espectroscopia Vernier

La espectroscopia Vernier es un tipo de espectroscopia de absorción láser con cavidad mejorada , especialmente sensible a gases traza. El método utiliza un láser de peine de frecuencias combinado con una cavidad óptica de alta finura ^{[ 1 ]} para producir un espectro de absorción de forma altamente paralela. Este método también permite detectar gases traza en concentraciones muy bajas gracias al efecto de mejora del resonador óptico sobre la longitud efectiva del camino óptico ^{[ 2 ]} .

Para comprender el principio de funcionamiento de la espectroscopia Vernier, es necesario comprender los láseres de peine de frecuencias . El campo eléctrico oscilante de un láser (o cualquier señal dependiente del tiempo) puede representarse mediante una suma de señales sinusoidales en el dominio de la frecuencia utilizando la serie de Fourier . El campo eléctrico oscilante de un láser coherente de onda continua (cw) se representa como un único pico estrecho en el dominio de la frecuencia. Si el láser se modula en amplitud para producir un tren estable de pulsos muy cortos (generalmente mediante bloqueo de modos), la representación equivalente en el dominio de la frecuencia es una serie de picos de frecuencia estrechos centrados alrededor de la frecuencia cw original del láser. Estos picos de frecuencia están separados por la frecuencia de los pulsos en el dominio del tiempo. Esto se denomina frecuencia de repetición del peine de frecuencias.

Dado que la sensibilidad de la espectroscopia de absorción depende de la longitud del recorrido de la luz en la muestra, la espectroscopia con cavidad resonante logra una alta sensibilidad mediante la creación de múltiples pasadas a través de la muestra, multiplicando así la longitud del recorrido. La espectroscopia Vernier utiliza una cavidad de alta finura para producir una gran amplificación. Una cavidad óptica de alta finura también genera una resonancia precisa, donde solo la luz acoplada a ella con frecuencias que coinciden con un armónico del rango espectral libre de la cavidad produce interferencia constructiva y una salida apreciable de la misma.

Solo se obtendrá una salida apreciable del resonador óptico cuando un pico de frecuencia del láser de peine de frecuencias coincida con un armónico del rango espectral libre de la cavidad. En la espectroscopia de Vernier, la relación entre la frecuencia de repetición del peine de frecuencias y el rango espectral libre de la cavidad es N/(N-1), donde N es un número entero, de modo que solo cada N pico del peine de frecuencias satisfará la condición de resonancia de la cavidad óptica y se propagará a través de ella y la muestra. Esto se elige para que los dos conjuntos de resonancias formen una escala de Vernier , dando nombre a la técnica. Esto es esencial porque una frecuencia de repetición típica de un peine de frecuencias es del orden de las radiofrecuencias, lo que dificulta la tarea de resolver y detectar componentes de frecuencia individuales. Si N es grande, la separación de frecuencia de los picos de salida del resonador será lo suficientemente grande como para ser resuelta por un espectrómetro de rejilla simple . Si la longitud de la cavidad se modifica ligeramente, generalmente mediante un actuador piezoeléctrico, el rango espectral libre de la cavidad también cambiará. Este FSR cambiante desarrolla un nuevo conjunto de resonancias con el peine de frecuencias a medida que avanza el escaneo, escaneando efectivamente a través de los conjuntos de picos "filtrados" del peine de frecuencias.

Los componentes de frecuencia individuales de la luz transmitida se separan espacialmente mediante un espectrómetro simple, generalmente una red de difracción. Para lograr una medición altamente paralela de los componentes de frecuencia individuales transmitidos a través de la muestra y fuera de la cavidad, se utiliza una cámara CCD capaz de operar en el rango espectral de la luz láser. En el caso de la red de difracción, los componentes de frecuencia se separan en una dirección espacial y se enfocan en la cámara CCD. Para aprovechar la otra dirección espacial de la CCD, la luz se escanea en la dirección perpendicular a la CCD al mismo tiempo que se escanea la longitud de la cavidad mediante un actuador. Esto produce una cuadrícula de picos en la imagen CCD que corresponde a una condición de acoplamiento modal entre el peine de frecuencias y la cavidad óptica.

Una implementación sencilla del sistema de espectroscopia Vernier consta de cinco componentes básicos: un peine de frecuencias, una cavidad óptica de alta finura con barrido, una rejilla de difracción, un espejo giratorio y una cámara CCD. El gas traza que se va a medir se coloca entre los espejos de la cavidad óptica para mejorar la trayectoria óptica. El peine de frecuencias se acopla al resonador y se configura para formar una relación Vernier con la función de respuesta. La salida de la cavidad se refleja en una rejilla de difracción, lo que proporciona una separación angular de las componentes de frecuencia del haz. El haz difractado se refleja en el espejo giratorio y se enfoca sobre la cámara CCD. Tres acciones deben ocurrir de forma sincronizada: la cavidad óptica barre un rango espectral libre, mientras que el espejo giratorio barre simultáneamente en la dirección perpendicular al plano de difracción de la rejilla. Estas dos acciones se pueden sincronizar mediante una tensión de rampa periódica que controla tanto el barrido de la cavidad (mediante un actuador piezoeléctrico) como la rotación del espejo (controlada por un motor paso a paso). Si el tiempo de exposición de la cámara CCD también se ajusta al período de la rampa de voltaje, la imagen CCD resultante es una matriz bidimensional de picos aproximadamente gaussianos. De esta manera, se produce un espectro completo en el período de la rampa de voltaje. El tiempo necesario para obtener un espectro está limitado por el tiempo de escaneo de la cavidad, la respuesta del espejo giratorio y el tiempo mínimo de exposición de la cámara. Este esquema particular de espectroscopia Vernier es capaz de producir un espectro de absorción de un gas traza (<1 ppmV) con decenas de miles de puntos de datos en menos de un segundo. ^{[ 2 ]}

La espectroscopia Vernier produce un patrón espectral bidimensional en la imagen CCD, una matriz de picos aproximadamente gaussianos. La intensidad integrada de cada pico gaussiano proporciona la intensidad transmitida a través del gas de prueba, mientras que la posición del pico también ofrece información sobre su frecuencia relativa. A partir de la forma de los picos individuales presentes en la imagen, se puede extraer información adicional sobre el desfase de la luz transmitida por el gas de prueba. Si bien toda la información espectral está contenida en las imágenes producidas por el CCD, se requiere cierto procesamiento de imagen para convertir la imagen CCD en un espectro unidimensional tradicional ^{[ 3 ].}