バーニア分光法

バーニア分光法は、特に微量ガスに敏感なキャビティ増強レーザー吸収分光法の一種です。この方法では、高フィネス^[1]の光キャビティと組み合わせた周波数コムレーザーを使用して、非常に平行な方法で吸収スペクトルを生成します。この方法では、光共振器の有効光路長に対する増強効果により、非常に低濃度の微量ガスを検出することもできます。^[2]

バーニア分光法の動作原理を理解するには、周波数コムレーザーの理解が必要です。レーザー（または時間依存信号）の振動電場は、フーリエ級数を使用して周波数領域で正弦波信号の合計として表すことができます。コヒーレントな連続波（cw）レーザーの振動電場は、周波数領域表現では単一の狭いピークとして表されます。レーザーが振幅変調されて非常に短いパルスの安定した列を生成する場合（通常はモードロックによって）、同等の周波数領域表現は、レーザーの元の cw 周波数を中心とする一連の狭い周波数ピークになります。これらの周波数ピークは、時間領域パルスの周波数によって分離されます。これは、周波数コムの繰り返し率と呼ばれます。

吸収分光法の感度はテストサンプル内の光の経路長に依存するため、キャビティ増強分光法ではサンプルを複数回通過させて経路長を効果的に増やすことで高感度を実現します。バーニア分光法では、高精細キャビティを使用して大きな増強効果を生み出します。高精細光キャビティでは、鋭い共振状態も生成されます。この共振状態では、キャビティの自由スペクトル範囲の高調波と一致する周波数でキャビティに結合された光のみが建設的な干渉とキャビティの顕著な出力を生み出します。

光共振器からの出力が目に見えるようになるのは、周波数コムレーザーからの周波数ピークがキャビティの自由スペクトル範囲の高調波と一致するときだけです。バーニア分光法では、周波数コムの繰り返し率とキャビティの自由スペクトル範囲の比は N/(N-1) で、N は整数です。そのため、周波数コムの N ピークごとに、光キャビティの共振条件を満たし、キャビティとサンプルを伝搬します。これは、2 セットの共振がバーニア スケールを形成するように選択され、この手法の名前の由来となっています。これは、一般的な周波数コムの繰り返し率が無線周波数のオーダーであるため、個々の周波数成分を分解して検出することが困難になるため、不可欠です。N を大きくすると、共振器出力ピークの周波数分離が十分に大きくなり、単純な格子分光計で分解できるようになります。キャビティの長さが、通常は圧電アクチュエータによってわずかに変化すると、キャビティの自由スペクトル範囲も変化します。この変化する FSR により、スキャンが進むにつれて周波数コムとの新しい共鳴セットが生成され、周波​​数コムの「フィルタリングされた」ピークのセットが効果的にスキャンされます。

透過光の個々の周波数成分は、通常は回折格子である単純な分光計を使用して空間的に分離されます。サンプルを通過してキャビティから出る個々の周波数成分を高度に並行して測定するために、レーザー光のスペクトル範囲で動作できるCCDカメラが使用されます。回折格子の場合、周波数成分は 1 つの空間方向に分離され、CCD カメラに焦点が当てられます。CCD のもう 1 つの空間方向を利用するために、アクチュエータを使用してキャビティ長をスキャンすると同時に、光は CCD の垂直方向にスキャンされます。これにより、周波数コムと光キャビティ間のモード整合条件に対応するピークのグリッドが CCD 画像上に生成されます。

バーニア分光法のセットアップを簡単に実現するには、周波数コム、スキャン可能な高精細光学キャビティ、回折格子、回転ミラー、CCD カメラという 5 つの基本コンポーネントが必要です。測定対象のトレース ガスは、光学キャビティのミラー間に配置され、光路の拡張が可能になります。周波数コムは共振器に結合され、応答関数とバーニア比を形成するように作られています。キャビティの出力は回折格子で反射され、ビームの周波数成分の角度分離が行われます。回折されたビームは回転ミラーで反射され、CCD カメラに焦点が合わせられます。次に、3 つのことが同期して発生する必要があります。光学キャビティはキャビティの自由スペクトル範囲をスキャンし、同時に回転ミラーは回折格子の回折面に垂直な方向をスキャンします。これら 2 つの動作は、キャビティ スキャン (圧電アクチュエータによって実行) とミラーの回転 (ステッピング モーターによって制御) の両方を制御する周期ランプ電圧によって同期できます。 CCD カメラの露出時間もランプ電圧周期と同じに設定されている場合、結果として得られる CCD 画像は、ほぼガウスピークの 2 次元マトリックスになります。このようにして、ランプ電圧の周期でスペクトル全体が生成されます。スペクトルを取得するのにかかる時間は、キャビティスキャン時間、回転ミラー応答、およびカメラの最小露出時間によって制限されます。この特定のバーニア分光法スキームは、1 秒未満で数万のデータポイントを含む微量ガス (<1 ppmV) の吸収スペクトルを生成することができます。^[2]

バーニア分光法は、CCD 画像上に、ほぼガウス分布のピークのマトリックスである一種の 2 次元スペクトル パターンを生成します。各ガウス分布ピークの積分強度は、テスト ガスを透過した強度を示しますが、ピークの位置は、ピークの相対周波数に関する情報も提供します。テスト ガスによって透過された光の位相シフトに関する追加情報は、画像上に存在する個々のピークの形状から抽出できます。すべてのスペクトル情報は CCD によって生成された画像に含まれていますが、CCD 画像を従来の 1 次元スペクトルに変換するには、ある程度の画像処理が必要です^[3]