一种基于LED和衍射光栅的快速多光谱光合成器

光学实验通常需要带宽和强度可调的快速切换光源。 我们构建了基于反射平面衍射光栅和发光二极管的波长组合器，发光二极管的发射峰值在350至630纳米，位于与反向光束的第一衍射级相对应的角度。合成的输出光束被发射到光纤中。22个等宽光谱带之间的间距约为15纳米。脉宽调制驱动器的时间分辨率为1 ms。通过对果蝇光感受器光谱灵敏度的快速细胞内测量来验证该来源。在爪蟾皮肤循环的高光谱成像中，波长分辨率足以分辨血红蛋白吸收光谱。该器件不含运动部件，杂散光低，本质上能够进行多波段输出。可能的应用包括视觉生理学、生物医学光学、显微镜和光谱学。

介绍

基于单色仪的系统的替代方案是基于发光二极管的多波段刺激器。光均匀性可以通过积分球、高数值孔径光导或漫射器9–12来实现.发光二极管的典型带宽(FWHM)为10~50纳米，特别是紫外发光二极管在可见光波段有尾部13，因此如果需要更窄的光谱带，可能需要额外的光谱滤波器。

由于光源面积与其辐射立体角的乘积étendue守恒，光通量不能比其光源辐射更集中。由于发光二极管不能在同一位置，这些光源要么空间均匀性低，要么体积大，限制了它们的可用性，尤其是在显微镜下。通过使用二向色分束器或者通过使用折射或衍射光学元件固有的色散，可以组合不同波长的光束而不增加增益。通过棱镜组合的波长首次由牛顿提出，他在他的第一本书《光学》14中提出合成白光“通过混合不同颜色的光，将一束相同颜色和性质的光与一束太阳直射光混合起来[……]”。最近，光栅被常规用于波长组合15-17的激光光学。

在这里，我们提出了一个光源，由一系列发光二极管，平面反射衍射光栅作为波长组合器，发射透镜和光导组成。与基于XBO的信号源相比，该信号源本质上是多频段的，不包含运动部件，体积小且价格低廉。多波段光合成器适用于需要高时间分辨率的应用。

实验

图1。光学工作台的布局和原理。光学工作台的俯视图。带有准直器的发光二极管安装在侧面(左侧)。g:光栅；l:发射镜头，F:光纤；比例尺:20厘米。(b)在恒定出射角下波长与光栅相结合的原理。入射角为α的发光二极管在角度β0 =α时产生镜面反射，在角度β+1时产生正一级衍射.对于较短的波长，可能存在负的一阶角β1。虚线弧表示光栅密度G = 1850mm-1时300至700 nm波长的近似输入角范围，虚线弧表示负一阶光束(紫外至蓝色)。UVm、Bm、Rm表示衍射级m的位置，(c)对于G = 1850mm-1的光栅，入射角为30°至90°之间的出射角β+1。实线代表输入角度α。虚线表示负阶角β1.粗线代表原型中使用的出射角β+1 = 50°的配置。输入角度α(虚线)、镜面反射β0(点划线)和负一阶β1(虚线)。阴影区域显示了小出射角(β+1 < 50°)的设计约束，其中在500 nm至700 nm的波长范围内，输入角可能与出射角(α =β+1)重叠。

根据光栅方程(sinα + sinβm =mGλ)18，在角度βm(λ)下出射。在经典摄谱仪中，输入角α保持恒定，探测器跨越一阶出射角β+1(λ)的范围。在这里给出的波长组合器中，输入光束跨越角度α(λ)的范围，而一阶出射角度β+1是恒定的。

图2。波长组合器的带宽和效率。在发光二极管尖端测量的光谱辐照度。虚线和虚线分别代表白色和绿色磷光发光二极管。光纤输出端的单个发光二极管的光谱辐照度，通过脉宽调制调整为相等的光子通量。粗线和细线显示连续发光二极管的光谱。在半对数图中比较面板(a，b)的数据。虚线和虚线分别代表白色发光二极管和绿色磷光发光二极管的辐照光谱。箭头显示白色发光二极管的光谱变窄。十字标记了发光二极管的峰值辐照度。单个发光二极管总耦合效率的半对数图

(正方形)，范围0.1~1.6%，以及用于在光纤输出端实现相等光子通量的脉宽调制占空比(对于420纳米的发光二极管为2%，对于白色发光二极管为100%)(菱形)。右侧的刻度显示了脉宽调制量化水平。

讨论

   我们构建了一个跨越350–630纳米波长范围的发光二极管合成器。有了基于廉价低电流发光二极管的原型，我们能够成功地进行生理和光谱实验，否则将需要更复杂和昂贵的光源。该系统的核心是平面反射衍射光栅，它结合并清洁(即。缩小)光输入的带宽。主要光学元件是5毫米环氧模发光二极管，光栅，非球面透镜和光导。定制部分是带有准直透镜的发光二极管支架。支架的尺寸和光栅密度决定了光学工作台的长度，目前约为1米。电子器件由一个Arduino Due微控制器和一个12位脉宽调制驱动器组成。这些组件的总成本约为€700英镑(€100英镑用于发光二极管，€100英镑用于电子器件，€500英镑用于不带实验板的光学组件)。

与基于白光源和单色仪的系统相比，发光二极管合成器的杂散光成分大大减少，因为发光二极管通道只有在需要输出时才会打开。此外，虽然来自第二衍射级的串扰(例如。580–800纳米范围内的紫外串扰)是XBO单色仪光源的问题，这在发光二极管的情况下不是问题，因为它们在主峰波长的一半几乎没有输出。

总结

  二极管衰减至等量子。在几秒钟内获得的单一光谱运行足以测量精确的灵敏度光谱。吹气式光感受器对最大强度脉冲的响应是不饱和的，但这并不是一个严重的限制，因为达到饱和对于许多测量范例来说并不是必须的。此外，由于1千赫开关频率充分高于R1-6光接收器23的60赫兹转角频率，因此测量的响应没有显示出明显的纹波。大约15纳米的发光二极管波长间隔对于感光器测量来说是足够的，除了UV24中的蝇光感受器或一些蝴蝶25的窄峰红色光感受器的光谱灵敏度的罕见例外。