CN101329200A - 双路输出双角反射体干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种双路输出双角反射体干涉仪包含一个分束器、两个固定的平面反射镜、和被一个刚性结构背对背地固定在一起作为一个单独的运动部件的两个扫描角反射体；第一平面镜和第二平面镜关于分束器半反射面对称，且两个平面镜与分束器半反射面的夹角均为22.5度；双角反射体沿分束器半反射面的法线方向做直线往复运动；光程差为双角反射体位移的4倍。该干涉仪产生两路输出光束，由两个探测器接收；两路探测器信号振幅相同、相位相反，其差值即为干涉图。这种干涉仪消除了由探测器的非线性导致的傅里叶变换光谱最重要的强度畸变，完全消除了倾斜和横移问题，适用于各种光谱区域的高分辨率傅里叶变换光谱仪。

Description

双路输出双角反射体干涉仪

技术领域

本发明涉及一种干涉仪，具体涉及一种应用于高分辨率傅里叶变换光谱仪的双路输出双角反射体干涉仪。

背景技术

傅里叶变换光谱仪具有高光谱分辨率、多通道、高通量等优点。而多通道、高通量都意味着记录干涉图时探测器将接收大量的光子，通常很难得到线性测量，更为重要的是探测器的非线性导致了傅里叶变换光谱最重要的强度畸变，严重影响了变换光谱强度的测量质量。一般可用减小光照强度和缩小记录光谱范围这两种方法得到线性测量。这样以来，傅里叶变换光谱仪的主要优点就没有得到充分的利用。

影响迈克尔逊(Michelson)干涉仪在傅里叶光谱仪中应用的最大问题是平面动镜在扫描过程中的倾斜问题。一种办法是使用动态校正系统，但分辨率越高，这种校正系统的失灵概率就越高，而且该系统对机械振动引起的扰动非常敏感。要从机械上解决动镜倾斜问题是非常困难的，所以我们寻求光学解决办法。

猫眼镜(cat’s-eye retroreflector)和角反射体(cube-corner mirrors)是非常成功的设计。但猫眼镜系统尺寸很长，热稳定性较差，而且只适用于动镜倾角较小的情况，单个的猫眼动镜还存在横移问题。角反射体系统热稳定性高、结构紧凑，因此对于傅立叶变换光谱仪中的干涉仪，角反射体系统是一种非常好的解决方案，但单个扫描角反射体同样存在横移问题。

转镜式或摆镜式干涉仪也是一种成功的解决方案，消除了平面动镜倾斜带来的误差，提高了仪器的稳定性和可靠性，但只适用于低分辨率光谱仪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双路输出双角反射体干涉仪，其解决了背景技术中变换光谱的强度畸变、平面动镜倾斜、单个扫描猫眼镜和单个扫描角反射体横移的技术问题，在傅里叶变换光谱仪的应用中大大地提高了精度；光程差为双角反射体位移(相对于其零光程差位置)的4倍；在制造误差和运动误差相同的条件下，可获得更高的仪器分辨率。

本发明的技术解决方案是：

一种双路输出双角反射体干涉仪，包括半反射面45度角设置在入射光束光路上的一个分束器；还包括设置在上述分束器半反射面反射光束光路上的第一平面镜和设置在上述分束器半反射面透射光束光路上的第二平面镜；还包括设置在第一平面镜反射光束光路上的第一角反射体和设置在第二平面镜反射光束光路上的第二角反射体；还包括设置在第一路输出光束光路上的收集镜A与探测器A以及设置在第二路输出光束光路的收集镜B与探测器B；

其特征在于：

所述的第一角反射体和第二角反射体被一个刚性结构背对背地固定在一起作为一个单独的运动部件；所述的第一角反射体的顶点和第二角反射体的顶点之间的距离极小；所述的第一角反射体和第二角反射体沿分束器半反射面的法线方向做直线往复运动；

所述的第一平面镜和第二平面镜关于分束器半反射面对称；所述的第一平面镜和第二平面镜与分束器半反射面的夹角均为22.5度；所述的分束器、第一平面镜、第二平面镜的中心位于同一个平面内；

所述的第一路输出光束垂直于入射光束，经收集镜A会聚到探测器A上；所述的第二路输出光束平行于入射光束、且与入射光束传播方向相反，经收集镜B会聚到探测器B上；两路探测器信号振幅相同、相位相反，其差值即为干涉图。

上述的分束器可为两块完全相同的胶合的直角棱镜，直角棱镜的斜面为胶合面，胶合面的一个面为分束器半反射面。

上述的分束器可为两块完全相同的胶合的平面平行玻璃平板，胶合面的一个面为分束器半反射面。

上述的收集镜A和B均为会聚透镜或会聚透镜组。

本发明的优点在于：

1.该干涉仪消除了由探测器的非线性导致的傅里叶变换光谱最重要的强度畸变，大大提高了变换光谱强度的测量质量。

2.该干涉仪完全消除了倾斜和横移问题。

3.光程差为双角反射体位移(相对于其零光程差位置)的4倍，适用于各种光谱工作区的高分辨率傅里叶变换光谱仪。

4.机械稳定性高、热稳定性高。

附图说明

图1为本发明光学结构原理示意图。

图2为两块完全相同的胶合的直角棱镜分光装置。

图3为两块完全相同的胶合的平面平行玻璃平板分光装置。

具体实施方式

双路输出双角反射体干涉仪包含一个半反射面45度角设置在入射光束光路上的分束器、两个固定的平面反射镜(即第一平面镜和第二平面镜)、和被一个刚性结构背对背地固定在一起作为一个单独的运动部件的两个扫描角反射体(即第一角反射体和第二角反射体)；分束器可为两块完全相同的胶合的直角棱镜(参见图2)或两块完全相同的胶合的平面平行玻璃平板(参见图3)；第一角反射体的顶点和第二角反射体的顶点之间的距离极小；第一平面镜和第二平面镜关于分束器半反射面对称，且两个平面镜与分束器半反射面的夹角均为22.5度；分束器、第一平面镜、第二平面镜的中心位于同一个平面内。双角反射体沿分束器半反射面的法线方向做直线往复运动。

入射的平行光束在分束器半反射面上反射和透射，并被分为强度相等的两束光I和II，光束I依次被第一平面镜、第一角反射体、第一平面镜反射后射向分束器；光束II依次被第二平面镜、第二角反射体、第二平面镜反射后射向分束器；然后，这两束光在分束器半反射面上分别再次反射和透射，产生两路输出光束，第一路输出光束垂直于入射光束，经收集镜A会聚到探测器A上(参见图1)；第二路输出光束平行于入射光束、且与入射光束传播方向相反，经收集镜B会聚到探测器B上(参见图1)。光束I和II来自同一光束，因而是相干光束，它们相交时发生干涉。

两路探测器信号振幅相同、相位相反，其差值即为干涉图。合理选择两路信号的放大器增益，即可消除傅里叶变换光谱最重要的强度畸变。

光束I和II之间的光程差是由双角反射体(即第一角反射体和第二角反射体背对背地固定在一起所构成的一个单独的运动部件)的直线往复运动产生的。当双角反射体移动距离a时，有两种情况：一种情况是光束I的光程增加了2a而光束II的光程减少了2a，于是光束I和光束II之间光程差的变化量为4a；另外一种情况是光束I的光程减少了2a而光束II的光程增加了2a，则光束I和光束II之间光程差的变化量仍为4a。因此，光程差值的改变量为双角反射体移动距离的4倍。光程差x与双角反射体位移(相对于其零光程差位置)l之间的关系为

x＝4l                      (1)

则双路输出双角反射体干涉仪的干涉强度与双角反射体位移(相对于其零光程差位置)之间的关系为

I(x)＝B(σ)[1+cos(8pσl)]           (2)

式中σ为波数，B(σ)为光谱强度，x为光程差。

当双角反射体发生横移时，第一角反射体的横移正好补偿了第二角反射体的横移，则双路输出双角反射体干涉仪完全消除了横移问题；另外，角反射体本身具有消除倾斜问题的性能，所以双路输出双角反射体干涉仪完全消除了倾斜和横移问题。

使用两块完全相同的胶合的直角棱镜或平面平行玻璃平板分光装置代替分束器和补偿板，缩小了干涉仪的外形尺寸，从而也提高了干涉仪的机械稳定性和热稳定性。

Claims (5)

1.一种双路输出双角反射体干涉仪，包括半反射面45度角设置在入射光束光路上的一个分束器；还包括设置在上述分束器半反射面反射光束光路上的第一平面镜和设置在上述分束器半反射面透射光束光路上的第二平面镜；还包括设置在第一平面镜反射光束光路上的第一角反射体和设置在第二平面镜反射光束光路上的第二角反射体；还包括设置在第一路输出光束光路上的收集镜A与探测器A以及设置在第二路输出光束光路的收集镜B与探测器B；

其特征在于：

所述的第一角反射体和第二角反射体被一个刚性结构背对背地固定在一起作为一个单独的运动部件；所述的第一角反射体的顶点和第二角反射体的顶点之间的距离极小；所述的第一角反射体和第二角反射体沿分束器半反射面的法线方向做直线往复运动；

所述的第一平面镜和第二平面镜关于分束器半反射面对称；所述的第一平面镜和第二平面镜与分束器半反射面的夹角均为22.5度；所述的分束器、第一平面镜、第二平面镜的中心位于同一个平面内。

2.根据权利要求1所述的双路输出双角反射体干涉仪，其特征在于：所述的第一路输出光束垂直于入射光束，经收集镜A会聚到探测器A上；所述的第二路输出光束平行于入射光束、且与入射光束传播方向相反，经收集镜B会聚到探测器B上；两路探测器信号振幅相同、相位相反，其差值即为干涉图。

3.根据权利要求1和2所述的双路输出双角反射体干涉仪，其特征在于：所述的分束器为两块完全相同的胶合的直角棱镜，直角棱镜的斜面为胶合面，胶合面的一个面为分束器半反射面。

4.根据权利要求1和2所述的双路输出双角反射体干涉仪，其特征在于：所述的分束器为两块完全相同的胶合的平面平行玻璃平板，胶合面的一个面为分束器半反射面。

5.根据权利要求3或4所述的双路输出双角反射体干涉仪，其特征在于：所述的收集镜A和B均为会聚透镜或会聚透镜组。

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