CN103162828A - 基于可调谐珐波利-珀罗滤波器和阵列式探测器光谱仪的超高分辨率光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于可调谐珐波利-珀罗滤波器和阵列式探测器光谱仪的超高分辨率光谱仪。它由一个可调谐的珐波利-珀罗滤波器和一个阵列式探测器光谱仪组成，待测的宽带光谱信号入射到可调谐珐波利-珀罗滤波器，转换成一个梳状的光谱出射，由后端的阵列式探测器光谱仪进行测量。通过逐次调节可调谐珐波利-珀罗滤波器的扫描电压，并利用阵列式探测器光谱仪同时记录该时刻可调谐珐波利-珀罗滤波器输出的梳状光谱，就可以同时获得一个宽波段光谱范围内的整体光谱信息，并具有超高光谱分辨率的特点。本发明可获得一种结构简单、光谱分辨率极高、测量时间很短的新型光谱测量仪器，适用于多种气体成分本征吸收光谱的同时测量。

Description

基于可调谐珐波利-珀罗滤波器和阵列式探测器光谱仪的超高分辨率光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱测量仪器，尤其涉及一种基于可调谐珐波利-珀罗滤波器和阵列式探测器光谱仪的超高分辨率光谱仪。
背景技术
光谱表示光学强度随着光学波长（或光学频率）的分布。光谱测量作为一种基本物性的测量，在各行各业有着广泛的应用。光谱的测量一般都依赖各种光谱仪进行，光谱仪种类繁多，工作原理和性能各有不同。针对不同的应用背景，人类已经发展了各种类型的光谱仪。
二十年来，随着阵列式光电探测器的发展，基于电荷耦合器件（CCD器件）或焦平面阵列器件的阵列式探测器光谱仪已经发展到很高的水平，一般都具有实时的光谱测量能力，并具有相当好的光谱分辨率。但是，基于阵列式探测器的光谱仪的分辨率受限于探测器的像元数和光谱分光系统的结构，在很多应用领域尚不能满足实际需求。
光谱仪采用的阵列式探测器可以是线阵的，也可以是面阵的。对于采用线阵探测器的光谱仪，一般仅需要在一维方向上作光谱展开，因此光谱分光结构相对简单；但是，由于线阵探测器的像元数较少,一般不超过数千个象元，如果要均匀覆盖一个待测的光谱带，所能获得的光谱分辨率就不可能太高。对于采用面阵探测器的光谱仪，探测器本身拥有的像元数较多（一般可达数十万个象元以上），如果光谱分光系统能够将光谱在二维方向展开，则有望获得远比应用线阵探测器的光谱仪更高的光谱分辨率。
当前，采用线阵探测器的光谱仪的分辨率一般可以优于1nm，性能出色的高分辨率线阵光谱仪甚至可以达到0.02nm的分辨率，在这一稿分辨率下，对应的光谱覆盖范围可以达到20—50nm。但是，受限于探测器的结构，其光谱分辨率很难再有更进一步的提高潜力。与此相比，采用两维光谱分光系统和面阵探测器的高分辨率光谱仪在覆盖数十nm带宽的同时，目前有望达到0.001nm的超高分辨率。
为了满足许多应用领域对更高光谱分辨测量的需求，具有优于100MHz以上光谱分辨率、并能同时满足数十nm带宽测量范围的新型光谱测量技术和相关光谱仪具有非常重要的价值，这是因为在大气压下，许多气体本征吸收峰的压力增宽谱线的带宽都在数百MHz数量级。在近红外波段，0.001nm的光谱波长分辨率对应于~GHz水平的光谱频率分辨率。显然，纯粹利用面阵探测器的光谱仪还很难达到100MHz的分辨率水平。
可调谐的法布里-珀罗滤波器（珐波利-珀罗滤波器）是一种获得高分辨率光谱分光的有效技术手段。通过改变可调谐珐波利-珀罗滤波器腔的间距可以调节输出的光谱波长（或频率）。可调谐珐波利-珀罗滤波器的光谱分辨率由它的自由光谱范围和它的精细度决定，其透射的光谱带宽等于自由光谱范围和它的精细度的商。一般珐波利-珀罗滤波器的精细度可以达到100以上，高质量的珐波利-珀罗滤波器的光谱精细度甚至可以达到1000以上。因此，当珐波利-珀罗滤波器的自由光谱范围较小而精细度较高时，可调谐珐波利-珀罗滤波器的光谱分辨率可以做的很好。但此时，可调谐珐波利-珀罗滤波器中一个自由光谱范围覆盖的光谱波段一般就很窄。例如，为获得优于100MHz的光谱分辨率，一个可调谐珐波利-珀罗滤波器的自由光谱范围可以是10GHz，此时，只要可调谐珐波利-珀罗滤波器的精细度优于100，就可以获得优于100MHz的光谱分辨率。在波长为800nm的近红外波段，10GHz的光谱范围仅相当于0.02nm的波长范围，因此在一个数十nm的待测光谱波段内，珐波利-珀罗滤波器输出的光谱模式将非常多，这使得珐波利-珀罗滤波器一般只能应用于激光模式测量。
 
 发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于可调谐珐波利-珀罗滤波器和阵列式探测器光谱仪的超高分辨率光谱仪。
基于可调谐珐波利-珀罗滤波器和阵列式探测器光谱仪的超高分辨率光谱仪由一个可调谐的珐波利-珀罗滤波器和一个阵列式探测器光谱仪组成，待测的宽带光谱信号入射到可调谐珐波利-珀罗滤波器，转换成一个梳状的光谱出射，由后端的阵列式探测器光谱仪进行测量。
所述的可调谐珐波利-珀罗滤波器的自由光谱范围大于或等于后端阵列式探测器光谱仪的光谱分辨率。所述的阵列式探测器光谱仪的探测器是线阵探测器或面阵探测器。所述的可调谐珐波利-珀罗滤波器是平行平面腔构成的可调谐珐波利-珀罗滤波器，或者是共心球面腔构成的可调谐珐波利-珀罗滤波器。
本发明的主要技术优点是既利用了阵列式探测器光谱仪光谱覆盖范围大、测量速度快的特点，又利用了可调谐珐波利-珀罗滤波器光谱分辨率高的特点，同时解决了阵列式探测器光谱仪分辨率不足的主要问题。通过将自由光谱范围与阵列式探测器光谱仪的分辨率相匹配的可调谐珐波利-珀罗滤波器与阵列式探测器光谱仪相结合，获得一种速度快、测量时间很短、覆盖较宽光谱范围（在800nm附近的近红外波段，可达数十nm带宽）、并具有极高光谱分辨率（分辨率优于100MHz）的新型光谱仪器，适用于气体本征吸收光谱的快速测量。利用本发明的相关技术可以在近红外和中波红外波段研制得到分辨率优于100MHz的高性能宽带测量光谱仪。
 
附图说明
图1是基于可调谐珐波利-珀罗滤波器和阵列式探测器光谱仪的超高分辨率光谱仪的结构示意图；
图2是基于可调谐珐波利-珀罗滤波器和线阵探测器光谱仪的超高分辨率光谱仪在各个不同扫描电压时刻梳状光谱落在线阵探测器上的示意图。
 
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，基于可调谐珐波利-珀罗滤波器和阵列式探测器光谱仪的超高分辨率光谱仪由一个可调谐的珐波利-珀罗滤波器1和一个阵列式探测器光谱仪2组成，待测的宽带光谱信号入射到可调谐珐波利-珀罗滤波器1，经由珐波利-珀罗滤波器选频，输出一组满足珐波利-珀罗滤波器谐振条件的梳状光谱成分；由珐波利-珀罗滤波器输出的梳状光谱继续入射到后端的阵列式探测器光谱仪2，并由阵列式探测器实时给出该梳状光谱的准确数值。通过改变加在珐波利-珀罗滤波器上的扫描电压，可以连续地扫描从珐波利-珀罗滤波器输出的梳状光谱。当扫描的电压对应于移动一个自由光谱范围的电压，并在扫描的每个时刻利用后端的阵列式探测器记录该时刻的梳状光谱，就可以综合各组梳状光谱获得一个完整的高分辨率光谱图像。
所述的可调谐珐波利-珀罗滤波器1的自由光谱范围大于或等于后端阵列式探测器光谱仪2的光谱分辨率。
所述的阵列式探测器光谱仪2的探测器是线阵探测器或面阵探测器。
所述的可调谐珐波利-珀罗滤波器1是平行平面腔构成的可调谐珐波利-珀罗滤波器，或者是共心球面腔构成的可调谐珐波利-珀罗滤波器。
如图2所示，由可调谐珐波利-珀罗滤波器输出的梳状光谱在各个不同扫描电压时候，落在线阵探测器光谱仪的线阵探测器的不同象元上。图中示意性地给出了第一条谱线和第六条谱线在经过半个自由光谱范围对应电压和一个自由光谱对应电压后的谱线移动情况。通过调节加在可调谐珐波利-珀罗滤波器上的电压，可以改变可调谐珐波利-珀罗滤波器的一组输出谱线的位置。随着电压的不断变化，该组光谱表现出光谱扫描的特征。当扫描电压达到一个自由光谱范围相对应的值时，该组光谱中的每一条谱线就对应地扫过了一个自由光谱范围的光谱。通过利用阵列式探测器光谱仪记录可调谐珐波利-珀罗滤波器在各个电压下的输出光谱组，就可以完整地测量整个光谱范围内的高分辨率光谱。实际工作时，经过一个自由光谱范围对应电压的扫描，扫描后的输出谱线实际上基本接近初始时刻的梳状光谱情况。

Claims (4)

1.一种基于可调谐珐波利-珀罗滤波器和阵列式探测器光谱仪的超高分辨率光谱仪，其特征在于它由一个可调谐的珐波利-珀罗滤波器（1）和一个阵列式探测器光谱仪(2)组成，待测的宽带光谱信号入射到可调谐珐波利-珀罗滤波器(1)，转换成一个梳状的光谱出射，由后端的阵列式探测器光谱仪（2）进行测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于可调谐珐波利-珀罗滤波器和阵列式探测器光谱仪的超高分辨率光谱仪，其特征在于所述的可调谐珐波利-珀罗滤波器（1）的自由光谱范围大于或等于后端阵列式探测器光谱仪(2)的光谱分辨率。
3.根据权利要求1所述的一种基于可调谐珐波利-珀罗滤波器和阵列式探测器光谱仪的超高分辨率光谱仪，其特征在于所述的阵列式探测器光谱仪(2)的探测器是线阵探测器或面阵探测器。
4.根据权利要求1所述的一种基于可调谐珐波利-珀罗滤波器和阵列式探测器光谱仪的超高分辨率光谱仪，其特征在于所述的可调谐珐波利-珀罗滤波器（1）是平行平面腔构成的可调谐珐波利-珀罗滤波器，或者是共心球面腔构成的可调谐珐波利-珀罗滤波器。
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