Design and realization of an ultra-broadband Fourier-transform spectrometer based on a common-path interferometer

Spectroscopy is the study of the fundamental components of the electromagnetic spectrum. Nowadays, it supports almost every science. In spectroscopy, the spec- trometer has a central role because of its ability to separate light into its constituent components. The majority of these devices can be divided into dispersive spectrom- eters and Fourier transform (FT) spectrometers. The latter have always been highly appraised for the advantages of the FT approach, mainly because all the components of the incoming light were simultaneously measured by a single detector. This feature guarantees higher performances and determined the success of these devices especially in the infrared spectral range in which the employment of a big number of detectors, as required by the dispersive devices, becomes expensive or not feasible. The heart of an FT spectrometer is the interferometer and most of them employ a Michelson in- terferometer. However, this stage is very sensitive to external vibrations which makes it unsuitable when the wavelength of the radiation becomes shorter than a couple of μm. On the other hand, also the dispersive approach is not suitable in this spectral range, because of its limited spectral resolution and high costs. This thesis focuses on the development of an innovative ultra-broadband Fourier transform spectrometer developed in collaboration with NIREOS startup. The device combines the advantages of the Fourier transform spectroscopy with a very wide spectral coverage thanks to the employment of a common-path interferometer that shows higher stability than the Michelson one. The prototype described in this work can measure a spectrum every 250 ms, operates from 400 nm to 1700 nm, and its spectral coverage can be potentially widened to 4 μm.

La spettroscopia è lo studio dei costituenti fondamentali dello spettro elettromag- netico. Oggi è impiegata in quasi tutte le discipline scientifiche. Nella spettroscopia, lo spettrometro ha un ruolo centrale perché capace di separare la luce nelle sue com- ponenti. La maggior parte di questi dispositivi può essere divisa tra dispersivi e a trasformata di Fourier (FT, Fourier transform). Quest’ultima categoria è sempre stata molto apprezzata per via dei vantaggi dell’approccio a trasformata di Fourier, dovuti principalmente all’utilizzo di un singolo detector per misurare tutte le componenti della luce. Questa caratteristica ha portato a prestazioni migliori ed ha determinato il successo di questi strumenti soprattutto nel range dell’infrarosso, in cui l’utilizzo di un gran numero di detector, come servirebbe in uno strumento dispersivo, è costoso o non fattibile. Il cuore di uno spettrometro FT è l’interferometro e la maggior parte di essi utilizza quello di Michelson. Tuttavia, questo stadio è sensibile a vibrazioni esterne e ciò non lo rende adatto se la lunghezza d’onda della luce diventa più corta di un paio di μm. D’altro canto, anche l’approccio dispersivo risulta essere poco fun- zionale in questo range spettrale per via della sua limitata risoluzione e degli alti costi. Questa tesi descrive lo sviluppo di un innovativo e ultra-broadband spettrometro a trasformata di Fourier, creato in collaborazione con la startup NIREOS. Lo strumento combina i vantaggi della spettroscopia a trasformata di Fourier con una copertura spettrale molto larga, grazie all’utilizzo di un interferometro a cammino comune che mostra maggiore stabilità rispetto al Michelson. Il prototipo descritto in questo elabo- rato riesce a misurare uno spettro ogni 250 ms, funziona tra 400 nm e 1700 nm e la sua copertura spettrale può essere potenzialmente aumentata fino a 4 μm.