【仪器使用技巧】Mozza光谱仪基本原理
任一光谱仪的核心部分都是分光系统，它一般是由准直系统、色散系统、成像系统三部分组成，主要作用是将待测光在一定空间内按照一定波长的规律分开。
如图1所示，准直系统一般由入射狭缝和准直物镜组成，入射狭缝位于准直物镜的焦平面上。光源和照明系统发出的光通过狭缝照射到准直物镜，变成平行光束投射到色散系统上。
图1. 光谱仪原理
色散系统的作用是将入射的单束复合光分解为多束单色光。多束单色光经过成像物镜按照波长的顺序成像在透镜焦平面上；这样，单束的复合光经过分光系统后成功变成了多束单色光的像。目前主要的色散系统有物质色散（如棱镜）、多缝衍射（如光栅）和多光束干涉（如干涉仪）。
探测接收系统的作用是将成像系统焦平面上接收的光谱能量转换成易于测量的电信号，并测量出对应光谱组成部分的波长和强度，从而获得被研究光或物质的特性参数，如物质的组成成分及其含量以及物质的温度、星体的运动速度等等。
目前光谱仪器的接收系统可以分为目视系统、摄谱系统和光电系统。
根据现代光谱仪器的工作原理，光谱仪可以分为两大类：经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器；新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器。
而本文中讲述的红外光谱仪Mozza (FASTLITE.Inc) 即是一台基于声光调制进行波长选择的新型光谱仪。
Mozza内部的分光元件不是传统光谱仪中的光栅或棱镜结构，而是一个基于TeO2晶体声光调制作用的带通滤波器(Acousto-opticTunable Filter, AOTF)。通过控制加载在晶体上的声波频率来选择该窄带滤波器的中心频率。
因而，通过扫描声波频率，可以选出入射光脉冲的不同频率成分，用探测器记录其光学强度值。最后将声波频率重建为光频率，从而得到完整的入射光光谱。由于Mozza同时具有宽测量范围(1-5um)和高分辨率等优点，使得它成为红外光谱研究中的一个越来越不可或缺的测量仪器。
Mozza光谱仪
下面结合图2介绍Mozza光谱仪的工作原理：
图2. Mozza基本原理图
如图2，为Mozza的基本原理图，入射激光脉冲经过分束片分成两束，透射光通过AOTF晶体(加载特定的声波频率)，输出的窄带衍射光的强度信息被一个单点探测器记录下来(MCT)；
经分束片的反射光直接被另一个单点探测器(MCT)记录。如果入射光脉冲的能量稳定性发生变化，利用参考光的强度可以修正因入射光能量改变造成的衍射光的强度变化，从而使光谱仪记录的归一化强度保持稳定。
但是，一束待测激光入射到声光晶体上，除了会出现我们测量需要的衍射光束外，还会出现测量不需要的透射光束，且该透射光束的能量要比衍射光束大几个数量级。为了消除透射光束，提高信噪比，Mozza还用到了以下几种技术：
由于经声光晶体的衍射光束和透射光束的出射方向不同，可以用狭缝来滤除大部分透射光；
由于经声光晶体的衍射光束(P偏振)和透射光束(S偏振)的偏振不同，可以用宽带偏振器来滤除大部分透射光；
但是，经过以上两种方法后，仍有可能有透射光或其散射光进入MCT，为进一步提高信噪比，Mozza采用了一种锁定探测技术(lock-in detection technique).
Mozza记录了在声光晶体上加载调制声波和不加载调制声波时，MCT测量到的信号，然后两者做差分运算，从而消除剩余部分的透射光对探测信号的影响。所以，Mozza可以得到极高的信噪比。
此外，Mozza的灵敏度和分辨率曲线如下图3所示，可以看出，在1.2um-3.0um波段范围，Mozza均具有极高的灵敏度和分辨率。
图3，Mozza灵敏度(黑色)和分辨率(蓝色)曲线
图4. Mozza测量暗光谱
综上，基于Mozza的工作原理，其具有以下优点：
基于AOTF，可以测量几Hz到MHz乃至连续光的中红外激光；
无需更换狭缝和光栅，可以直接精确测量几个光学倍频程的红外脉冲(1~5um)；
基于MCT单点探测器，可以实现极高的光谱分辨率(5cm-1)和灵敏度(0.5pJ/5cm-1)，如图3；
基于光路设计和模拟算法，可以实现激光能量波动的补偿，降低扫描过程中对脉冲能量稳定性的要求；
动态范围可达40dB；
极高的信噪比——锁定探测模式
在实际使用过程中，Mozza又有如下的不足。
Mozza基于扫描式测量，如果待测信号光重复频率低，则测量时间很长，此时对光的稳定性有所要求。对于某些要求扫描速度快的场合来说，不是很方便，如低重频光的CEP测量。
Mozza利用MCT探测光信号，由图3和图4可以看出，当待测波长大于5um时，Mozza测得的噪声很大。
但瑕不掩瑜，由于Mozza具有宽测量范围(1-5um)和高分辨率等优点，使得它成为红外光谱研究中的一个越来越不可或缺的测量仪器。
关于Mozza的具体使用方法，我们会在下一期中介绍。
