La espectroscopia Vernier es un tipo de espectroscopia de absorción láser con cavidad mejorada que es especialmente sensible a los gases traza. El método utiliza un láser de peine de frecuencia combinado con una cavidad óptica de alta fineza [1] para producir un espectro de absorción de una manera altamente paralela. El método también es capaz de detectar gases traza en concentraciones muy bajas debido al efecto de mejora del resonador óptico en la longitud efectiva del camino óptico. [2]
Para comprender el principio de funcionamiento de la espectroscopia Vernier es necesario conocer los láseres de peine de frecuencia . El campo eléctrico oscilante de un láser (o cualquier señal dependiente del tiempo) se puede representar 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 la representación del dominio de la frecuencia. Si el láser se modula en amplitud para producir un tren estable de pulsos muy cortos (normalmente mediante bloqueo de modo), 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 del dominio del tiempo. Esto se denomina tasa de repetición del peine de frecuencia.
Dado que la sensibilidad de la espectroscopia de absorción depende de la longitud del recorrido de la luz en la muestra de prueba, la espectroscopia mejorada por cavidad logra una alta sensibilidad al crear múltiples pasadas a través de la muestra, multiplicando efectivamente la longitud del recorrido. La espectroscopia Vernier utiliza una cavidad de alta fineza para producir una gran mejora. Una cavidad óptica de alta fineza también producirá una condición de resonancia aguda, donde solo la luz que se acopla en ella con frecuencias que coinciden con un armónico del rango espectral libre de la cavidad producirá interferencia constructiva y una salida apreciable de la cavidad.
Solo habrá una salida apreciable del resonador óptico cuando un pico de frecuencia del láser de peine de frecuencia coincida con un armónico del rango espectral libre de la cavidad. En la espectroscopia Vernier, la relación entre la tasa de repetición del peine de frecuencia y el rango espectral libre de la cavidad es N/(N-1), donde N es un entero, de modo que solo cada pico N del peine de frecuencia satisfará la condición de resonancia de la cavidad óptica y se propagará a través de ella y la muestra. Esto se elige de modo que los dos conjuntos de resonancias formen una escala Vernier , que da el nombre a la técnica. Esto es esencial porque una tasa de repetición típica del peine de frecuencia está en el orden de las frecuencias de radio, lo que dificulta la tarea de resolver y detectar componentes de frecuencia individuales. Si se hace que N sea grande, entonces la separación de frecuencia de los picos de salida del resonador será lo suficientemente grande como para ser resuelta por un simple espectrómetro de rejilla . Si la longitud de la cavidad se cambia ligeramente, generalmente mediante un actuador piezoeléctrico, entonces el rango espectral libre de la cavidad también cambiará. Este FSR cambiante desarrolla un nuevo conjunto de resonancias con el peine de frecuencia a medida que avanza el escaneo, escaneando efectivamente los conjuntos de picos "filtrados" del peine de frecuencia.
Los componentes de frecuencia individuales de la luz transmitida se separan espacialmente utilizando un espectrómetro simple, generalmente una rejilla 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 rejilla 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 del CCD, la luz se escanea a través de la dirección perpendicular del CCD al mismo tiempo que se escanea la longitud de la cavidad utilizando un actuador. Esto produce una cuadrícula de picos en la imagen CCD que corresponde a una condición de coincidencia de modos entre el peine de frecuencia y la cavidad óptica.
Una realización sencilla de la configuración de espectroscopia Vernier tiene cinco componentes básicos: un peine de frecuencia, una cavidad óptica escaneable de alta fineza, 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 permitir la mejora de la trayectoria óptica. El peine de frecuencia se acopla al resonador y se hace que forme 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 los componentes de frecuencia del haz. A continuación, el haz difractado se refleja en el espejo giratorio y se enfoca en la cámara CCD. A continuación, deben suceder tres cosas en sincronización. La cavidad óptica escanea a través de un rango espectral libre de la cavidad mientras que el espejo giratorio escanea simultáneamente la dirección perpendicular al plano de difracción de la rejilla de difracción. Estas dos acciones se pueden sincronizar por medio de un voltaje de rampa periódico que controla tanto el escaneo de la cavidad (logrado por 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 establece igual al período de voltaje de rampa, la imagen CCD resultante es una matriz bidimensional de picos aproximadamente gaussianos. De esta manera, se produce un espectro completo en el período del voltaje de rampa. El tiempo que lleva 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 de espectroscopía Vernier en particular 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 una especie de patrón espectral bidimensional en la imagen del 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 proporciona información sobre la frecuencia relativa del pico. Se puede extraer información adicional sobre el cambio de fase de la luz transmitida por el gas de prueba a partir de la forma de los picos individuales presentes en la imagen. Aunque toda la información espectral está contenida en las imágenes producidas por el CCD, se requiere cierta cantidad de procesamiento de imágenes para convertir la imagen del CCD en un espectro unidimensional tradicional [3].