CN101592472B - 时间分辨的单光栅干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时间分辨的单光栅干涉仪，包括一平面透明光栅、一平面反射镜，一光源和至少一个光探测器；光源置于平面透明光栅的一侧，发出的平行光通过平面透明光栅时，在平面透明光栅的两侧分别产生一组衍射光束；在与其中一组衍射光束的任一级衍射光垂直的方向上设置平面反射镜，使该级衍射光沿原路返回平面透明光栅，并在平面透明光栅的两侧再次分别产生一组衍射光束；这两组衍射光束与第一次产生的两组衍射光束完全重合，每一束衍射光包含两个不同相位的成份，形成具有一定相位差且时间相干的干涉光；光探测器置于平面透明光栅的任一侧，接收并探测至少一束干涉光。该时间分辨的单光栅干涉仪结构简单紧凑，灵敏度高，稳定性好，容易操作。

Description

时间分辨的单光栅干涉仪

技术领域

本发明涉及传感和探测技术领域，尤其涉及一种时间分辨的单光栅干涉仪，这类干涉仪通常由一平面透明光栅(如平面玻璃光栅)、一平面反射镜、一光源、一个或多个探测器共同组成，结构简单，灵敏度高，可以广泛地应用于信息科学领域，尤其是传感和探测技术中，例如测定温度、位移、声波、振动、液体和气体的折射率、溶液浓度以及薄膜光学厚度等，也可以用来制备生物或化学传感器。

背景技术

与传统的电学测量仪器相比，光学测量仪器具有灵敏度高、抗电磁干扰、体积小质量轻、安全可靠等优点。而在众多的光学测量仪器中，干涉仪又是最敏感最精确的测量仪器之一。光学干涉仪分为空间分辨和时间分辨两种类型，现有的光栅干涉仪主要为空间分辨型，用于二维成像，表面形貌和表面压力分析等，其中有一些是基于单光栅的空间干涉仪。

例如：2006年Cruz Meneses-Fabian等人利用光栅作为空间滤波器进行二维空间相位状态提取[Cruz Meneses-Fabian，Gustavo Rodriguez-Zurita，Jose F.Vazquez-Castillo，Carlos Robledo-Sanchez，Victor Arrizon，Optics Communications 264(2006)13-17]；2006年Lorenzo Juarez P.等人使用单衍射光栅制成三高斯光束干涉仪探测光学平滑表面的形貌[LorenzoJuarez P.，Moises Cywiak，Bernardino Barrientos，J.M.Flores Moreno，OpticsCommunications 268(2006)209-214]；2007年Cheng-Chih Hsu等人使用外差光栅干涉仪来测量一维和二维空间的位移[Cheng-Chih Hsu，Chyan-Chyi Wu，Ju-Yi Lee，Hui-Yi Chen，Han-Fu Weng，Optics Communications281(2008)2582-2589]。

空间分辨型光栅干涉仪需要利用价格昂贵的高分辨率CCD相机来观察和记录干涉条纹的分布和变化，与之相比，时间干涉的条纹极易被探测，比如使用一个廉价的光电二极管即可探测。

据我们所知，除了几种典型的干涉仪如法布里-珀罗干涉仪、迈克耳逊干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪和瑞利干涉仪之外，时间分辨型光栅干涉仪迄今未见报道。

本发明提供的时间分辨的单光栅干涉仪与之前由本发明同一申请人提出的时间分辨型双光栅干涉仪一样，可以填补这一技术空白，而且比双光栅干涉仪更为优越的是单光栅干涉仪使用的器件更少，结构更简单紧凑，灵敏度也更高，稳定性更好，更容易操作。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种结构简单紧凑、灵敏度高、稳定性好、容易操作的时间分辨的单光栅干涉仪，以填补时间分辨型单光栅干涉仪缺失的空白。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种时间分辨的单光栅干涉仪，包括一平面透明光栅、一平面反射镜，一光源和至少一个光探测器；

所述光源置于平面透明光栅的一侧，发出的平行光通过所述平面透明光栅时，在所述平面透明光栅的两侧分别产生一组衍射光束，其中一组为反射衍射光束，另一组为透射衍射光束；

在与所述反射衍射光束或透射衍射光束中任一级衍射光垂直的方向上设置所述平面反射镜，使该级衍射光沿原路返回所述平面透明光栅，并在所述平面透明光栅的两侧再次分别产生一组衍射光束，其中一组为反射衍射光束，另一组为透射衍射光束；这两组衍射光束与第一次产生的两组衍射光束完全重合，形成具有一定相位差且时间相干的干涉光；

所述光探测器置于平面透明光栅的任一侧，接收并探测至少一束所述干涉光。

此外，根据本发明的一个实施例，所述平面反射镜与所述光源置于平面透明光栅的异侧，所述第一次产生的两组衍射光束分别与所述第二次产生的两组衍射光束重合，形成具有一定相位差且时间相干的干涉光时，且所述第一次产生的透射衍射光束与第二次产生的反射衍射光束重合，所述第一次产生的反射衍射光束与第二次产生的透射衍射光束重合。

此外，根据本发明的一个实施例，所述平面反射镜与所述光源置于平面透明光栅的同侧，所述第一次产生的两组衍射光束分别与所述第二次产生的两组衍射光束重合，形成具有一定相位差且时间相干的干涉光时，且所述第一次产生的反射衍射光束与第二次产生的反射衍射光束重合，所述第一次产生的透射衍射光束与第二次产生的透射衍射光束重合。

此外，根据本发明的一个实施例，所述平面反射镜与所述平面透明光栅之间进一步设置一透明样品池，来自所述平面透明光栅的某级衍射光束在被反射前和反射后垂直穿透该透明样品池，在该透明样品池中注入待分析的液体或气体试样，通过监测任一干涉光束相位的变化，实现对该透明样品池中试样的分析。

此外，根据本发明的一个实施例，所述平面反射镜与所述平面透明光栅之间进一步设置一薄膜样品，来自所述平面透明光栅的某级衍射光束在被反射前和反射后垂直穿透该薄膜样品，旋转薄膜样品改变入射角度，同时监测任一干涉光束相位的变化，实现对该薄膜样品光学厚度的测定。

此外，根据本发明的一个实施例，平行移动所述平面反射镜，监测任一干涉光束相位的变化，实现对该平面反射镜极其微小的距离变化的测定。

此外，根据本发明的一个实施例，利用在所述平面透明光栅与所述平面反射镜之间空气密度的变化对干涉光相位的影响，实现对声波、水声、振动的探测。

此外，根据本发明的一个实施例，利用微机械加工工艺将所述平面透明光栅与所述平面反射镜制作在同一基板上，形成微小型单光栅干涉仪。

此外，根据本发明的一个实施例，所述平面透明光栅为平面玻璃光栅。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种时间分辨的单光栅干涉仪，由一平面透明光栅(如平面玻璃光栅)、一平面反射镜、一光源、一个或多个探测器共同组成，结构简单紧凑，灵敏度高，稳定性好，容易操作，可以广泛地应用于信息科学领域，尤其是传感和探测技术中，例如测定温度、位移、声波、振动、液体和气体的折射率、溶液浓度以及薄膜光学厚度等，也可以用来制备生物或化学传感器，填补了时间分辨型单光栅干涉仪缺失的空白。

附图说明

图1是本发明提供的用于气体、化学和生物分析的时间分辨的单光栅干涉仪的结构示意图；

图2是用于测量位移的单光栅干涉仪的结构示意图；

图3是反射镜与光源在光栅同一侧的时间分辨的单光栅干涉仪的结构示意图；

图4是时间分辨的单光栅干涉仪信号对声波的响应示意图；

图5是通过旋转玻璃片改变入射角而改变光程差的示意图；

图6(a)是理论计算获得的干涉光强度与图5所示的入射角的依赖关系的示意图；

图6(b)是在改变图5所示的入射角的过程中测得的干涉光强度随时间的变化的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是本发明提供的用于气体、化学和生物分析的时间分辨的单光栅干涉仪的结构示意图，用来监测样品池内物质的物理或化学变化，其中1为平面透明光栅，2为平面反射镜，3为光探测器，4为光源，5为样品池。所述平面透明光栅一般为平面玻璃光栅。

本发明提供的时间分辨的单光栅干涉仪包括：一平面透明光栅1、一平面反射镜2，一光源4和至少一个光探测器3。

其中，所述光源4置于平面透明光栅1的一侧，发出的平行光通过所述平面透明光栅1时，在所述平面透明光栅1的两侧分别产生一组衍射光束，其中一组为反射衍射光束，另一组为透射衍射光束。

在与所述反射衍射光束或透射衍射光束中任一级衍射光垂直的方向上设置所述平面反射镜2，使该级衍射光束沿原路返回所述平面透明光栅1，并在所述平面透明光栅1的两侧再次分别产生一组衍射光束，其中一组为反射衍射光束，另一组为透射衍射光束；所述第一次产生的两组衍射光束分别与所述第二次产生的两组衍射光束重合，形成具有一定相位差且时间相干的干涉光。

所述光探测器3置于平面透明光栅1的任一侧，接收并探测至少一束所述干涉光。

在图1中，由光源发出的平行光照射到平面透明光栅上产生衍射，在光栅两侧各产生一组衍射光束，其中一组为反射衍射光束，另一组为透射衍射光束。选取第一级衍射光使之透过样品池后经平面反射镜反射并沿原路返回，该反射光束透过样品池后照射到平面透明光栅的同一位置后再次发生衍射，其透射衍射光束与第一次产生的反射衍射光束完全重合，即第二次产生的透射衍射的零级衍射光束与第一次产生的反射衍射的第一级衍射光束重合，即该光束包含两个成分。来自平面透明光栅的多个衍射光束可以提供多束时间相干光束用于测量。

图1所示这类干涉仪稍作变化就可以用来测量极其微小的位移变化，例如图2是使用本发明中单光栅干涉仪测量位移的示意图，相应的器件与图1相同，通过平行移动平面反射镜达到改变被测光束两成分之间相位差的目的，从而对平面反射镜的极其微小的位置变化进行测量。

另外，本发明的结构中，平面反射镜和光探测器可以交换位置，即所述平面反射镜与所述光源可置于平面透明光栅的同侧或异侧。如图3所示，相应的器件与图1相同，光源发出的平行光入射到平面透明光栅上，产生一组透射衍射光束，和一组反射衍射光束，我们选取某级反射衍射光使之通过样品池，然后被平面反射镜反射后再次通过样品池并照射在光栅的同一位置而再次发生衍射，在平面透明光栅两侧分别形成一组衍射光束。这两组衍射光束与第一次产生的衍射形成的光束将完全重合，这样在光栅的两侧可以得到多束干涉光，每一束光包含两个成分，这两个成分的相位差是时间分辨的。同样，这种结构也可以用类似图2的方法来测量位移。

当所述平面反射镜与所述光源置于平面透明光栅的异侧时，所述第一次产生的透射衍射光束与第二次产生的反射衍射光束重合，所述第一次产生的反射衍射光束与第二次产生的透射衍射光束重合。

当所述平面反射镜与所述光源置于平面透明光栅的同侧时，所述第一次产生的反射衍射光束与第二次产生的反射衍射光束重合，所述第一次产生的透射衍射光束与第二次产生的透射衍射光束重合。

根据具体的实验目的或需求这类单光栅干涉仪还可以应用在更广泛的测量领域，比如物理上测定温度、声波、振动、薄膜光学厚度，化学上测量液体和气体折射率、溶液浓度、混合气体浓度以及生物上监测DNA或蛋白质分子的表面吸附动力学规律等。

例如，在所述平面反射镜与所述平面透明光栅之间进一步设置一透明样品池，来自所述平面透明光栅的某级衍射光束在被反射前和反射后垂直穿透该透明样品池，在该透明样品池中注入待分析的液体或气体试样，通过监测任一干涉光束相位的变化，实现对该透明样品池中试样的分析。

或者，在所述平面反射镜与所述平面透明光栅之间进一步设置一薄膜样品，来自所述平面透明光栅的某级衍射光束在被反射前和反射后垂直穿透该薄膜样品，旋转薄膜样品改变入射角度，同时监测任一干涉光束相位的变化，实现对该薄膜样品光学厚度的测定。

或者，平行移动所述平面反射镜，监测任一干涉光束相位的变化，实现对该平面反射镜极其微小的距离变化的测定。

或者，利用在所述平面透明光栅与所述平面反射镜之间空气密度的变化对干涉光相位的影响，实现对声波、水声、振动的探测。

另外，本发明利用微机械加工工艺将所述平面透明光栅与所述平面反射镜制作在同一基板上，形成微小型单光栅干涉仪。

由于时间分辨的单光栅干涉仪非常敏感，为了避免非正常扰动影响实验结果，整个实验过程在充气防震的光学平台上进行。图4是测得的干涉信号对声波的响应，这里声波来自于人为说话声，可以看出单光栅干涉仪可以用来进行声波、噪声和振动检测。

实际应用中，在平面透明光栅和平面反射镜之间放置一个透明样品池，使某级衍射光及其反射光透过样品池。如果样品池内的物质发生变化，比如改变样品池内液体的折射率，那么每一束干涉光所包含的两个成分的相位差也将因此而改变，这时若利用光探测器监测任一束干涉光的相位差随时间的变化，就能探测到样品池内的物理或化学变化。

下文及附图描述了实际操作过程：

首先，用一个玻璃片代替样品池进行实验验证，固定玻璃片的中心，然后旋转玻璃片以达到改变光束入射角的目的，其实质是改变了被探测光束所包含的两成分的光程差，这与改变样品池中待测溶液或混合气体浓度所达到的目的是相同的。为了减小相位差变化受温度的影响，选用厚度为100μm的薄膜玻璃片。如图5所示，当玻璃片旋转时光程差的计算与双光栅干涉仪的情况一样。不同的是光束两次经过玻璃片，光程差的变化量是双光栅干涉仪情况下的两倍，这样灵敏度也相应提高了一倍。通过理论计算可以得到 $\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\×2[d-l_1+n(l_2-d)],$ d是玻璃片厚度，n是玻璃片折射率，λ是所使用的光的波长，其中l₁和l₂是不同角度情况下光走过的某段距离，可表示为 $l_2=\frac{d}{\cos \left[\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n}\right)\right]},$ $l_1=l_2\cos [\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n}\right)],$ θ是光束的入射角。在实验中我们使用波长为632.8纳米的激光。

由于干涉光强 $I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \mathrm{\Δ\Φ},$ 当被探测光束的两成分强度相等或接近时，根据这些式子，可以得到探测光强度相对于入射角变化的理论曲线，例如，当入射角从0°变化到25°时，理论计算所得的曲线如图6(a)所示。实验中，将玻璃片固定在旋转的测角仪上，同样从垂直入射开始旋转25°角，然后用光探测器记录干涉光强度随时间的变化，测得的曲线如图6(b)所示，可以看出实验测量值与理论计算值符合的很好。

如果将玻璃片换成装有液体的样品池，通过改变液体的折射率相信可以获得同样成功的实验结果。这类时间相干的单光栅干涉仪与之前由本发明同一申请人提出的时间相干的双光栅干涉仪相比进一步提高了灵敏度，简化了结构，在传感和探测技术方面有很大的潜力，可以广泛地应用于物理、生物、化学等领域。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种时间分辨的单光栅干涉仪，其特征在于，包括一平面透明光栅、一平面反射镜，一光源和至少一个光探测器；

所述光源置于平面透明光栅的一侧，发出的平行光通过所述平面透明光栅时，在所述平面透明光栅的两侧分别产生一组衍射光束，其中一组为反射衍射光束，另一组为透射衍射光束；

在与所述反射衍射光束或透射衍射光束中任一级衍射光垂直的方向上设置所述平面反射镜，使该级衍射光沿原路返回所述平面透明光栅，并在所述平面透明光栅的两侧第二次分别产生一组衍射光束，其中一组为反射衍射光束，另一组为透射衍射光束；这两组衍射光束与第一次产生的两组衍射光束完全重合，形成具有一定相位差且时间相干的干涉光；

所述光探测器置于平面透明光栅的任一侧，接收并探测至少一束所述干涉光。

2.根据权利要求1所述的时间分辨的单光栅干涉仪，其特征在于，所述平面反射镜与所述光源置于平面透明光栅的异侧，所述第一次产生的两组衍射光束分别与所述第二次产生的两组衍射光束重合，形成具有一定相位差且时间相干的干涉光时，且所述第一次产生的透射衍射光束与第二次产生的反射衍射光束重合，所述第一次产生的反射衍射光束与第二次产生的透射衍射光束重合。

3.根据权利要求1所述的时间分辨的单光栅干涉仪，其特征在于，所述平面反射镜与所述光源置于平面透明光栅的同侧，所述第一次产生的两组衍射光束分别与所述第二次产生的两组衍射光束重合，形成具有一定相位差且时间相干的干涉光时，且所述第一次产生的反射衍射光束与第二次产生的反射衍射光束重合，所述第一次产生的透射衍射光束与第二次产生的透射衍射光束重合。

4.根据权利要求1所述的时间分辨的单光栅干涉仪，其特征在于，所述平面反射镜与所述平面透明光栅之间进一步设置一透明样品池，来自所述平面透明光栅的某级衍射光束在被反射前和反射后垂直穿透该透明样品池，在该透明样品池中注入待分析的液体或气体试样，通过监测任一干涉光束相位的变化，实现对该透明样品池中试样的分析。

5.根据权利要求1所述的时间分辨的单光栅干涉仪，其特征在于，所述平面反射镜与所述平面透明光栅之间进一步设置一薄膜样品，来自所述平面透明光栅的某级衍射光束在被反射前和反射后垂直穿透该薄膜样品，旋转薄膜样品改变入射角度，同时监测任一干涉光束相位的变化，实现对该薄膜样品光学厚度的测定。

6.根据权利要求1所述的时间分辨的单光栅干涉仪，其特征在于，平行移动所述平面反射镜，监测任一干涉光束相位的变化，实现对该平面反射镜极其微小的距离变化的测定。

7.根据权利要求1所述的时间分辨的单光栅干涉仪，其特征在于，利用在所述平面透明光栅与所述平面反射镜之间空气密度的变化对干涉光相位的影响，实现对声波、水声、振动的探测。

8.根据权利要求1所述的时间分辨的单光栅干涉仪，其特征在于，利用微机械加工工艺将所述平面透明光栅与所述平面反射镜制作在同一基板上，形成微小型单光栅干涉仪。

9.根据权利要求1所述的时间分辨的单光栅干涉仪，其特征在于，所述平面透明光栅为平面玻璃光栅。

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