CN103162834B - 一种多反射单弹光调制傅里叶变换光谱仪光路结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型傅里叶变换光谱仪，是一种能够实现高速、高光谱分辨率、高稳定度和高通量的多反射单弹光调制型傅里叶变换光谱仪结构，提供一种光谱分辨率很高、调制速度高、无机械运动，同时又能保证足够光通量的新型单弹光调制型干涉仪结构，用来代替传统的迈克尔逊干涉仪，并结合相应的前置收集光系统，形成一种新型的，能够实现高速、高光谱分辨率、高稳定性和高通量的傅里叶变换光谱仪结构。本发明的技术解决方案是：一种多反射单弹光调制傅里叶变换光谱仪光路结构，沿光入射光路依次由第一透镜、第二透镜、光阑、起偏器、静态双折射晶体、第三透镜、弹光调制器、检偏器、第四透镜和探测器构成。

Description

一种多反射单弹光调制傅里叶变换光谱仪光路结构

技术领域

本发明涉及一种新型傅里叶变换光谱仪，是一种能够实现高速、高光谱分辨率、高稳定度和高通量的多反射单弹光调制型傅里叶变换光谱仪结构。

技术背景

高速、高分辨率、宽光谱范围的光谱测量技术及仪器在科学研究、宇宙探索、环境监测、航天、军事、安全生产和化学分析等方面有广泛的应用和迫切的需求。在众多的光谱仪中，傅里叶变换光谱仪在灵敏度、光谱范围、分辨率等方面较其它如光栅、棱镜等类型光谱仪有着显著优势，因而被广泛应用于光谱测量领域。随着科学研究的深入、军事、航空航天等高科技领域的飞速发展，对光谱测量的速度、光谱范围及分辨率方面的要求也越来越苛刻。现有傅里叶变换光谱仪已无法完全满足要求，因此研究高性能傅里叶变换光谱仪具有重要意义。

扫描型傅里叶变换光谱仪采用动镜扫描的迈克尔逊干涉具的结构，可以获得很高的光谱分辨率，但速度慢、对扫描机构的抗震动和镜面的要求高。为了克服扫描型FTS的缺点，研究者一直对其进行不懈的探索，在驱动方式和动镜扫描方法上加以改进。据报道[Inducingand Correction of Photometric Error Introduced to FTIR Spectra by a Non-Linear.Proc.11th Int.Conf.on Fourier Transform，Spectroscopy，AIP Conf.Proceedings，1998，43084.]，音圈驱动的迈克尔逊干涉仪最大扫描速度达几米/秒，在1cm^-1的分辨率下，其扫描速度可达几百次/秒，但对扫描结构的要求非常苛刻。Winthrop Wadsworth研究成功的旋转扫描镜式光谱仪[Rugged High Speed Rotary Imaging Fourier Transform Spectrometer forIndustrial Use[C].Vibrational Spectroscopy-b ased Sensor Systems.Proc.ofSPIE，2002，4577：83-88.]，其旋转速度为360次/s，光谱分辨率可达1cm^-1，选用合适的光学器件和探测器，其光谱范围可达1～25μm[4]；OPTRA公司开发的高速谐振镜傅里叶变换光谱仪[High-Speed Resonant FTIR Spectrometer.Next-Generation Spectroscopic Technologies III.Proc.of SPIE，2010，7680，76800S-76800S-12]在分辨率为8cm-1时，其速度可达10kHz，光谱范围为7～14μm。虽然上述改进使扫描型傅里叶变换光谱仪的速度已有显著提高，但始终无法完全克服因机械结构带来的低速、抗震性能差的缺点，限制了其在高速、瞬态光谱测量领域的应用。

弹光调制器的通光角孔径大(可用的锥角达±50°)、受光面积大(通光孔径一般为20mm，最大为45mm)、调制频率范围宽(10～200kHz)、光谱范围宽(从紫外到近红外)等优点。这些优点使得弹光调制在大视场、高速度、宽光谱测量中具有不可比拟的优势。但商业上可获得的弹光调制器采用单驱动器，仅能产生5～10μm的光程差，即最大光谱分辨率为1000cm^-1。理论上，为提高光谱分辨率，可增加弹光调制器驱动电压或将多个弹光调制器串联使用。前者受材料的热、力学性能限制，增加光程差的效果不显著，因为增加驱动电压不仅受双折射光学材料断裂极限的约束，而且高压驱动的弹光调制器产生的热，会导致其温度上升、引起其固有频率变化，因此，需要研制具有温度控制和频率跟踪功能的高压驱动器；采用多个弹光调制器串联方式，由于弹光调制器之间的差异及高机械品质因数特点，将他们调谐到同一个频率很困难；另外，多个弹光调制器界面的多次反射将导致光能的大量损失，这些问题限制了串联方式的应用。文献[High Retardation-Amplitude Photoelastic Modulator：US7,764,415B2.2010-7-27]提出将一长棒等效为多个独立单元的思想，以增大光程差，这些方案理论上尚不成熟，并且对控制要求很高。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种光谱分辨率很高、调制速度高、无机械运动，同时又能保证足够光通量的新型单弹光调制型干涉仪结构，用来代替传统的迈克尔逊干涉仪，并结合相应的前置收集光系统，形成一种新型的，能够实现高速、高光谱分辨率、高稳定性和高通量的傅里叶变换光谱仪结构。

本发明的技术解决方案是：一种多反射单弹光调制傅里叶变换光谱仪光路结构，沿光入射光路依次由第一透镜、第二透镜、光阑、起偏器、静态双折射晶体、第三透镜、弹光调制器、检偏器、第四透镜和探测器构成。

所述的静态双折射晶体，通光方向应为晶体的光轴方向，其产生与弹光调制器最大光程差相同的静态光程差。

所述的弹光调制器包括压电驱动器和弹光晶体，弹光晶体外形为八角形，前后通光面为球面，并镀制相互交错的高反射率膜。

弹光晶体的前后通光面的曲率半径相同，且曲率半径优选400～600mm，弹光晶体厚度优选20～40mm，弹光晶体内反射次数优选15～30次。

所述的探测器放置于第四透镜的焦点处。

探测器与数据处理显示器连通。

压电驱动器的驱动电压频率优选30～60kHz。

第三透镜焦点在弹光晶体的中心。

高反射率膜的厚度小于10μm。

起偏器起偏方向与检偏器检偏方向平行放置，并分别与弹光调制器成±45°夹角。

本发明的优点在于：

1、利用弹光调制器调制速度快，干涉调制时间为数10μs，使得光谱测量速度比传统迈克尔逊提高了3～4个数量级；

2、弹光调制器的曲面多次反射结构兼顾了系统的光谱分辨率和光通量，对入射光斑大小要求小；

3、本发明无需分光，减少了整个光学系统像差；

4、本发明无机械运动部件，抗振动能力强；

5、本发明只利用弹光调制器调节，易于控制；

6、本发明原理和结构简单，便于加工，易于装调。

附图说明

图1是本发明结构原理示意图；

图2是本发明弹光调制器的结构示意图；

图3是本发明弹光晶体内多次反射结构示意图；

图4是本发明弹光晶体的通光面与高反射率膜位置示意图。

图中：1为第一透镜、2为第二透镜、3为光阑、4为起偏器、5为静态双折射晶体、6为第三透镜、7为压电驱动器、8为弹光晶体、9为高反射率膜、10为检偏器、11为第四透镜、12为探测器、13为数据处理显示器、14为弹光调制器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细阐述。

如图1-4所示，一种多反射单弹光调制傅里叶变换光谱仪光路结构，沿光入射光路依次由第一透镜1、第二透镜2、光阑3、起偏器4、静态双折射晶体5、第三透镜6、弹光调制器14、检偏器10、第四透镜11和探测器12构成。第一透镜1和第二透镜2组成的望远准直系统，对目标入射光线进行聚焦、准直并缩束；光阑3放置在望远准直系统后，限制入射光的能量，并起到消除系统杂散光的作用；起偏器4、静态双折射晶体5、第三透镜6、弹光调制器14、检偏器10、第四透镜11和探测器12构成高速、大光程差和高稳定性的单弹光调制型干涉仪，所述的静态双折射晶体5，通光方向应为晶体的光轴方向，其产生与弹光调制器14最大光程差相同的静态光程差。所述的弹光调制器14包括压电驱动器7和弹光晶体8，弹光晶体8外形为八角形，前后通光面为球面，并镀制相互交错的高反射率膜9。弹光晶体8的前后通光面的曲率半径相同，且曲率半径优选400～600mm，弹光晶体8厚度优选20～40mm，弹光晶体8内反射次数优选15～30次。第三透镜6焦点在弹光晶体8的中心，第三透镜6保证了被测光入射与出射弹光晶体8的光斑大小相同，其中起偏器4起偏方向与检偏器10检偏方向平行放置，并分别与弹光调制器14成±45°夹角，对被测入射光进行起偏，以满足弹光调制的干涉要求；静态双折射晶体5产生一定的静态光程差，起到增大调制光程差的目的；高反射率膜9的厚度小于10μm，高反射率膜9对被测光进行多次反射，以增大调制光程差；弹光调制器14对入射的偏振光进行人工双折射干涉调制，以满足弹光调制干涉要求；第四透镜11将调制后的干涉光聚焦至探测器12的光敏面处；探测器12采集干涉数据，探测器为点探测器，放置于第四透镜11的焦点处。探测器12与数据处理显示器13连通，数据处理显示器13通过压电驱动器7提供参考信号，对探测器采集的干涉信号傅里叶变换得到被测目标光谱并显示。压电驱动器7的驱动电压频率优选30～60kHz。

优选的，静态双折射晶体5的通光方向应为晶体的光轴方向，其产生与弹光调制器最大光程差相同的静态光程差；

优选的，弹光晶体8两曲面采用曲率半径为400mm-600mm的球面，既保证多的反射次数，又不影响弹光晶体的振动；

优选的，弹光晶体8前后同光表面镀制交错对称的高反射率膜，减小入射光在弹光晶体内实现多次反射后光能量的损耗；

优选的，弹光晶体8前后同光表面镀制交错对称的高反射率膜9，厚度小于10μm，减小反射膜对振动的影响，减小振动对反射的影响；

优选的，弹光调制器14调制频率优选30～60KHz，弹光晶体8厚度优选20～40mm，晶体内反射次数优选15～30次；

本发明的原理为，被测目标入射光通过第一透镜1和第二透镜2聚焦、缩束并准直，然后经由弹光调制干涉仪进行双折射干涉调制，经探测器12把调制后的干涉光信号转化为电信号，数据处理显示器13再对给光电处理显示被测光谱。

光阑3的作用是限制进入光谱仪光束的孔径，以及消除杂散光和限制入射光强的作用。使用轴对称结构的一级或多级光阑3，并进行氧化发黑等处理后，可以控制进入成像光谱仪光束的方向，消除视场角外的杂散光。

压电石英驱动器7外形为长方体，压电石英切割方向优选xyt(-18.5°)，该切割方向很好的保证了振动频率的单一性，保证工作的长时间稳定。

参见图3，由于单弹光调制产生光程差有限，为了提高光程差，采用多次反射的方法。由于单弹光晶体形成是二维驻波，所以调制光程差幅值中心最大，随着偏离中心距离的增大，调制的光程差幅值也减小，并且反射次数多光能损耗就多。为兼顾大光程差、高光能利用率和高稳定性，本发明弹光晶体8外形采用八角形，通光面为球面，并镀制相互交错的高反射率膜9。从图中3可以看出在弹光晶体8调制光程差大的位置反射次数多。由于该反射结构进入弹光晶体8的光入射角比较大，所以就降低入射光斑大小的要求。整个弹光调制干涉仪由于谐振工作特性，对外界振动不敏感，从而保证了整个系统的抗振动能力很高。

实施例1

参数如下：

1、波段范围：0.8μm～16μm；

2、光谱分辨力：优于4cm^-1；

3、干涉调制时间：10.17μs；

4、入射光斑直径：最大可达5mm；

5、光能利用率：＞35％；

对应的：弹光晶体8材料选用ZnSe；起偏器4与检偏器11为以ZnSe为衬底的全息刻蚀偏振片，消光比200∶1；所有反射镜均镀制金全反膜，并加保护层；探测器12为HgCdTe点探测器；弹光调制器14的尺寸为，弹光晶体8宽33.2mm，进行10mm的倒角处理，将其外形加工为八角形，厚度为32mm，通光面为曲率半径为500mm球面；压电石英晶体7，50.8cm×26.1cm×6.4cm；干涉仪的谐振工作电压＞1000V；驱动频率49.150kHz；反射次数25次，配合上静态双折射晶体5，其调制光程差＞2.5mm；即可。

此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了较详细的说明，所属领域的技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种多反射单弹光调制傅里叶变换光谱仪光路结构，其特征在于：沿光入射光路依次由第一透镜(1)、第二透镜(2)、光阑(3)、起偏器(4)、静态双折射晶体(5)、第三透镜(6)、弹光调制器(14)、检偏器(10)、第四透镜(11)和探测器(12)构成，所述的静态双折射晶体(5)，通光方向应为晶体的光轴方向，其产生与弹光调制器(14)最大光程差相同的静态光程差，所述的弹光调制器(14)包括压电驱动器(7)和弹光晶体(8)，弹光晶体(8)外形为八角形，前后通光面为球面，并镀制相互交错的高反射率膜(9)。

2.根据权利要求1所述的一种多反射单弹光调制傅里叶变换光谱仪光路结构，其特征在于：弹光晶体(8)的前后通光面的曲率半径相同，且曲率半径为400～600mm，弹光晶体(8)厚度为20～40mm，弹光晶体(8)内反射次数为15～30次。

3.根据权利要求1所述的一种多反射单弹光调制傅里叶变换光谱仪光路结构，其特征在于：所述的探测器(12)放置于第四透镜(11)的焦点处。

4.根据权利要求1所述的一种多反射单弹光调制傅里叶变换光谱仪光路结构，其特征在于：探测器(12)与数据处理显示器(13)连通。

5.根据权利要求1所述的一种多反射单弹光调制傅里叶变换光谱仪光路结构，其特征在于：压电驱动器(7)的驱动电压频率为40～60kHz。

6.根据权利要求1所述的一种多反射单弹光调制傅里叶变换光谱仪光路结构，其特征在于：第三透镜(6)焦点在弹光晶体(8)的中心。

7.根据权利要求1所述的一种多反射单弹光调制傅里叶变换光谱仪光路结构，其特征在于：高反射率膜(9)的厚度小于10μm。

8.根据权利要求1所述的一种多反射单弹光调制傅里叶变换光谱仪光路结构，其特征在于：起偏器(4)起偏方向与检偏器(10)检偏方向平行放置，并分别与弹光调制器(14)成±45°夹角。