CN112424560B - 利用电磁场的消色差干涉叠加的干涉方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于利用双光束路径干涉仪进行电磁场的消色差干涉叠加的干涉仪装置，该干涉仪装置包括：分束器，该分束器被布置用于将输入光束分束成沿第一干涉仪臂(Al)传播的第一光束和沿第二干涉仪臂(A2)传播的第二光束，第一干涉仪臂包括至少一个偏转镜，第二干涉仪臂包括至少一个偏转镜，其中该第一干涉仪臂和第二干涉仪臂具有相同的光程长度；和合束器，该合束器被布置用于将第一光束和第二光束重新组合成相长输出和相消输出，其中分束器和合束器的反射表面被配置成使得与第二干涉仪臂相比，在第一干涉仪臂中提供光密介质处的一次附加菲涅耳反射，并且当第一光束和第二光束的电磁场的传播由合束器重新组合时，在两个干涉仪臂对相消输出的贡献之间导致与波长无关的相位差π，并且第一干涉仪臂包括被布置用于平衡第一干涉仪臂和第二干涉仪臂中的色散和菲涅耳损失的平衡透射元件。此外，还描述了干涉测量装置和干涉测量方法。

Description

利用电磁场的消色差干涉叠加的干涉方法
技术领域
本发明涉及干涉仪装置和具体利用双光束路径干涉仪进行电磁场的消色差干涉叠加的干涉方法。此外，本发明涉及干涉测量装置和利用干涉仪装置和干涉测量装置的干涉测量方法。本发明的应用例如可用于辐射-物质相互作用的研究领域，例如用于测量样品的光谱响应、电磁场的空间分布、以及测试光学部件。
背景技术
在本说明书中，参考以下说明了本发明的技术背景以及相关技术的现有技术，：
1.J.P.Dakin，H.O.Edwards和B.H.Weigel，传感器致动器(Sensors Actuators)B29，1(1995)。
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在传统光谱技术中，与被监视的过程相关联的信号表现为辐射源强度(或场)的变化。这对最小可检测信号施加了两个主要限制：第一，其量值是受多余源噪声控制的下限。第二，解决相对较大信号的小变化需要高动态范围检测。
在检测之前，对参考信号进行光学相减隔离了所寻求的信号变化，并且可减轻这两个限制。从技术上讲，这可由干涉仪臂实现，在该干涉仪臂中，光的传播通过被监视的过程精确地区分开[1]。理想地，在将两臂与相反相位组合的干涉仪端口中，只有(极小的)差别才能经受住相消干涉[2]。在这种情况下，多余源噪声对检测限制的影响主要被抑制到散粒噪声水平[3，4]。同时，通常比参考信号强几个数量级的信号取消放宽了检测器和数字化电子器件的动态范围要求[5，6]。因此，激发强度可远远超过检测器的饱和极限，从而提高了被检测的样品响应的振幅。由于不再需要对样本信号和参考信号进行顺序测量，因此减少了测量时间和系统误差[7，8]。除了这些优点之外，光学相减通过增加两个样品之间的微小差异的可见性方便了两个样品的直接对比。
为了适应宽带频域和时域光谱(定义为宽频带)的光学消噪，不得不解决超倍频程光谱的同时对消难题。消色差相移的若干个解决办法已在观测天文学领域被开发出来[10]，例如，一副镜面对称的潜望镜就可用于实现几何相移[11]，通过一个臂中的附加焦点引入的古伊相移可被采用[12]，并且一对直角菲涅耳菱形的工作原理和消色差的四分之一波片的工作原理类似13]。然而，所有这些概念要么在技术上很复杂，要么不适合超短脉冲应用。
Hayden等人[14]已提出了用于对液体样品光谱吸收和色散测量的光学消噪的干涉概念。然而，这种技术仅限于利用可调谐窄带激光器进行的测量，而不适用于超短脉冲的宽带测量。
发明目的
本发明的目的是提供使用电磁场的消色差干涉叠加并且能够避免常规技术的局限性和缺点的一种改进的干涉仪装置、一种改进的干涉方法、一种改进的干涉测量装置和/或改进的干涉测量方法。特别地，干涉技术能够对具有宽频频谱-特别是具有增强消光能力、灵敏度和/或SNR-的电磁场进行消色差干涉叠加，特别是进行相减和/或求和。
发明内容
这些目标是由包含独立权利要求的特征的装置和/或方法来解决的。本发明的有利实施例和应用在从属权利要求中被限定。
根据本发明的第一方面，上述目标通过一种干涉仪装置解决，该干涉仪装置被配置用于利用双光束路径干涉仪进行电磁场的消色差干涉叠加，该干涉仪装置包括分束器设备和合束器设备。该分束器设备(在下文：分束器，例如透明板)能够将输入光束分束成沿第一干涉仪臂传播的第一光束和沿第二干涉仪臂传播的第二光束，其中该第一干涉仪臂和第二干涉仪臂具有相同的光程长度。该合束器设备(在下文：合束器，例如透明板)能够将第一光束和第二光束重新组合成相长输出和相消输出。该相消输出(或：差分输出)表示沿第一干涉仪臂和第二干涉仪臂移动的电磁场的差异，并且相长输出(或：和数输出)表示沿第一干涉仪臂和第二干涉仪臂移动的电磁场的和数。第一干涉仪臂和第二干涉仪臂中的每一个包括至少一个偏转镜，从而将相应干涉仪臂的光束路径从分束器定向到合束器。
传播到分束器并且分束成第一光束和第二光束的输入光束、以及第一光束和第二光束中的每一个均被菲涅耳反射偏转。菲涅耳反射发生在光密介质或光疏介质的反射表面处。菲涅耳反射发生在未被涂层的表面处。利用光密介质的菲涅耳反射，电磁场穿过光疏介质(具有较低折射率的介质)如，气体例如空气或真空传播到光密介质(具有较高折射率的介质)如，反射发生所在的透明板。在这种情况下，反射场与入射场的相位差为π。相位差π对第一光束和第二光束的电磁辐射中包含的所有波长均有效。从光密介质的菲涅耳反射发生在例如分束器或合束器的外表面处或发生在偏转镜处。利用光疏介质的菲涅耳反射，电磁场穿过光密介质如，透明板传播到光疏介质如，反射发生所在的气体例如空气或真空。在这种情况下，反射场与入射场没有相位差。从光疏介质的菲涅耳反射发生在分束器或合束器的内表面处。
根据本发明，双光束路径干涉仪被配置成使得尤其是分束器和合束器的反射表面被布置成使得在相比于第二干涉仪臂的第一干涉仪臂中提供光密介质的一次附加菲涅耳反射。在两个干涉仪臂对相消端口的贡献中，在第一干涉仪臂中发生来自光密介质的另一次菲涅耳反射。因此，第一光束和第二光束的电磁场的传播导致两个干涉仪臂对相消端口的贡献之间存在与波长无关的相位差π。这与[14]形成了对比，在[14]中，分束和合束在涂层表面处实现，由于涂层阻止了第二表面的零相移反射，因此不能提供与波长无关的相位差π。
因此，换句话讲，分束器和合束器的反射表面被布置成使得由在第一干涉仪臂和第二干涉仪臂中传播的电磁场所经历的反射数和透射数在相消端口中平衡，其中第一光束和第二光束的电磁场的传播不同于第一干涉仪臂中的从光密介质的一次附加反射，并且导致两个干涉仪臂的贡献之间的与波长无关的相位差π。
当设置从光密介质的菲涅耳反射时，电磁辐射的反射在分束器和合束器的未被涂层的表面处发生。
此外，根据本发明，第一干涉仪臂包括被布置用于平衡第一干涉仪臂和第二干涉仪臂中的色散和菲涅耳损失的平衡透射元件。本发明的双光束路径干涉仪类似于马赫-曾德尔干涉仪，但由在第一干涉仪臂和第二个干涉仪臂中传播的电磁场经历的反射和透射的数量在相消端口被平衡，从而导致第二干涉仪臂中的第二光束穿过附加透明介质。有利的是，该平衡透射元件补偿了这些附加透明介质的影响。优选地，该平衡透射元件包括透明板。优选地，该平衡透射元件在任何测量期间均不移动，即在整个测量过程中均具有固定的位置和取向。
该电磁场包括波长在UV、VIS和/或IR范围内的光，或波长可最多至100pm的其他波长范围内的辐射。该电磁场具有宽带频谱，跨越的频率间隔为至少1％的一个倍频程到一个倍频程或更多-如多个倍频程，例如多达3、4或5个倍频程)的。该电磁场可包括具有相干长度高于第一干涉仪臂和第二干涉仪臂的光程长度的脉冲激光或热辐射。
有利的是，提供了一种类似于马赫-曾德尔的干涉仪，该干涉仪具有前所未有的带宽组合(例如，950nm-2100nm)和强度抑制(4×10-4)。与用于直接观测太阳系外行星[9]的更为复杂的方法相比，消色差消噪的发明构思仅依赖于光疏介质与光密介质之间的边界的菲涅耳反射的结合，并且反之亦然。在差动分子指纹的实际测试中，发明人将分子样本对脉冲x(1)激励的共振响应从瞬时响应中分离出来，从而携带可忽略不计的指纹信息。在一个干涉仪臂中具有甲烷气体样本，发明人从宽带脉冲激励中空间隔离相干分子振动发射。这使得检测灵敏度很大程度上不受源强度波动的影响，从而与直接透射几何形状相比，可检测到的浓度提高了两个数量级。这种新概念将有益于需要高检测灵敏度和包括时域和频域的光谱动态范围的传感应用。
通过延迟一个光束相对于另一光束的相位，可在两个干涉仪臂之间实现相移。所获得的相移为：
其中，Δl为光程长度差，并且λ为波长。对于宽带相消干涉，在干涉电磁场之间提供了与波长无关的相移π。如公式(1)示出的，然而，由共同延迟引起的相移总是与波长相关。相反，本发明使用与波长无关的相移。
根据本发明的第二方面，上面的目的由干涉测量装置解决，该干涉测量装置包括根据本发明的第一方面的干涉仪装置、被布置用于形成输入光束的辐射源和被布置用于检测相消输出的第一检测设备。该辐射源可包括具有相干长度高于第一干涉仪臂和第二干涉仪臂的光程长度的脉冲激光器或热辐射源，例如与用于增加相干长度的空间滤波器相结合的热源。
根据发明的第三方面，上面的目的由利用根据本发明的第一方面的干涉仪装置和/或本发明的第二方面的干涉测量装置的干涉测量方法解决，该方法包括步骤：在第一干涉仪臂和第二干涉仪臂中的一个中布置待研究的样品，在第一干涉仪臂和第二干涉仪臂中的另一个中布置参考样品，形成输入光束并对样品和参考样品进行辐射，以及感测合束器的相长输出和相消输出中的至少一个。该干涉测量方法可包括对第一光束和第二光束的电磁场进行消色差干涉相减，和/或对第一光束和第二光束的电磁场进行消色差干涉求和。
本发明的干涉测量方法可包括任何辐射-物质相互作用，例如线性相互作用或非线性相互作用。具体地说，该干涉测量方法可包括吸收(或透射)测量、感测吸收辐射后的共振缓解、研究光学部件的反射率或部件的几何形状。该样品可被布置在用于透射测量或反射测量的干涉仪中(在这种情况下，附加偏转镜用于折叠干涉仪臂)。该样品可被布置在容器中，例如室，或者也可不用容器。参考样品包括与样品相似的主体，但不含待研究成分。
优选地，分束器和合束器具有厚度，该厚度提供在其第一和第二表面处反射的光束的位移，使得部分光束能够在空间上分离。因此，根据本发明的优选实施例，布置至少一个空间滤波器用于抑制不具有相反相位的第一干涉仪臂和第二干涉仪臂中的至少一个中的电磁场。根据分束器和合束器的光束尺寸、入射角和折射率，选择允许光束从分束器和合束器的第一表面和第二表面反射回来的空间分离的厚度。例如，分束器和合束器的厚度为至少0.1mm，特别优选为至少3mm和/或最多为10mm，特别优选为最多为5mm。
优选地，分束器和合束器是由例如硒化锌、化学气相沉积金刚石、硼硅酸盐冠玻璃、紫外线级熔融石英和高电阻率浮区硅制成的平面透明板。
另选地或除此之外，至少一个防反射涂层被布置在分束器和合束器的反射面中的至少一个反射面上，而其不用于菲涅耳反射，这也从而允许对第一干涉仪臂和第二干涉仪臂中的至少一个中的电磁场进行抑制。
根据本发明的优选实施例，在分束器处提供来自光密介质的附加菲涅耳反射。
根据本发明的另一有利实施例，在合束器处提供来自光密介质的附加菲涅耳反射。
根据本发明的进一步的优选实施例，稳定性装置被布置用于控制干涉仪，使得两个臂具有例如通过控制光程长度、镜子位置和镜子取向中的至少一个而由与样品的相互作用引起的相同效应。稳定性装置作用于至少一个光学部件，特别是干涉仪的偏转镜。有利的是，稳定性装置有利于本发明的装置的长期稳定运行。优选地，该稳定性装置包括与该相长输出耦合的反馈回路控件。
根据本发明的进一步的优选实施例，如果将双光束路径干涉仪布置在真空环境中，则光束在干涉仪臂内传播的畸变，例如通过空气或其他气体传播的畸变可被抑制。
根据本发明的进一步的有利实施例，第一干涉仪臂和第二干涉仪臂可配置有多个偏转镜，使得它们在空间中彼此交叉。干涉仪中的光束折叠的优势在于在样品辐照位置处使第一干涉仪臂和第二干涉仪臂的距离减小，使得一个单一的测量主体(例如包括样品的一个常见的样品容器)将被测量，并且在不同的隔间中的参考样品可被布置在用于第一光束和第二光束的同时传播的样品辐照位置处。
根据本发明的进一步的优选实施例，至少一个相位设置元件可被布置在输入光束、相消输出和相长输出中的至少一个中。相位设置元件可包括例如一个或多个啁啾镜或附加色散材料。相位设置元件允许在样品的辐照位置处压缩输入光束的脉冲和/或(在例如用于最小化半宽度或用于在脉冲的末端处提供快速强度降低的脉冲的)检测器设备处对时间脉冲波形进行成形。另选地或除此之外，成像光学器件被布置用于在第一干涉仪臂和第二干涉仪臂上中对电磁场的横向轮廓进行成形。优选地，成像光学器件被布置用于对输入光束、相消输出和相长输出中的至少一个的电磁场的横向轮廓进行成形。特别优选的，成像光学器件被布置用于将输入光束聚焦到干涉仪中，例如聚焦到样品的辐照位置。有利的是，这可增加辐射与物质的待研究的非线性相互作用的局部强度和幅度。
根据本发明的干涉测量装置的优选实施例，第二检测设备可被布置用于检测相长输出。有利的是，第二检测设备可与稳定性装置组合，用于稳定干涉仪。
附图说明
下面参照附图描述本发明的进一步的优点和细节其中：
图1-4为本发明的干涉仪装置和/或本发明的干涉仪测量装置的实施例；图5为本发明的干涉仪测量装置的实施例；以及
图6-8为利用图5的设置得到的实验结果的例示。
具体实施方式
图1示出了本发明的干涉仪装置100的实施例，该干涉仪装置100包括宽带激光源101、辅助激光器102、线栅偏振器103、偏转镜104、透明板105、空间滤波器106，补偿板(平衡透射元件)107、四分之一的波片108、偏振分束器109、平衡检测器110、用于使偏转镜104移位的压电换能器111以及锁定电子器件112。113为用于检测合束器105的相消输出的检测器设备，如光谱仪或用于时间分辨光谱法的设备。图2示出了图1的干涉仪装置100中的光路的细节，其中201为分束器105的第一反射，201a为分束器105的第二反射，202为分束器105的透射，202a分束器105的第三反射，并且202b为合束器105的第一反射。由于对反射的选择，特别是合束器105的第一反射201和合束器105的第二反射，在相消输出中引入来自干涉仪臂Al和A2的贡献之间的相位差π。利用空间滤波器106，在分束器和合束器105处的其他反射被阻挡。干涉仪装置100的操作的进一步的细节参照图5进行描述。
图3示出了与图1和图2的实施例相比的具有光学部件的镜像布置的本发明的干涉仪装置100的另选实施例。部件104、105、106、107、111和113是指代图1中的相同部分。气相室GC被示意性地例示，以用于示出干涉测量装置的配置。
图4示出了具有交叉干涉仪臂Al和A2的本发明的干涉仪装置100的另一个另选实施例。部件104、105、106、107和111是指代图1中的相同部分。401为具有两个隔室的样品室。
图5a示出了类似于马赫-曾德尔的干涉仪：进入干涉仪的光在分束器的第一表面处被部分反射和部分透射。反射部分穿过补偿板(平衡透射元件)并且被部分反射出合束器的第一表面。透射部分被部分反射出合束器的第二表面。干涉仪的相消端口(提供相消输出)被发送到诊断设备(检测器设备)，而相长端口(提供相长输出)被用于进行稳定，例如从辅助激光器(连续激光器)产生错误信号。通过干涉仪，例如由铒光纤振荡器产生的11-fs脉冲传播范围为950nm至2100nm。BP：带通滤波器，FWHM＝12nm至1550nm；PBS：偏振分束器；LP：950nm长通滤波器。图5b示出了干涉仪臂1中的光束轮廓，并且图5c示出了干涉仪臂2中的光束轮廓。
利用进一步的细节，实验设置的草图绘制在5a中。除了两个必要的变化之外，该设置相当于马赫-曾德尔干涉仪。在后者中，干涉仪臂之间的消色差相位差π是由光波从边界反射到具有低折射率的介质时不发生相变的基本性质造成的。然而，光传播到传统马赫-曾德尔干涉仪的相消端口时，在一个干涉仪臂中被反射三次，并且在另一个干涉仪臂上被透射两次且被反射一次。对于宽带辐射，折射率的变化会导致不完全抵消。发明人通过在每个臂上相消地组合相同数量的反射和透射避免了常规马赫-曾德尔干涉仪的这个缺点。在臂2中的所产生的附加材料通道通过增加厚度为臂1中的合束器的两倍的窗口(平衡透射元件)来补偿。在图5a中的干涉仪的上部输出中，干涉光具有相反相位，这是由于光从臂2中的分束器的第一表面和臂1中的合束器的第二表面反射回来。图5b和5c分别示出了在相消端口中记录的臂1和臂2在另一臂被阻塞时并且在空间滤波之后的光束剖面图。
干涉仪采用3mm厚的硼硅酸盐冠平面玻璃(N-BK7)窗口，以用于进行分束和合束。基板厚度和材料被选择以在第一表面和第二表面的反射之间提供合理的空间分隔，以用于对不需要的多重反射进行空间滤波。窗口的入射角为60°，从而提供接近20:80的最佳分束比的s偏振光的约为18％的反射率，从而使进入相消端口的功率最大化。由于干涉仪的镜面对称性，入射光的小的光束指向波动不会影响消光。
为了稳定光程差(OPD)，臂1的长度是通过作用于压电换能器(PZT)的反馈回路来控制的。错误信号[15]是使用辅助激光器产生的，该辅助激光器精确地遵循主激光器的具有光束高度偏移的光束路径。辅助激光器的输入偏振与相对于传播平面旋转45°呈线性，使得两臂在臂1透射两次并且臂2反射两次的相长端口上均获得偏振变化。
测试实验是利用56兆赫下运行的商用铒光纤振荡器产生的超倍频程光谱进行的。在高度非线性光纤(HNF)(详细信息见[16])中，来自振荡器的90-fs脉冲被光谱展宽并暂时压缩为11-fs脉冲，从而跨越平均功率为175mW的950nm和2100nm之间的光谱。
除了等臂长度外，干涉仪内的光学部件的对准对消色差消噪也是至关重要的。理想情况下，所有光学部件应彼此平行，并且基板厚度应匹配，以最小化光束指向、强度和色散不平衡和次优空间重叠的影响。
图6a示出了干涉仪中的两种不同光学元件在错位情况下的1550nm和10pm中心波长处的消光比的模拟减小情况。图6b示出了对于不同的输入脉冲持续时间，取决于与分束器和合束器的基板厚度的不同的消光比的模拟减小。阴影区：由制造商指定的典型厚度公差。
根据更多细节，图6a示出了重新组合后的角度错位对两个臂的空间重叠的可计算的影响，这直接转化为消光比的退化。根据发明人的计算，任何光学元件的错位对消光比均有同样的定量影响。所示数值对应于30cm的实验臂长。臂长越长，对准灵敏度越高。仅考虑空间重叠，利用市售机动运动支架的精度(1μrad)，可实现中心波长为1550nm时的消光比为6×10-6，中心波长为10pm时的消光比为6×10-7。由于基板厚度精度的限制，消光比还受到色散效应的影响。图6b示出了随着脉冲持续时间的增加，基板厚度失配的影响减小。橙色阴影区对应于通常由制造商指定的厚度公差。如果考虑厚度不匹配的最坏组合(臂2和臂1之间的0.9mm)，10-fs输入脉冲的消光比被限制为2×10-4。
图7a示出了当PZT光程差扫描过零点时，利用光电二极管测量消光比。黄色阴影区：采用中性密度滤波器。图7b示出了利用光电二极管测量的用于自由运行干涉仪和通过错误信号锁定干涉仪的消光比。插图示出了光谱分析仪的频率分辨信号和本底噪声。图7c示出了光谱分辨的相长干涉和相消干涉。相消干涉谱的定频调制与分束器/合束器的厚度相对应，并且可利用一个或多个基板中多次反射的不完全空间滤波来解释。虚线曲线示出了上下光谱之间的通过40nm步长积分计算出来的消光比。
在测试中，干涉仪的性能是在相消端口处利用光电二极管(PD)记录信号，同时对PZT施加锯齿电压以扫描OPD过零。远非OPD＝0，校准过的中性密度滤波器被应用以确保PD的线性响应。为了将被测电压转换为消光比，必须计算相长干涉电压。理想情况下，E1和E2的干涉场是相同的，并且以下成立：
Icon＝|E1+E2|2＝|2E1|2＝4I1； (2)
其中Icon为理想相长干涉的强度并且I1为单臂的强度。
发明人测量了与一个臂的强度相对应的电压，并将相消干涉期间的所记录的信号除以这个值的4倍。图7a示出了最终的消光比和PZT电压。消光比最小达到4.2×10-4。考虑到人工对准精度有限，此值与计算值吻合较好。值得注意的是，宽带相长干涉不能在被设计用于相消干涉的端口中达到，因为OPD的修改将导致两个干涉仪臂之间的波长依赖相位差。这解释了为什么PD信号的最大值小于1。图7b示出了干涉仪的相消端口处的锁定和自由运行PD信号在30秒时间尺度下的比较。在锁定状态下，消光比的均方根(RMS)值为6.1×10-4。扫描和锁定消光比之间的差异很可能是由干涉仪的两臂的不同的空气波动引起的。图7b的插图示出了相消端口在锁定状态和自由运行状态下最高至50kHz的频率分辨波动。高于50kHz的两个信号均达到射频(RF)分析仪的噪声水平。50Hz的共同峰值可归因于电源频率，而30Hz的共同峰值是来自测量设备的人为因素。稳定性方案将所有波动降低到射频分析仪的噪声水平，最高至几个kHz。锁定不能完全消除30kHz的重要特征。
为了研究消光的波长依赖性，将稳定的信号聚焦到连接到光谱分析仪(OSA)的单模光纤上。在图7c中，描绘了相消干涉和理想相长干涉的功率谱密度(PSD)(后者的PSD被定义为单臂的PSD的4倍)。波长分辨消光比的计算方法是对PSD进行40nm步长的积分，并用相长PSD除以相消PSD。这种积分避免了由于OSA频谱分辨率不足而导致的两个信号中的调制不一致引起的极值。6.2×10-4的光谱分辨消光比的RMS值与利用PD测定的光谱积分消光比的均方根值有很好的一致性。对于这种消光比和一个臂中的3.5mW的平均功率，计算出的2×10-4mW的散粒噪声功率比相消端口的功率低40倍。
图8a示出了225mbar甲烷的辐射源的光谱覆盖范围内的甲烷共振。在差分信号中，甲烷分子的共振响应表现为相干发射。虚黑线：基于PNNL数据库的光谱吸光度所计算的参考曲线。图8b示出了利用阻塞的参考臂测量的用于降低甲烷压力的三种主要共振。外部阴影区：以平均值为中心的15个参考测量值的标准偏差。内部阴影区：在将干涉仪输出连接到OSA的单模光纤的输出端处测量到的集成绝对强度噪声。虚黑线：使用PNNL数据计算的LOD。图8c示出了通过对样品和参考臂进行相消干涉来测量的用于降低甲烷压力的相同共振。外部阴影区：以平均值为中心的15个无甲烷的相消干涉的参考测量的标准偏差。内部阴影区：根据消光比减小的集成绝对强度。虚黑线：使用PNNL数据计算的LOD。
为了证明宽带干涉消噪用于提高宽带光谱学灵敏度的潜力，发明人进行了甲烷吸收光谱学。为此，发明人将相同的气相室GC放置到干涉仪的每个臂中。密闭细胞GC由包围8cm长的光束路径的两个1mm的熔融石英窗口构成。气相室GC(样品)中的一个气相室(样品)被甲烷填充；另一个气相室(参考样品)被环境空气填充并且作为参考。
本发明并不局限于这种室的布置方式。一般来说，可提供其他样品容器或其他样品，例如待研究的工件或类似的光学部件，以用于分析辐射-物质相互作用或根据辐射-物质相互作用对样品进行表征。
图8a示出了在样品室内的225mbar的甲烷的干涉配置下测量的我们的光源的光谱覆盖范围内的甲烷[17]的2ν3振动泛频带的谐振。当最多一小部分能量被转移到分子振动时，甲烷样品的瞬时响应与激励相同，并且因此会破坏参考臂中的激励脉冲。因此，在不同端口中的信号主要包含从甲烷分子[18]发出的孤立的共振响应。作为对比，图8a示出了基于来自美国太平洋西北国家实验室(PNNL)数据库的与实测数据一致性较好的光谱吸光度的参考曲线。来自PNNL数据库的十进制吸光度被转换为Io(λ)(1-T(λ))，其中I0(λ)为参考臂中包含的强度，并且T(λ)为样品的透射率。形式上，该表达式对应于被测量的差分信号。
为了确定检测极限，在1642nm和1650nm之间观察到用于降低甲烷浓度的3个主要的甲烷共振。图8b示出了直接透射几何形状的结果，其中参考臂被阻塞。在这里，瞬时和相移谐振样本响应的干涉表现为在共振频率处的PSD的耗尽(经典光谱学中的“吸收”)。图8c示出了干涉配置的结果。分子响应在这里表现为共振频率的相干辐射在空间上的孤立发射。比较两种配置的峰高可发现，几乎所有吸收的辐射均以相干辐射的形式被分子重新发射。所测量的线形状与Voigt轮廓的偏差(在这些实验条件下所预期的)可由OSA的有限分辨率来解释。
为了确定两种情况下的检测极限(LOD)，发明人检查了每种配置下的限制灵敏度的因素。通过计算不含甲烷的15个参考测量的标准偏差，发明人分别估计了单个测量的测量不确定度。将这些值作为LOD的下限，发明人分别确定了直接透射几何形状和干涉配置的3mbar和0.04mbar的值。通过实验确定的值分别为5mbar和0.5mbar，因为在这种情况下，LOD以控制甲烷压力的有限精度为下限。
为了描述观测到的波动的来源，发明人测量了光纤连接到OSA之前和之后的激光器的相对强度噪声(RIN)。测量结果显示，从1Hz到1MHz的范围内集成的光纤前的RIN RMS值为0.25％，并且光纤后的RIN RMS值为0.79％。光纤后的增加值可用在光纤耦合时光束指向波动转化为光强波动来解释。图8b示出了在直接透射几何形状中，强度波动为噪声的主要来源。在干涉配置中，RIN减少了两倍的消光比，这导致干涉仪波动作为主要噪声源的优势。
总之，发明人示出了干涉深度消噪和宽带宽与马赫-曾德尔干涉仪的前所未有的组合。发明人演示了吸收光谱的灵敏度提高两个数量级，这是由于过度强度噪声的强烈抑制限制了最小可检测浓度。未来，LOD可通过优化光学器件的质量(表面、平行度、厚度)，利用高精度、机动、运动学的支架进行校准，并在真空中操作系统以避免空气波动，从而达到散粒噪声极限。
本发明的测试演示了新概念在广泛的各种应用中的适用性。吸收光谱法可直接受益于灵敏度的提高。例如，与频率梳光谱学[19，20]的组合实现灵敏度和光谱分辨率的前所未有的结合。另一个示例是与时间分辨检测的组合[21，22，23，24]，通过将后者从脉冲激励中时空分离出来实现完全无背景的分子指纹检测。
在下文中，对本发明的配置的可作为单个发明特征或以任何组合实现的一般设计考虑进行总结。
-干涉仪使用平面的3mm厚的NBK7窗口以用于分束和合束(图5(a))
-基板的厚度和材料被选择为对s偏振输入光束具有约20％的反射率和60°的入射角(AOI)，以及在第一和第二表面的反射之间具有合理的空间分隔，以用于对不想要的反射进行空间过滤
-来源为例如以1550nm为中心的重复率为56MHz、平均功率为300mW的商用铒光纤振荡器
-商用激光器系统的输出在高度非线性光纤(详情请参阅[28])中被压缩到从950nm到2100nm的11fs脉冲范围内
-进入干涉仪上端口的光被臂1中的分束器的第一表面和臂2中的合束器的第二表面反射回来
-臂1中的光穿过6mm厚的NBK7窗口，以补偿由于臂2中的第二个表面的反射而产生的附加材料通道
-由于在臂1中从分束器的反射发生在光疏材料(空气)到光密材料(NBK7)之间的边界处，并且导致相变π，因此，在干涉仪的上端口，来自臂2和臂1的光进行相消干涉
-而在臂2中，从合束器的反射发生在光密材料(NBK7)到光疏材料(空气)之间的边界处，并且不会导致相变
-由于在臂2中光被透射两次，并且在臂1中光分别被分束器和合束器的第一个表面反射，因此，在干涉仪的下端，来自臂2和臂1的光进行相长干涉
两臂之间的相位差为2π
-相应反射在每个窗口后利用垂直刀片进行空间滤波，以避免标准具效应
-只有在两臂具有相同光程长度的情况下干涉仪才示出宽带干涉
-这经由利用压电换能器(PZT)控制臂1的长度的主动反馈回路来确保
-反馈回路的[29]错误信号是由独立的辅助激光器(连续激光器，20mW，1550nm)产生的，该辅助激光器完全遵循具有偏移的光束高度的铒振荡器的光束路径
-辅助激光器的输入偏振度为45°，使得在臂2中的两次透射和臂1中的两次反射后，两臂在相长端口中均具有不同的偏振
-除了等臂长度外，干涉仪内的光学部件的对准对宽带干涉也至关重要
-理想情况下，干涉仪的所有光学部件应相互平行
-这保证相消端口中的两臂的强度是平衡的，并且色散效果是相同的，这是因为所有NBK7窗口的AOI是相等的
-如果所有光学部件为平行的，则由于光束指向不稳定引起的波动也会被最小化，这是因为两臂中的光束路径是完全镜像的，并且两臂的空间重叠不受影响。
上述描述中公开的本发明的特征、附图和权利要求书在其各种实施例中，单独或者组合或子组合来实现本发明具有重要意义。本发明并不限于上述优选实施例。多种变体和衍生品也可能使用本发明的概念，并且因此属于保护范围。此外，本发明还要求保护独立于从属权利要求所引用的特征和权利要求的从属权利要求的主题和特征。

Claims (16)

1.一种干涉仪装置，所述干涉仪装置被配置用于利用双光束路径干涉仪进行的电磁场的消色差干涉叠加，并且适配成用于基于辐射-物质相互作用来表征样品的测量，所述干涉仪装置包括：
分束器，所述分束器被布置用于将输入光束分束成沿第一干涉仪臂(Al)传播的第一光束和沿第二干涉仪臂(A2)传播的第二光束，所述第一干涉仪臂包括至少一个偏转镜，所述第二干涉仪臂包括至少一个偏转镜，其中所述第一干涉仪臂和所述第二干涉仪臂具有相同的光程长度，和
合束器，所述合束器被布置用于将所述第一光束和所述第二光束重新组合成相长输出和相消输出，其中
所述分束器和所述合束器的反射表面被配置成使得与所述第二干涉仪臂相比，在所述第一干涉仪臂中设置光密介质处的一次附加菲涅耳反射，并且当所述第一光束和所述第二光束的电磁场的传播由合束器重新组合时，在所述两个干涉仪臂对所述相消输出的贡献之间导致与波长无关的相位差π，
所述第一干涉仪臂包括被布置用于平衡所述第一干涉仪臂和所述第二干涉仪臂中的色散和菲涅耳损失的平衡透射元件；并且
所述第一干涉仪臂和所述第二干涉仪臂中的一个被适配成在其中布置所述样品，且所述第一干涉仪臂和所述第二干涉仪臂中的另一个被适配成在其中布置参考样品，所述参考样品不同于待表征的样品，
所述平衡透射元件被适配成在整个测量过程中均具有固定的位置和取向。
2.根据权利要求1所述的干涉仪装置，还包括：
至少一个空间滤波器，所述至少一个空间滤波器被布置用于抑制所述第一干涉仪臂和所述第二干涉仪臂中的至少一个的电磁场的传播，所述第一干涉仪臂和所述第二干涉仪臂不具有相反相位。
3.根据前述权利要求中任一项所述的干涉仪装置，还包括：
至少一个防反射涂层，所述至少一个防反射涂层被布置在所述反射表面中的至少一个反射表面上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的干涉仪装置，其中：
所述光密介质处的附加菲涅耳反射被设置在所述分束器处。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的干涉仪装置，其中：
所述光密介质处的附加菲涅耳反射被设置在所述合束器处。
6.根据前述权利要求中任一项所述的干涉仪装置，还包括：
稳定性装置，所述稳定性装置被布置用于控制以下各项中的至少一个：光程长度、镜子位置、镜子取向、分束器位置、分束器取向、合束器位置、合束器取向和平衡透射元件取向。
7.根据权利要求6所述的干涉仪装置，其中：
所述稳定性装置包括与所述相长输出和所述相消输出中的至少一个耦合的反馈回路控件。
8.根据前述权利要求中任一项所述的干涉仪装置，其中：
双光束路径干涉仪被布置在真空环境中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的干涉仪装置，其中：
所述平衡透射元件包括透明板。
10.根据前述权利要求中任一项所述的干涉仪装置，其中：
所述第一干涉仪臂和所述第二干涉仪臂在空间中彼此交叉；还包括：
至少一个相位设置元件，所述至少一个相位设置元件被布置在所述输入光束、所述相消输出和所述相长输出中的至少一个中。
11.根据前述权利要求中任一项所述的干涉仪装置，还包括：
成像光学件，所述成像光学件被布置用于对所述第一干涉仪臂和所述第二干涉仪臂中的所述电磁场的横向轮廓进行成形。
12.根据权利要求11所述的干涉仪装置，其中：
所述成像光学件被布置用于对所述输入光束、所述相消输出和所述相长输出中的至少一个的所述电磁场的所述横向轮廓进行成形。
13.一种干涉测量装置，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的干涉仪装置，
辐射源，所述辐射源被布置用于形成具有宽带谱的输入光束，和
第一检测设备，所述第一检测设备被布置用于检测所述相消输出。
14.根据权利要求13所述的干涉测量装置，其中：
所述辐射源包括具有高于所述第一干涉仪臂和所述第二干涉仪臂的所述光程长度的相干长度的脉冲激光器或热辐射源；还包括：
第二检测设备，所述第二检测设备被布置用于检测所述相长输出。
15.一种干涉测量方法，所述干涉测量方法利用根据权利要求1至12中任一项所述的干涉仪装置或根据权利要求13至14中任一项所述的干涉测量装置，所述干涉测量方法包括以下步骤：
在所述第一干涉仪臂和所述第二干涉仪臂中的一个中布置待研究的样品，
在所述第一干涉仪臂和所述第二干涉仪臂中的另一个中布置参考样品，
形成具有宽带谱的输入光束，并对所述样品和所述参考样品进行辐射，以及
感测所述合束器的所述相长输出和所述相消输出中的至少一个；
所述平衡透射元件在整个测量过程中均具有固定的位置和取向。
16.根据权利要求15所述的干涉测量方法，包括：所述电磁场的消色差干涉相减；所述电磁场的消色差干涉求和。
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