紫外可见近红外光谱仪中所用偏振器的对比
摘要
性能提升
图 1 带分析仪（检偏器）的简化分光光度计
图 1 为一个带有偏振分析仪（检偏器）的简化分光光度计光路图。这种配置在检测二向色和双折射样品、衍射光栅，或表征样品的反射特性时非常有用。
此类分析仪（检偏器）应用中典型的偏振器基于格兰-泰勒（GT）或格兰-汤普森（GTh）设计，通常使用方解石棱镜。遗憾的是，方解石固有的吸收以及杂质引起的散射会严重限制 GT 和 GTh 设计在紫外波段的透过率和可达到的信噪比。Moxtek 的 ProFlux UVD 系列偏振器提供了一种替代方案，其深紫外透过率显著提升，从而获得更好的信噪比性能。
图 2 ProFlux UVD260 与格兰-汤普森偏振器在分析仪（检偏器）（检偏器）应用中的性能对比。(a) 分析仪（检偏器）（检偏器）通光态紫外透过
图 2a 比较了标准方解石 GTh 分析仪（检偏器）与 Moxtek UVD260 在紫外波段的通光态透过率，图 2b 则比较了二者测量参考偏振器消光态透过率时的性能。GTh 分析仪（检偏器）在紫外光通量上急剧下降，导致信噪比较差；而 UVD260 采用熔融石英制造，在深紫外区域仍保持优异的性能。
红外性能
格兰-泰勒（GT）和格兰-汤普森（GTh）偏振器由两个双折射棱镜组成，它们的斜面对角面之间要么以微小空气隙隔开（GT），要么填充光学胶（GTh）。入射光束分离成正交偏振态依赖于全内反射，因此对光束准直和入射角度有严格要求。由于红外波段折射率通常会降低，这导致 GT 和 GTh 设计允许偏离法线入射的角度减小。在光谱应用中，光束准直通常远非理想，因此不希望的偏振态会产生明显泄漏。
GT 和 GTh 偏振器通常只能容忍几度的入射角偏差或较小的视场（锥角），超出后性能就会下降；而线栅偏振器的性能对角度和波长相对不敏感，且实际上没有不希望的偏振态的红外泄漏。ProFlux UVD 设计可以轻松适应法线入射 ±20° 的变化，性能变化极小。这对应 40° 的视场角，在使用准直性差的光源时能够显著提高光利用率，并简化对准方面的顾虑。
图 3 UVD260 与方解石格兰-汤普森分析仪（检偏器）（检偏器）的红外性能对比。(a) 使用 GTh（---）和 UVD260（---）分析仪（检偏器）（检偏器）对同一参考偏振器的消光态透过率测量。插图为放大后远离吸收共振的标尺。(b) GTh（---）和 UVD260（---）的通光态透过率。
图 3b 给出了 GTh 和 UVD260 偏振器在通光态下的透过率。在 GTh 消光态测量中导致红外泄漏峰的相同吸收特征，在通光态中同样明显。吸湿性方解石材料中约 2725 nm 处的水吸收线，在 GTh 中比在由铝和红外级熔融石英组成的 UVD260 中强得多。为了增强短波红外的光通量和信噪比，UVD260 显然更优越。
图 4 ProFlux UVD260（—）与格兰-汤普森（—）偏振器的通光态/消光态透过率对比度。
环境与外形尺寸因素
UVD260 采用与 Moxtek 标准可见光谱线栅偏振器产品类似的材料，后者以在高温高湿投影显示应用中优异的持续性能而著称。此外，UVD 系列的埋入式纳米线设计有助于防止操作损坏和环境污染。方解石 GT 和 GTh 偏振器的红外性能会因吸湿而随时间明显下降，而 UVD 系列线栅偏振器制造在非吸湿性熔融石英上，在潮湿环境中不会出现明显的性能退化。
由于全内反射工作原理和大临界角，GT 和 GTh 偏振器的长度与通光孔径之比很大。随着孔径尺寸增大，这种长宽比要求使得基于棱镜的设计在光学系统中占据比平面线栅偏振器配置（其厚度固定，通常为 2.1 mm，由基底和垫片厚度决定）大得多的空间。对于 UVD 系列线栅偏振器，无论孔径尺寸如何，沿光束传播方向所需的物理空间保持不变。副作用是，对于较大孔径的 GT 和 GTh 设计，棱镜长度也会增加，由于吸收和散射，这会降低紫外和短波红外区域的性能。ProFlux UVD 系列偏振器能够用一个部件覆盖从深紫外到短波红外的大多数光谱仪的整个光谱范围，并且在使用有限尺寸宽带光源时无需丢弃来自较大视场角的光线。
对于 GT 和 GTh 偏振器设计，为了消除内部反射光束，棱镜侧面要么有吸收涂层，要么高度抛光并封装在吸收性外壳中。然而仍可能发生菲涅耳反射，导致不希望的偏振态从偏振器出射面泄漏。ProFlux UVD 系列偏振器通过各向异性吸收和反射机制在线栅表面分离光束，不依赖于双折射和全内反射。这消除了 GT 和 GTh 产品固有的长光程长度和吸收表面/外壳要求，以及不希望的 IR 性能随波长的变化。表 1 总结了线栅与基于格兰棱镜的设计在设计、外形尺寸和环境方面的差异。
|
特性 |
ProFlux UVD260 |
ProFlux UVD240 |
格兰-泰勒 / 格兰-汤普森 |
|---|---|---|---|
|
入射角（AOI） |
±20° |
±20° |
±4 / ±6° |
|
长度 |
2.1 mm（与孔径无关） |
2.1 mm（与孔径无关） |
随孔径尺寸成比例增大 |
|
红外干扰 |
无 |
无 |
色散和吸收引起 |
|
菲涅耳干扰 |
无 |
无 |
需要吸收涂层/外壳 |
|
光谱范围 |
260-3300 nm |
240-3300 nm |
宽带性能通常需要两套偏振器 |
结论
与格兰-泰勒和格兰-汤普森设计相比，ProFlux UVD 系列偏振器为偏振敏感的光谱应用提供了更优越的宽带性能。熔融石英基底上的铝纳米线栅设计是深亚波长的，提供出色的对比度和卓越的通光态透过率，从紫外到短波红外的性能变化极小。宽视场角和节省空间的外形尺寸在简化系统设计的同时，提高了性能和效率。典型的宽带性能曲线见图 5。
图 5 ProFlux UVD 系列典型宽带性能曲线：通光态透过率（Tp）和对比度（通光态/消光态透过率）
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