CN101493357B - 一种宽频带光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明宽频带光谱仪主要应用在光谱分析和光谱测量方面，也可用于材料的结构分析和光学吸收及反射测量、工业过程控制如高温测量和气体成份分析领域。它包括光源(1)、光源准直系统、起偏振器(4)、光学活性物质构成的偏振旋转片(5)、检偏振器(6)、探测器(8)和数据采集控制系统(9)，光源准直系统由两棱镜(2)组成，其特征在于：在光源(1)至探测器(8)的光路上依次排列安装有光源(1)、光源准直系统、起偏振器(4)、光学活性物质构成的偏振旋转片(5)、检偏振器(6)、聚光棱镜(7)及探测器(8)。本发明宽频带光谱仪它具有宽频带、多路性和高通量的优点。

Description

一种宽频带光谱仪

技术领域

本发明涉及一种基于光学活性色散原理的宽频带光谱仪，主要应用在光谱分析和光谱测量方面，也可用于材料的结构分析和光学吸收及反射测量、工业过程控制如高温测量和气体成份分析领域。

背景技术

光谱分析和光谱测量是工程技术以及科学研究中广泛涉及的一个研究课题。广泛应用的光谱范围是从紫外、可见至红外光波。紫外至可见光波范围内的光谱仪采用的是光栅和棱镜色散分光技术，而红外光谱仪采用的是光栅、棱镜色散和迈克耳孙(Michelson)干涉仪技术(傅立叶变换光谱仪)。但采用一套光栅系统或镜色散分光技术不能满足从紫外至红外光波的光谱测量。先进的光谱仪须要具备两个优点，即多路性优点和高通量优点。多路性优点为用一个探测器同时测量所有的光谱元，与多通道测量情况相当。多通路的特性还有助于提高信噪比。高通量优点是无须采用通常色散型仪器上要用到的狭缝，因此具有更大的辐射通量和更高的测量灵敏度。先进的光谱仪还须具备高准确度、高分辨本领、宽光谱范围和低杂散辐射的特点。光栅和棱镜色散分光技术不具备多路性优点和高通量优点。傅立叶变换光谱仪能同时将整个波长范围内的辐射都送到探测器上，因此具备多路性和高通量优点。但是基于迈克耳孙干涉仪技术的傅立叶变换光谱仪只能局限于红外波段范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光学活性色散原理的宽频带光谱仪。

本发明的目的是通过如下途径实现的：一种宽频带光谱仪，它包括光源、光源准直系统、起偏振器、光学活性物质构成的偏振旋转片、检偏振器、探测器和数据采集控制系统，光源准直系统由两个棱镜组成，在光源至探测器的光路上依次排列安装有光源、光源准直系统、起偏振器、光学活性物质构成的偏振旋转片、检偏振器、聚光棱镜及探测器；样品池中心部位设于两个棱镜的焦面位置，探测器置于聚光棱镜的焦点位置，所述的检偏振器由偏振器、步进电机及码盘构成，计算机控制旋转偏振器的角度扫描速度和步长并记取探测器的光强。

所述的光谱仪具有两种调节操作形式，一种是起偏振器固定，检偏振器旋转；另一种是起偏振器旋转，检偏振器固定。构成偏振旋转片的材料为固态光学活性物质或液态光学活性物质；所述的固态光学活性物质是指α-石英α-SiO₂、碘酸锂LiIO₃、α-碘酸α-HIO₃、辰砂HgS、碲Te中任意一种，所述的液态光学活性物质是指液晶、蔗糖溶液中任意一种。液态光学活性物质被放入透明玻璃器皿中构成偏振旋转片。光源采用非相干光源或相干光源。探测器采用光电倍增管或光敏二极管。

本发明宽频带光谱仪是一种能够用于紫外至红外光波段的宽频带光谱测量的傅立叶变换光谱仪。与传统棱镜色散技术相比本发明无须采用色散型仪器上要用到的狭缝，因此具有大的辐射通量和高的测量灵敏度。它具有宽频带、高分辩率、多路性和高通量的优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的目的和实现途径作进一步详细说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的原理示意图；

图3为本发明的另一个原理示意图；

图4为α-石英旋光率的色散函数。

具体实施方式

本发明为一种基于光学活性色散原理的宽频带光谱仪，如图1所示，它包括光源1、光源准直系统、起偏振器4、光学活性物质构成的偏振旋转片5、检偏振器6、探测器8和数据采集控制系统9，光源准直系统由两棱镜2组成，其特征在于：在光源1至探测器8的光路上依次排列安装有光源1、光源准直系统、起偏振器4、光学活性物质构成的偏振旋转片5、检偏振器6、聚光棱镜7及探测器8；样品池3中心部位设于两棱镜2的焦面位置，所述的探测器8置于聚光棱镜7的焦点位置，所述的检偏振器6由偏振器11、步进电机及码盘10构成，计算机9控制旋转偏振器6的角度扫描速度和步长并记取探测器8的光强。

探测器8采用光电倍增管或光敏二极管。光源1采用非相干光源或相干光源即激光。

本发明提供一种基于光学活性色散原理的宽频带光谱仪，其工作原理是由光源1辐射的光波经准直系统后通过起偏振器4形成平面偏振光波，平面偏振光波通过由光学活性材料构成的偏振旋转片5后不同波长的入射光波具有不同的偏振面旋转角，通过旋转置于偏振旋转片5与探测器8之间的检偏振器6并记录透射光的强度和检偏振器6的旋转角度即可进行光谱测量和光谱分析。

如图2、图3所示，通过起偏振器4后，光波的振动方向平行于起偏振器4的偏振方向，平面偏振光波通过由透明光学活性材料构成的偏振旋转片5，设偏振旋转片5的厚度为d，偏振旋转片5的法向平行于光学活性材料的光轴方向，透过偏振旋转片5后透射偏振光波的偏振面相对于入射光波的偏振面发生旋转。由于光学活性的色散效应，不同波长λ的入射光波具有不同的偏振面旋转角θ，表示为θ＝ρ(λ)d，式中ρ为旋光率，是入射光波长的函数。将一可控制旋转的检偏振器6置于光路中的偏振旋转片5与探测器8之间。当检偏振器6的偏振方向与起偏振器4的偏振方向间的夹角为

时，检偏振器6的偏振方向与透射光偏振面的夹角为

设波长为λ的入射光的光强为I₀(θ)。通过检偏振器6后这一波长的透射光的强度为或

根据强度叠加原理，探测器8记录的强度为所有波长光强的总和，为夹角

的函数

因此可表达为如下的卷积形式：

对上两边取傅立叶变换得到

通过旋转检偏振器6并记录角度

和透射光的强度可由上式计算光谱的傅立叶变换函数

对

进行傅立叶变换的反演即可得到与偏振面旋转角θ相关的光谱I₀(θ)，即I₀(θ)＝F^-1[I₀(φ)]。旋转角θ是波长λ的单值函数。通过旋光率的色散函数ρ(λ)及偏振旋转片5的厚度值d可计算与旋转角θ＝ρ(λ)d对应的波长相关的光谱函数I₀(λ)。α-石英α-SiO₂是一种常用的光学活性晶体材料，其旋光率色散函数ρ(λ)如图4所示。根据α-石英的旋光率色散函数ρ(λ)，可求得波长λ与旋转角θ之间的函数关系，如下式所示：

$\mathrm{\λ}={[0.03896+0.13637\left(\frac{\mathrm{\θ}}{d}\right)-2.74129\×{10}^{-4}{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{d}\right)}^2+4.39723\×{10}^{-7}{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{d}\right)}^3-3.3064\×{10}^{-10}{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{d}\right)}^4]}^{-\frac{1}{2}}$

式中波长λ的单位为微米，旋转角θ的单位为度，偏振旋转片5的厚度d的单位为毫米。

通过上述分析可以看出本发明是一种傅立叶变换光谱仪。基于光学活性色散原理的宽频带光谱仪的结构框图如图1所示。可旋转检偏振器由偏振器、步进电机和码盘构成，并通过计算机控制检偏振器6的角度扫描速度和步长。

构成偏振旋转片5的材料为固态光学活性物质或液态光学活性物质；所述的固态光学活性物质是指α-石英α-SiO₂、碘酸锂LiIO₃、α-碘酸α-HIO₃、辰砂HgS、碲Te中任意一种，所述的液态光学活性物质是指液晶和蔗糖溶液中任意一种。液态光学活性物质被放入透明玻璃器皿中构成偏振旋转片5。

基于光学活性色散原理的宽频带光谱仪的探测频带宽度取决于光源的辐射光谱范围、棱镜2及偏振器11的工作波长范围、光学活性材料的厚度及透明波长范围、探测器8的探测波段范围。对于常用的α-石英晶体，其透明波长范围为0.18至3.6微米。本发明的分辨率取决于检偏振器旋转的步长值。如果采用步进电机和24位的码盘10，旋转角度的分辨率可达4×10^-5度。步进电机驱动的检偏振器的角度扫描范围为360度。通过改变光学活性材料的厚度d也可改变本发明的分辨率。

所述的光谱仪具有两种调节操作形式，一种是起偏振器4固定，检偏振器6旋转；另一种起偏振器4旋转，检偏振器6固定。采用迈克耳孙干涉仪技术的傅立叶变换光谱仪是基于光学干涉原理，而本发明是基于光学活性色散原理。本发明中的旋转检偏振器6替代基于迈克耳孙干涉仪技术的傅立叶变换光谱仪中的动镜。与传统棱镜色散技术相比本发明无须采用色散型仪器上要用到的狭缝，因此具有大的辐射通量和高的测量灵敏度。宽频带光谱仪具有宽频带、多路性和高通量的优点。采用步进电机和码盘10技术，本发明可实现计算机控制和高速测量。

Claims (6)

1.一种宽频带光谱仪，它包括光源(1)、光源准直系统、起偏振器(4)、光学活性物质构成的偏振旋转片(5)、检偏振器(6)、探测器(8)和数据采集控制系统(9)，光源准直系统由两个棱镜(2)组成，其特征在于：在光源(1)至探测器(8)的光路上依次排列安装有光源(1)、光源准直系统、起偏振器(4)、光学活性物质构成的偏振旋转片(5)、检偏振器(6)、聚光棱镜(7)及探测器(8)；样品池(3)中心部位设于两个棱镜(2)的焦面位置，探测器(8)置于聚光棱镜(7)的焦点位置，所述的检偏振器(6)由偏振器(11)、步进电机及码盘(10)构成，计算机(9)控制旋转偏振器(6)的角度扫描速度和步长并记取探测器(8)的光强。

2.如权利要求1所述的一种宽频带光谱仪，其特征在于：所述的光谱仪具有两种调节操作形式，一种是起偏振器(4)固定，检偏振器(6)旋转；另一种是起偏振器(4)旋转，检偏振器(6)固定。

3.如权利要求1所述的一种宽频带光谱仪，其特征在于：构成偏振旋转片(5)的材料为固态光学活性物质或液态光学活性物质；所述的固态光学活性物质是指α-石英α-SiO₂、碘酸锂LiIO₃、α-碘酸α-HIO₃、辰砂HgS、碲Te中任意一种，所述的液态光学活性物质是指液晶、蔗糖溶液中任意一种。

4.如权利要求3所述的一种宽频带光谱仪，其特征在于：液态光学活性物质被放入透明玻璃器皿中构成偏振旋转片(5)。

5.如权利要求1所述的一种宽频带光谱仪，其特征在于：光源(1)采用非相干光源或相干光源。

6.如权利要求1所述的一种宽频带光谱仪，其特征在于：探测器(8)采用光电倍增管或光敏二极管。

Images