CN103728019B - 一种基于声光调制的光谱测量装置及光谱测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声光调制的光谱测量装置，属于光学测量技术领域。本发明的光谱测量装置包括沿入射光方向依次设置的声光调制器、光探测器。本发明还公开了一种基于声光调制的光谱测量方法，首先测量不同声场强度下光探测器所检测到的光功率，并以得到的光功率数据作为增广矩阵，结合所述光探测器在不同声场强度下对不同频率入射光的探测率所组成的系数矩阵，建立线性方程组；对该线性方程组求解，得到待测入射光中各频率分量的光功率，然后对其进行线性拟合，并经光谱辐射定标，得到待测入射光的光谱。相比现有技术，本发明具有抗振动能力强、分辨率高、光谱测量范围宽等显著优点。

Description

一种基于声光调制的光谱测量装置及光谱测量方法

技术领域

本发明涉及一种光谱测量装置，尤其涉及一种基于声光调制的光谱测量装置及光谱测量方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

光谱仪是一种重要的光学仪器，它是将光学方法与现代电子数据处理系统相结合，通过获取研究物质的光谱信息来准确分析物质的结构、组成成分和含量的重要设备，随着光谱仪的发展，如今它的应用领域已经越来越广泛，如天文观测、生物研究、医学及医药研究、国防、石油化工等。由于其重要的科研价值，光谱仪更加受到人们的关注，它已成为现代科学仪器的中的一个重要组成部分。

然而，随着科学技术的迅猛发展，对光谱仪提出了更高的要求。特别是在如地质矿产勘探、微流控和星载分析等一些特殊场合，需要光谱仪能抗振动干扰能力强、光谱测量分辨率高、测量的波长范围大、功耗小和能够快速、实时、直观地获取光谱信号，显然，传统的光谱仪器很难同时达到上述要求，譬如目前商用傅里叶变换光谱仪不仅体积较大、对振动敏感、测量范围主要在红外波段，而且其分辨率受动镜移动范围的影响，因此不适于野外等特殊环境测量；而光栅光谱仪分辨率不高，价格也不菲[YangJae-chang,et al.Micro-electro-mechanical-systems-based infrared spectrometer composed ofmulti-slit grating and bolometer array,Jap.J.of Appl.Phys.47(8),6943-6948(2008)]。

因此，对于光谱仪来说，要求其在具有抗振动的同时能够降低成本，性能上能够达到较高的光谱分辨率，结构简单并且易于制作，用现有的技术很难实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有光谱测量装置所存在的体积较大、成本较高、制作困难、对振动敏感、分辨率不高、波谱测量范围较窄等技术问题，提供一种基于声光调制的光谱测量装置及光谱测量方法。

本发明的基于声光调制的光谱测量装置，包括沿入射光方向依次设置的声光调制器、光探测器。

所述声光调制器包括位于入射光光路中的声光介质，以及分别设置于声光介质两侧的超声发生器、吸声/反射部件。

进一步地，所述基于声光调制的光谱测量装置还包括设置于声光调制器之前的光学准直装置。

优选地，所述光学准直装置包括两个共焦的透镜，以及设置于所述两个透镜的共同焦点处的小孔光阑。

进一步地，基于声光调制的光谱测量装置还包括与所述光探测器信号连接的计算处理单元。更进一步地，所述计算处理单元还与所述声光调制器的控制端连接，可对声光调制器进行控制。

本发明的基于声光调制的光谱测量方法，利用沿入射光方向依次设置的声光调制器、光探测器进行光谱测量，具体包括以下步骤：

步骤1、将所述光探测器所能探测的频率范围等分为n个频宽为Δf的频率段，n为大于1的整数，各频率段的中心频率为f₁,f₂,…f_n；

步骤2、通过所述声光调制器对待测入射光进行n个不同声场强度的声光调制，并记录不同声场强度下光探测器所探测到的调制光功率，分别记为P₁,P₂,…P_n；

步骤3、通过求解以下方程组得到待测入射光中所包含的频率为f₁,f₂,…f_n的光功率P（f₁）,P（f₂）,…，P（f_n）：

式中，C_ij(i=1,2…n)(j=1,2…n)表示在第j个声场强度下，频率为f_i的光经所述声光调制器调制后与调制之前的功率比值，通过实验预先测得；

步骤4、对P(f₁),P(f₂),…P(f_n)进行线性拟合，并经光谱辐射定标，得到待测入射光的光谱。

优选地，利用Tikhonov正则化的方法求解所述方程组。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、抗振动能力强：光谱测量时无需移动光学器件，因此振动对它的影响较小，性能稳定，可用于复杂环境中的实时测量。

2、易于制作，成本低廉：其所需要的部件都是很成熟的产品，相比于制作其他光谱仪需要复杂、昂贵的设备，该光谱仪制作更加简单容易。

3、分辨率高，光谱测量范围宽：采用缩小频率划分范围进行多次复原的方法可以在获得宽的频谱探测范围的同时达到高的光谱分辨率。

4、可以消除失真，实现快速实时测量：采用Tikhonov正则化求解大型线性方程组的方法复原光谱，可以消除失真，实现快速实时光谱复原。与此同时，由于各种原因所造成的光探测器采集到的无效数据，可以通过舍去这些无效数据的方法求解方程组，使得新的方程组满秩并符合求解条件，避免光谱复原的较大失真。

附图说明

图1为具体实施方式中所示的光学准直装置结构示意图，其中：1为两个共焦的透镜，2为小孔光阑；

图2为具体实施方式中所示的光谱测量装置的结构示意图；其中，3为吸声（或反射）部件，4为声光介质，5为超声发生器，6为驱动电源，7为光探测器；

图3为本发明采用的入射光光谱频率划分方法，图中横坐标表示频率，单位是赫兹；纵坐标是归一化光谱功率，单位是瓦特每赫兹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是利用声光调制器对待测入射光进行声光调制，测量一组不同声场强度下的调制光功率，并通过求解线性方程组获得待测入射光的频谱。

为了对入射光进行光学整形，本实例中首先使入射光通过一个光学准直装置，该光学准直装置的结构如图1所示，包括两个共焦的透镜1，两个透镜1共同的焦点处设置有小孔光阑2，入射光通过该光学准直装置后即可转变为平行光。这样不仅使得只有平行光才能入射到声光调制光谱仪，而且提高了光强分布密度，有利于提高测量的准确度。

本发明的基于声光调制的光谱测量装置中的声光调制器可采用现有的各种声光调制器，例如拉曼-纳斯衍射型声光调制器或者布拉格衍射型声光调制器。图2为采用拉曼-纳斯衍射型声光调制器的本发明光谱测量装置的结构示意图，如图所示，包括：吸声（或反射）部件3，它放置在超声源的对面，用以吸收已通过介质的声波（工作于行波状态），以免返回介质产生干扰，但要是超声场为驻波状态，则需要将吸声部件3换成声反射部件；声光介质4，声光介质4放置在声光相互作用的区域，当一束光通过变化的声场时，由于光和超声场的相互作用，其出射光（调制光）就具有衍射现象；超声发生器5（通常为电-声换能器），它是利用某些压电晶体（石英、LiNbO₃等）或压电半导体（CdS，ZnO等）的逆压电效应，在外加电场作用下产生机械振动而形成超声波，它起着将电功率转换成声功率的作用；驱动电源6，可以产生多种不同大小的电信号施加于超声发生器5的两端电极上来驱动声光调制部件工作；光探测器7，用来测量照射到其表面的光功率，可采用现有各种光探测器，例如普通的硅探测器，本实施例中放置于声光调制器后方5cm处左右；计算处理单元，用来分析和计算光探测器7采集到的数据以进行光谱复原，还可以进一步地利用该计算处理单元对驱动电源6进行自动控制，从而实现光谱的全自动测量。

对于拉曼-纳斯衍射型声光调制器，其各级衍射光强度为：

$I_m\∝J_m^2\left(v\right),v=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\ΔnL}$

其中，m表示衍射级次(m=0,±1,±2...)；是m阶贝塞尔函数；λ为入射光波波长；声致折射率变化Δn为：

$\mathrm{\Δn}=\sqrt{\frac{M_2{P}_s}{2\mathrm{HL}}}=\sqrt{\frac{M_2{I}_s}{2}}$

式中，为超声强度，P_s为超声功率，H为电-声换能器5的宽度；L为电-声换能器5的长度；M₂为声光介质4的品质因数。

对于布拉格衍射型声光调制器，必须使入射光以布拉格角入射，同时在相对于声波界面对称方向接收衍射光。其出射光强度为：

I_o=η_sI_i

式中，I_i为入射光强度，衍射效率η_s为：

${\mathrm{\η}}_s=\frac{I_o}{I_i}={\sin }^2\left[\frac{\mathrm{\π}}{\sqrt{2}\mathrm{\λ}}\sqrt{\frac{L}{H}{M}_2{P}_s}\right]$

其中，λ为入射光波波长；M₂为声光介质4的品质因数；P_s为超声功率；H为电-声换能器5的宽度；L为电-声换能器5的长度。

由于超声强度上式也可写成：

${\mathrm{\η}}_s=\frac{I_o}{I_i}={\sin }^2\left[\frac{\mathrm{\πL}}{\sqrt{2}\mathrm{\λ}}\sqrt{M_2{I}_s}\right]$

该光谱测量装置的测量原理是：利用声光调制部件中的电-声换能器5将电信号转化为超声场，当入射光波通过声光介质4时，由于声光作用，其出射光将发生衍射现象。又因为衍射光强度是随超声波强度的变化而变化的，而超声波强度是由电信号大小决定的。所以，通过改变调制电信号的大小，可以改变出射衍射光强度的大小，最终使得光探测器7上固定范围内探测到的光功率发生改变。由于通过声光介质4的衍射光强度与入射光的频率也是相关的，所以不同频率的入射光通过声光调制部件时，即使超声波强度相同，光探测器7所探测到的光功率大小也是不一样的。利用这个原理即可实现光谱测量（光谱复原）。

采用上述装置进行光谱复原时，具体包括以下步骤：

步骤1、将所述光探测器7所能探测的频率范围等分为n个频宽为Δf的频率段，n为大于1的整数，各频率段的中心频率为f₁,f₂,…f_n。

如图3所示，在光探测器7的测量频率范围内，将光谱曲线均匀划分成n段。整个光谱面积就被近似划分为多个细长的矩形，假设每一份的中心频率为f₁,f₂,…f_n，频宽为Δf，P(f_i)为频率f_i对应的功率大小(i=1,2,…n)，入射光中每个频率段所对应的功率即为每个小矩形的面积，根据微积分原理，入射光的总功率P₀可以近似为图中曲线下面各个小矩形面积的总和，即各频率分量功率的迭加。如果用数学公式表示，可表示为：

$P_0=P\left(f_1\right)\mathrm{\Δf}+\underset{\·}{P}\left(f_2\right)\mathrm{\Δf}+...+P\left(f_n\right)\mathrm{\Δf}$

步骤2、通过所述声光调制器对待测入射光进行n个不同声场强度的声光调制，并记录不同声场强度下光探测器7所探测到的调制光功率，分别记为P₁,P₂,…P_n。

当入射光通过第j个声场强度（即电-声换能器的驱动电压取第j个值）时的声光调制器时，光探测器7所测到的光功率应为：

P_j=C_1jP(f₁)Δf+C_2jP(f₂)Δf+…+C_njP(f_n)Δf

其中，C_1j,C_2j,…C_nj分别为在第j个声场强度下，频率为f₁,f₂,…f_n的光经过声光调制器后的探测率，亦即经声光调制器调制后与调制之前的功率比值。

当声光调制器中的声场强度（电-声换能器的电压）取n个不同的值时，光探测器7就可以测得一系列的功率数据，将这些功率表示为如下线性方程组：

P₁=C₁₁P(f₁)Δf+C₁₂P(_f2)Δf+…+C_1nP(f_n)Δf，

P₂=C₂₁P(f₁)Δf+C₂₂P(f₂)Δf+…+C_2nP(f_n)Δf，

                   …

P_n=C_n1P(f₁)Δf+C_n2P(f₂)Δf+…+C_nnP(f_n)Δf，

其中，C_ij(i=1,2…n)(j=1,2…n)表示在第j个声场强度下，频率为f_i的光经过声光调制器后的探测率，亦即经声光调制器调制后与调制之前的功率比值。当光谱测量装置制作好后，则C_ij为一组定值，可通过实验预先测得，例如，可采用如下方法：在暗室中，先用入射光光源照射到单色仪上，用光探测器7探测由单色仪得到的不同频率f₁,f₂,…f_n的光功率；然后在光探测器7前放置声光调制器，在声光调制器中电-声换能器的电压取某一值的情况下，测量由单色仪得到的不同频率f₁,f₂,…f_n的光经过声光调制器调制后，光探测器7所探测到的光功率。测得的光功率与未加入声光调制部件所测到的光功率的比值，即为不同频率的光在该电压（声场强度）下对于光探测器7的探测率。改变电-声换能器的电压值，重复上述步骤，即可得到一组探测率数据C_ij(i=1,2…n)(j=1,2…n)。这一组数据可组成系数矩阵C：

系数矩阵C是光谱测量装置的固有参数，对于每个特定的光谱测量装置，该系数矩阵是唯一确定的。

步骤3、通过求解以下方程组得到待测入射光中所包含的频率为f₁,f₂,…f_n的光功率P（f₁）,P（f₂）,…，P（f_n）：

如果用矩阵形式y=Cx表示，设x代表入射光各中心频率光功率的大小，C代表探测率组成的系数矩阵，而光探测器7所接收到相应的光功率作为增广矩阵y，则线性方程

组可表示为以上矩阵形式。求解上述线性方程组得x，并根据下式进一步计算：

$\tilde{x}=x/\mathrm{\Δf}=\left(\begin{array}{c}P\left(f_1\right)\\ P\left(f_2\right)\\ .\\ .\\ .\\ P\left(f_n\right)\end{array}\right)$

就可以求得入射光谱中各频率分量所对应功率P(f_i)的大小。

步骤4、对P(f₁),P(f₂),…P(f_n)进行线性拟合，并经光谱辐射定标，得到待测入射光的光谱。

在实际器件制作过程中，器件的尺寸、形状、材料特性等可能与最初的设计要求有一定的偏差，但是当器件做好后，光探测器7对于电-声换能器上一定的电压值和一定波长的入射光，其探测率是一个固定值。只要对于不同的电压值和不同的波长的入射光，光探测器7的探测率不同，就可以解方程组。在求解方程组过程中，光探测器7所采集到的光功率以及对声光调制器的探测率都是测量值。由于测量误差等原因，该方程组实为病态方程组，再加上方程组中方程的数量较多，用普通方法较难求解，而采用Tikhonov正则化的方法求解该线性方程组可以消除明显失真而且求解速度快，该方程组求解后即可得入射光各频率对应的归一化光谱功率，最后进行光谱辐射定标就得到了入射光的复原光谱。

Claims (7)

1.一种基于声光调制的光谱测量方法，其特征在于，利用沿入射光方向依次设置的声光调制器、光探测器进行光谱测量，具体包括以下步骤：

步骤1、将所述光探测器所能探测的频率范围等分为n个频宽为Δf的频率段，n为大于1的整数，各频率段的中心频率为f₁,f₂,…f_n；

步骤2、通过所述声光调制器对待测入射光进行n个不同声场强度的声光调制，并记录不同声场强度下光探测器所探测到的调制光功率，分别记为P₁,P₂,…P_n；

步骤3、通过求解以下方程组得到待测入射光中所包含的频率为f₁,f₂,…f_n的光功率P(f₁),P(f₂),…，P(f_n)：

式中，C_ij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)表示在第j个声场强度下，频率为f_i的光经所述声光调制器调制后与调制之前的功率比值，通过实验预先测得；

步骤4、对P(f₁),P(f₂),…P(f_n)进行线性拟合，并经光谱辐射定标，得到待测入射光的光谱。

2.如权利要求1所述基于声光调制的光谱测量方法，其特征在于，利用Tikhonov正则化的方法求解所述方程组。

3.如权利要求1所述基于声光调制的光谱测量方法，其特征在于，所述声光调制器包括位于入射光光路中的声光介质，以及分别设置于声光介质两侧的超声发生器和吸声部件或者超声发生器和反射部件。

4.如权利要求1所述基于声光调制的光谱测量方法，其特征在于，在声光调制器之前设置有光学准直装置。

5.如权利要求4所述基于声光调制的光谱测量方法，其特征在于，所述光学准直装置包括两个共焦的透镜，以及设置于所述两个共焦的透镜的共同焦点处的小孔光阑。

6.如权利要求1所述基于声光调制的光谱测量方法，其特征在于，还包括设置与所述光探测器信号连接的计算处理单元。

7.如权利要求6所述基于声光调制的光谱测量方法，其特征在于，所述计算处理单元还与所述声光调制器的控制端连接，可对声光调制器进行控制。