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バーニア分光法は、微量ガスに特に感度の高い、空洞増強レーザー吸収分光法の一種です。この方法では、周波数コムレーザーと高フィネス[1] の光空洞を組み合わせて、高度に並列化された方法で吸収スペクトルを生成します。また、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可能です。[2]
方法の概要
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（または任意の時間依存信号）の振動電場は、フーリエ級数を用いて周波数領域における正弦波信号の和で表すことができます。コヒーレント連続波（CW）レーザーの振動電場は、周波数領域表現において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（通常はモード同期によって）、等価の周波数領域表現は、レーザーの元のCW周波数を中心とした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ています。これは周波数コムの繰り返し周波数と呼ばれます
吸収分光法の感度は試料中における光の経路長に依存するため、キャビティ増強分光法は試料を複数回通過させることで高い感度を実現し、実質的に経路長を増加させます。バーニア分光法は、高フィネスのキャビティを用いて大きな増強効果を生み出します。高フィネスの光キャビティはまた、鋭い共鳴状態を生み出します。この共鳴状態では、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結合した光のみが、建設的な干渉を生じ、キャビティから顕著な出力が得られます。
光共振器から目に見える出力が得られるのは、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周波数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 個のピークのうち N 個だけが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 組の共振がバーニア スケールを形成するように選ばれるため、この手法の名前の由来となっています。一般的な周波数コムの繰り返し周波数は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であり、この点が重要です。N を大きくすると、共振器出力ピークの周波数間隔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（FSR）も変化します。このFSRの変化により、スキャンが進むにつれて周波数コムとの新たな共鳴セットが発生し、周波数コムの「フィルタリングされた」ピークセットを効果的にスキャンします。
透過光の個々の周波数成分は、通常は回折格子などの単純な分光計を用いて空間的に分離されます。サンプルを透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列的に測定するために、レーザー光のスペクトル範囲で動作可能なCCDカメラが使用されます。回折格子の場合、周波数成分は一空間方向に分離され、CCDカメラに焦点が当てられます。CCDのもう一方の空間方向を活用するために、アクチュエータを用いてキャビティ長を走査すると同時に、光をCCDの垂直方向に走査します。これにより、CCD画像上に、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生成されます。
装置例
バーニア分光法のシンプルな構成は、5つの基本コンポーネントから構成されます。周波数コム、走査可能な高フィネス光共振器、回折格子、回転ミラー、そしてCCDカメラです。測定対象となる微量ガスは、光共振器のミラー間に配置され、光路長の延長を可能にします。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構成されます。共振器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。このとき、3つの動作が同期して行われなければなりません。光共振器は共振器の自由スペクトル領域を走査し、同時に回転ミラーは回折格子の回折面に垂直な方向を走査します。これら2つの動作は、周期的なランプ電圧によって同期させることができます。このランプ電圧は、共振器の走査（圧電アクチュエータによって制御）とミラーの回転（ステッピングモータによって制御）の両方を制御します。 CCDカメラの露光時間もランプ電圧周期と同じに設定すると、得られるCCD画像は、ほぼガウス分布のピークを持つ2次元マトリックスとなります。このようにして、ランプ電圧周期内にスペクトル全体が生成されます。スペクトルの取得にかかる時間は、キャビティのスキャン時間、回転ミラーの応答、およびカメラの最小露光時間によって制限されます。このバーニア分光法は、1秒未満で微量ガス（<1 ppmV）の吸収スペクトルを数万点のデータポイントで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からなる一種の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、試験ガスを透過した光の強度を示し、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。試験ガスを透過し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]。
参考文献
- ^ Paschotta, R (2008年10月). Encyclopedia of Laser Physics and Technology (第1版). Finesseに関する記事: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40828-3。
- ^ ab Zhu, Feng; Bounds, James; Bicer, Aysenur; Strohaber, James; Kolomenskii, Alexandre A.; et al. (2014-09-15). 「広帯域微量ガス検出のための近赤外周波数コムバーニア分光計」. Optics Express . 22 (19). The Optical Society: 23026– 23033. arXiv : 1407.1075 . Bibcode :2014OExpr..2223026Z. doi : 10.1364/oe.22.023026 . ISSN 1094-4087. PMID 25321773
- ^ Gohle, Christoph; Stein, Björn; Schliesser, Albert; Udem, Thomas; Hänsch, Theodor W. (2007-12-28). 「広帯域、高解像度、高感度吸収・分散スペクトルのための周波数コムバーニア分光法」. Physical Review Letters . 99 (26) 263902. American Physical Society (APS). arXiv : 0706.1582 . Bibcode :2007PhRvL..99z3902G. doi :10.1103/physrevlett.99.263902. ISSN 0031-9007. PMID 18233578.
