示波长在6天周期内的不稳定性<1pm。

图9:集成到激光组合器后的Cobolt 05-iE激光器的波长稳定性

4.2 激光组合器的光束位置重叠和角度重叠特性

在制造过程中对激光光束位置重叠和光束角度重叠进行优化，以实现装运前的理想对准。激光组合器内部的双针孔设计，让基准光束从最远的位置通过出光孔径。然后在距孔径约10厘米和距出光孔径至少1米处测量每束光的质心位置。利用集成的光力学合束器，微调光束在孔径处的位置，使光束重叠优于50μm，光束角度重叠优于150μrad。

4.3 在恒定的底板温度下，光束指向的稳定性

为了显示光束在固定环境条件下的指向稳定性，激光组合器被安装在温控面包板上，在整个测量过程中温度恒定的25°C。在距离激光组合器出光孔径1米处用光束相机测量光束质心位置，光束位置的变化(以μm为单位)除以组合器到相机的距离(以m为单位)，为光束指向稳定性(以μrad为单位)。

在图10中，我们看到在16小时的测试中测量的光束指向稳定性，每束光的角偏都小于30 μrad。这相当于在1 m处目标质心束位置的位移小于30µm。值得注意的是，本研究中激光器光束直径700 μm，457 nm和532 nm发散全角1.2 mrad，640nm发散全角1.4 mrad。在距离激光组合器出光孔径1 m处，激光的光束直径在1.4 ~ 1.5 mm之间，指向稳定性在光束全角的2%以内。

图10:在底板恒温情况下，组合器中每束激光光束指向稳定性

4.4 不同底板温度下的光束指向稳定性

此外，还测量了激光组合器底板温度对光束位置和角度偏差的影响。将水冷面包板设定在20 ~ 45℃范围内的不同温度，测量该范围内，光束角随温度的变化。当底板温度从一个设定值阶跃到另一个设定值时，以连续的方式获得光束质心位置。激光组合器基板从20℃处开始，以初始光束位置为基准测量相对角偏差归一化结果。图11中的光束角偏差代表了各光束的角偏差与激光组合器底板温度的关系，而不是光束与光束角重叠的关系。

640 nm激光在离出光口最远的位置，显示出组合器最大的光束角偏差15.6 μrad/℃，这完全< 20 µrad/°C的标称值。与直觉相反，结果显示激光器在第二位置的光束角度偏差与温度相关性最小。这可能是由于激光本身极致的指向稳定性，或者是由于中心的底板比两边更小的温漂，还有待观察。

图11:不同底板温度下，激光组合器光束指向稳定性。640nm激光器离出光口最远。

5. 结论

通过在单一平台上集成三个高功率单频可见激光器，具有完美的TEM00光束和极稳定和可靠的光谱性能。精密对准共线“白光”激光组合器，能够满足全息领域日益增长的的重要性能要求。这种高功率激光组合器是可运输的，包括所有的激光控制电子器件，结合光学和通信枢纽在一个单一的外壳，提供理想的激光光源，促进全息技术的进步。

 

参考文献：

[1] Sarakinor, A., Lembessis, A., “Color Holography for the Documentation and Dissemination of Cultural

Heritage: OptoClones™ and Four Museums in Two Countries”, Journal of Imaging (15 June 2019)

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[3] McGovern, T., Rådmark, M., Elgcrona, G., Karlsson, H., “Ensuring reliable single-frequency laser performance

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[4] Hens, K., Sperling, J., Waasem, R., Gärtner, Elgcrona, G., “Widely tunable CW Optical Parametric

Oscillators:Mastering the challenges posed in quantum technology research,” Proceedings Volume 11269,

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[5] Hens, K., Sperlinga, J., Sherliker, B., Waasem, N., Ricks, A., Lewis, J., Elgcrona, G.,” Lasers for holographic

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Holography XXXIII: Displays, Materials, and Applications, 1094408 (1 March 2019)

[6] “Fiber lasers holography”. https://azurlight-systems.com/portfolio_page/fiber-lasers-holography/

[7] “DPSS-Lasers”. https://hubner-photonics.com

[8] “C-FLEX Laser Combiner”. https://hubner-photonics.com/products/lasers/laser-combiners/c-flex/

 

原文链接

https://hubner-photonics.com/wp-content/uploads/2021/09/11710-12-Facilitating-advancements-in-holographic-techniques-with-dedicated-high-power-laser-combiner_Ref.pdf

 

全息激光产品链接

 

全息激光器性能参数分析

作者：E.K. Illy*, H. Karlsson & G. Elgcrona. Cobolt AB, a part of HÜBNER Photonics, Vretenvägen 13, 17154, Stockholm, Sweden

翻译：上海星谱科技有限公司 010-80102555 info@star-spectrum.com上海市普陀区中江路388弄国盛中心2号楼1506室

摘要

目前人们对全息技术和全息光学元件(HOEs，holographic optical elements)的兴趣激增，与虚拟现实（VR，virtual reality）和增强现实（AR，augmented reality）应用有关，这导致对新的激光技术的要求增加，需要新的波长，更高的输出功率，在某些情况下，改良控制这些参数是重要的 。

无论是对于全息图的光学记录，还是图像显示器用HOEs的生产，光源通常固定在RGB波长中选择激光器(457nm, 473nm, 491 nm, 515 nm, 532 nm, 561 nm，640 nm, 660 nm)或者选择一个波长可调谐的光源(450 nm – 650 nm)或组合。在所有情况下，激光器需要有很长的相干长度(<10 m)，优秀的波长稳定性和精度以及非常好的功率稳定性。此外，由于全息技术和HOEs的新应用通常需要在工业环境中大量制造，因此对具有良好可靠性和长工作寿命的激光源的要求越来越高。

在本文中，我们介绍了使用高平均功率、单频(SF)或单纵模(SLM)激光器产生全息图和HOEs时应考虑的性能指标，以及能够提供这些性能指标的一些激光技术。

关键词:全息激光，SLM，激光性能，激光波长

 

1. 引言

1971年，诺贝尔奖授予了丹尼斯·加伯，以表彰他“发明和发展全息技术”。他因为在20世纪40年代所做的工作而获奖，那时候激光还未发明。自从1960年激光发明以来，全息摄影作为一种记录方法和一种3D图像显示艺术形式开始腾飞。后来，全息技术也被应用于防伪保护。在过去的五年中，更紧凑、成本更低的单纵模激光器(SLM)的出现，以及新一代敏感乳剂的发展和波长可选择的LED照明光源的出现，为全息技术开辟了新的应用领域。

例如，这些技术的改进为抬头显示以及虚拟现实(VR)和增强现实(AR)投影相关技术进入大批量消费市场铺平了道路。虽然全息图和HOEs的大批量复制已经以压印的形式在安防行业使用了几十年，但抬头显示需要比压印提供的分辨率更好的全息图。这就意味着激光很可能会被用来写入这种全息图，而这很可能会以激光打印机的形式来完成，类似于现在的3D打印机。

激光技术、乳剂和光源的发展也驱动了白光全息术的巨大进步，这为与物体的超逼真3D复制相关的全息术开辟了新的应用领域。

用于写入单色或多色全息图或HOEs的激光器的性能特性，无论是母版还是量产，都是至关重要的。

 

2.白光全息激光器

模拟全息是在2D全息干板上呈现物体的3D图像，通过记录相干光照射物体并将物体反射的光与来自同一相干光源的参考光束混合时发生的干涉图样来实现。全息图是物体的3D呈现，因为干涉图样包含反射光的相位信息。

在单色全息中，使用单个激光记录全息图。通过物体曝光，或者3D CAD文件记录。理想情况下，单色光源照亮全息图，以最高清晰度呈现物体的3D图像。但是在现实中，全息图往往是白光源照明，这通常导致图像呈现不清晰，而且只有一种颜色。

与之相反，在白光全息术中，通常使用3种(最多5种)颜色来书写全息图;蓝色，绿色和红色。定制波长的LEDs可以获得非常接近写入激光波长的光，结合新的敏感乳剂，被照亮的全息图可以达到最大的清晰度。白光全息术最近重新引起了人们的强烈兴趣，因为它被证明能够实现超逼真的3D复制。

到目前为止，写入全息图或HOEs的激光器最重要的性能要求是相干长度。从技术上讲，全息图可以被描述为光场的照片，包含光场的相位。为了记录光场的相位含量，光源需要是相干的。我们所说的相干是指所有光波在同步中传播，即它们具有相同的周期和相位，这种特性在真正的单纵模(SLM)或单频(SF)激光器中出现。光源的相干长度与发射光的光谱带宽(时间相干)和光束截面上相位波前的均匀性(空间相干)直接相关。产生干涉图样所需的光的相干距离由景深决定;景深越大，所需的相干长度就越长。一般来说，大于1m的相干长度就够了。

除了相干长度，还有其他一些重要的参数需要考虑。如:输出功率、波长精度、稳定性、可靠性。此外，还可以考虑激光是连续波还是脉冲。下表总结了这些性能特性如何影响全息图的质量。

激光性能参数	影响
相干长度	到目前为止，这是写全息图或HOEs时要考虑的最重要的性能特征。相干长度>1 m通常足以书写全息图。具有长(时间)相干长度(>100 m)的激光器的线宽小于1 MHz，被称为单纵模(SLM)或单频(SF)。
波长	对于白光全息图的书写，通常3-5个波长由可见光谱的蓝色(457nm, 473nm, 491 nm)，绿色(515 nm, 532 nm, 561 nm)和红色(640 nm, 660 nm)部分组合而成。可调谐激光可以用来突出一种特定的颜色，或调谐到精确的照明光谱。
输出功率&功率稳定性	典型的激光输出功率范围从大约十几mW的紫外光，到几W的红光。输出功率越高，全息图或HOEs的写入速度就越快。在考虑批量生产系统时，这一点很重要。良好的功率稳定性确保全息图的质量在相同的曝光时间内是可重复的。
波长精准性&波长稳定性	理想情况下，激光波长在不同激光器之间的变化很小(<±0.3 nm)，以确保全息图和HOEs保持其视觉质量。 此外，这个波长的稳定性在曝光和记录全息图期间必须保持非常固定，以不破坏分辨率。
光束质量	一个光滑的圆形轮廓(TEM00光束)意味着在曝光期间照明是均匀的，光源具有良好的空间相干性。
可靠性	在批量生产中，可靠性变得重要，因为所有的停机时间都要花钱。选择一个信誉良好的品牌，得到验证的可靠性。
连续或脉冲	这取决于写全息图所需的时间。连续波激光器的输出功率越大，所需的曝光时间越短。脉冲激光器可以在一定的脉冲长度内写入，但需要具有高脉冲能量的SLM激光器。

表1. 写入全息图激光的重要性能特性

3. 固体激光之与全息技术

写入全息图或HOEs，基本有5种激光技术可以满足长相干长度的要求。所有提供独特的波长，无论是固定还是可调，输出功率都是从十几mW到几W:

1.频率转换二极管泵浦的单频激光器SLM（DPL or DPSS lasers）（产品链接：04系列DPSS，05系列DPSS，08系列DPL）

频率转换二极管泵浦单纵模(SLM)激光器是一种易于获得的紧凑和廉价的选择，从紫外到近红外的固定波长和相干长度为一百多米。DPLs是固态激光器，比传统使用的气体激光器更高效，更紧凑，寿命更长。在可见范围内，大量的固定波长线在蓝-绿-红区域可用(457nm, 473nm, 491nm, 515 nm, 532 nm, 561 nm, 640 nm, 660 nm)与输出功率的规模为0.5W，根据乳剂和照明源灵活选择最优波长。这些激光器提供了固有的优秀的圆形TEM00光束(图1)，精确的波长和优良的波长稳定性(图2)。

图1：典型的DPL SLM激光器TEM00光束剖面（来自Cobolt AB）

图2：DPL SLM激光器的典型波长和功率稳定性（来自Cobolt AB）

2.波长可调谐的CW OPOs(产品链接：C-WAVE)

基于频率转换OPO技术的可调谐连续波单频激光光源，近年来成为一种可用于写入全息图和HOEs的长相干长度激光光源。

独特的设计意味着单个激光在450 – 650 nm范围内的任何波长(泵浦波长处有简并)可以获得，功率高达半瓦。

波长选择的灵活性，允许完全定制的写入波长，使全息图更难以复制，因此非常利于基于安全的应用。

波长的可调谐性还允许根据照明光源(如LEDs)的特定颜色来调整曝光波长，从而提高全息图或HOEs的质量。

另外，这种波长的灵活性可以作为补充的第4或5波长在RGB托盘的固定波长为创造最终复制白光全息图，即文物文档。这额外的第4或第5波长可以用来突出文物独特的颜色。

3.单频或稳频二极管激光器（产品链接：08系列NLD）

单频或稳频激光二极管提供了一种可选择的激光技术，可得到略有不同的波长。在这些激光器中，使用窄线宽反射的衍射光栅元件(如体布拉格光栅，VBG元件)与二极管激光发射器一起实现窄线宽发射(对应于较长的相干长度)，适合写入全息图或HOEs。这种激光解决方案的典型波长为405 nm、488nm、633 nm和785 nm，功率级别为100 mW。通过锁频多横模二极管激光器，也可以实现更高功率水平的窄线宽发射。通过放大窄线宽或单频二极管激光器，并将它们与频率转换相结合，就有可能达到可见光光谱中适合全息照相的其他波长。这种激光技术的一个优点是可以提供一定程度的波长可调谐性，典型范围是几到十几nm。

4.频率转换光纤激光器（产品链接：AZURLIGHT单频光纤激光器）

一般来说，高功率光纤激光器通常不是SLM或SF，但通过放大单频主振荡器，可以实现SF性能光纤激光器。光纤激光器和放大器通常掺杂Yb，其发射波长在1000-1100纳米之间。这种发射反过来可以被外部频率转换为可见光谱范围。典型的波长是488nm, 515 nm和532 nm，输出功率相当高，大约几瓦。其优点是，频率转换输出通常是从连接到激光器和驱动电子器件通过光纤，这种小型激光头散热低，不需要安装可能在全息图记录过程中引起干扰振动的风扇。

5.脉冲固体激光器（产品链接：Tor系列）

最后考虑了脉冲SLM激光器。第一个用于写入全息图的激光器是脉冲红宝石激光器。短脉冲(ms)的优点是全息图可以在很短的时间内写入，原则上可以捕捉到运动物体的瞬间。虽然在1960年激光发明后的几十年里，脉冲红宝石激光器被连续波激光器取代，成为写入全息图的首选光源，但能够在如此短的时间内写入全息图的优势不可忽视，特别是考虑到批量生产。用单ns – 百ns长脉冲写入全息图的可能性意味着可实时写入HOEs，从而实现量产。然而，根据定义，脉冲固体激光器不是典型的SLM，并且可能在脉冲能量较低的一端，使商业脉冲激光器的选择相当有限。尽管如此，结合感光乳剂薄膜，这可能是未来激光打印机和HOEs真正量产的一个考虑因素。

图3:使用RGB DPL激光器书写白光全息图一个例子。(来自Proff. Hans Bjelkhagen)

4.总结

固定波长或可调谐波长激光器，无论是二极管泵浦激光器、倍频opo激光器、稳频二极管激光器和变频光纤激光器，无论是工作在连续波还是脉冲，都可以用于写入全息图和全息光学元件(HOEs)。最重要的性能特征是较长的相干长度，此外，良好的功率稳定性，波长精度和稳定性，以及最重要的可靠性。

 

参考文献

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[2] Coboltlasers.com

[3] https://www.hubner-photonics.com/products/laser-technology/tunable-lasers/

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[5] http://azurlight-systems.com/applications/holography

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Ruby_laser

原文链接：https://hubner-photonics.com/wp-content/uploads/2020/05/Publication-E.K.-Illy-et-al.-Lasers-for-holographic-applications-ISDH-2018.pdf

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