[论文解读] Silicon beamsplitter for Fourier transform spectroscopy at far infrared frequencies

Geoffry Evans, D. C. Schmadel+2 more|ArXiv.org|Jun 28, 2007

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用 3

一句话总结

本文提出了一款2 mm厚的硅片作为远红外（0–1000 cm⁻¹）傅里叶变换光谱法的分束器，与传统聚酰亚胺（Mylar）分束器相比，在整个光谱范围内，尤其是在100–400 cm⁻¹范围内表现出更优的透过率。该硅分束器平均效率达37%，优于聚酰亚胺的35%，并可在整个远红外波段实现单束操作，有效分辨率可达Δν ≥ 0.3 cm⁻¹，尽管其法布里-珀罗条纹间距约为0.7 cm⁻¹。

ABSTRACT

We report the performance of a silicon wafer beamsplitter for use for low $Δν>0.3 cm^{-1}$ resolution Fourier transform spectroscopy at far infrared frequencies. We characterize the Si beamsplitter by comparing throughput spectra measured with it to those measured with the standard Mylar beamsplitters commonly used in that range. We find that the throughput of the silicon beamsplitter is substantially greater than that of the Mylar beamsplitters over most of the IR spectrum, and that they are comparable in some limited ranges. The 2 mm silicon beamsplitter has an etalon spacing of about 0.7 cm^{-1}, which interferes with its use for $0.1 cm^{-1}

研究动机与目标

• 开发一种适用于远红外傅里叶变换光谱法的单片、宽带分束器，以克服传统聚酰亚胺薄膜分束器的局限性。
• 解决因干涉极小值和吸收损耗导致的聚酰亚胺分束器透过率低及光谱间隙问题。
• 评估2 mm厚硅片作为分束器在透过率、光谱分辨率和法布里-珀罗效应方面的性能表现。
• 证明硅分束器可在单一仪器设置中替代多个聚酰亚胺分束器，实现全光谱覆盖。

提出的方法

• 从高电阻率（>100 Ω·cm）硅单晶中制备出2 mm厚、光学抛光的硅片，表面平整度约为1 μm。
• 在真空条件下，利用校准光源（Globar和汞蒸气灯）及热释电探测器（4 K和2 K），将硅分束器的相对透过率与多种聚酰亚胺分束器（3 μm、12 μm、25 μm、50 μm、100 μm）进行对比。
• 在4 cm⁻¹分辨率下测量光谱，以评估整体透过率和法布里-珀罗条纹干涉图案。
• 使用2 mm氟金云滤光片阻挡50 cm⁻¹以上的辐射，以减少低频测量中的基线误差。
• 进行高分辨率（0.1 cm⁻¹）测量，分析硅法布里-珀罗条纹对光谱特征的影响。
• 将透射率数据归一化至开孔参考，以实现光谱特征的直接比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在远红外傅里叶变换光谱法中，单片硅片分束器是否可替代多个聚酰亚胺分束器？
• RQ2 在0–1000 cm⁻¹范围内，2 mm厚硅分束器的透过率与聚酰亚胺分束器相比如何？
• RQ3 硅法布里-珀罗条纹的干涉条纹对高分辨率（如0.1 cm⁻¹）光谱测量有何影响？
• RQ4 在100–400 cm⁻¹范围内，硅分束器相较于聚酰亚胺分束器的性能优势有多大，该范围因聚酰亚胺吸收导致效率下降？
• RQ5 考虑到硅分束器的法布里-珀罗条纹间距约为0.7 cm⁻¹，其可分辨的最小光谱特征宽度是多少？

主要发现

• 在0–1000 cm⁻¹范围内，硅分束器的透过率显著高于聚酰亚胺分束器，尤其在100–400 cm⁻¹区域，该区域聚酰亚胺因吸收导致效率下降。
• 硅分束器的平均透过率效率为37%，高于聚酰亚胺的最高值35%，表明其具有可测量的性能优势。
• 2 mm厚硅分束器的法布里-珀罗条纹间距约为0.7 cm⁻¹，导致窄的透射极小值（约0.1 cm⁻¹宽），因此仅当光谱特征位于这些极小值附近约0.1 cm⁻¹范围内时才需特别注意。
• 在光谱分辨率Δν ≥ 0.3 cm⁻¹时，硅分束器可在整个远红外波段实现可靠的光谱分析，无需更换分束器。
• 在0.1 cm⁻¹分辨率下，硅分束器的光谱与聚酰亚胺几乎完全一致，仅在法布里-珀罗条纹极小值附近出现尖锐的噪声峰，证实其在特征位置精心选择时适用于高分辨率工作。
• 在10 cm⁻¹以下，硅分束器的透过率高于100 μm厚聚酰亚胺分束器，表明其在低频响应方面优于聚酰亚胺。