CN103728021A - 一种基于电光效应的光谱测量装置及其光谱测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电光效应的光谱测量装置，包括沿入射光方向依次设置的第一偏振片、电光效应晶体、第二偏振片、光探测器；其中，第一偏振片的偏振方向与所述电光效应晶体在外加电场下的感应主轴方向不平行。本发明还公开了使用上述装置的光谱测量方法：首先测量对电光效应晶体施加不同外加电压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，结合光谱测量装置在不同外加电压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、辐射定标，得到待测入射光的光谱。本发明具有抗振动能力强、分辨率高、光谱测量范围宽等优点。

Description

一种基于电光效应的光谱测量装置及其光谱测量方法

技术领域

本发明涉及一种光谱测量装置，尤其涉及一种基于电光效应的光谱测量装置及其光谱测量方法，属于光谱分析技术领域。

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，通过获取所研究物质的光谱信息来精确分析物质的结构、成分和含量的基本设备。光谱仪具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点，广泛应用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护等领域，也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文探测等必不可少的遥感设备（参见文献[李全臣，蒋月娟。光谱仪器原理[M]，北京；北京理工大学出版社，1999]）。光谱技术的应用几乎覆盖了所有的科学领域，包括医药、化学、地质学、物理及天文学等，从海洋的底部到遥远的宇宙，光谱仪为我们收集周围世界的信息。

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（参见文献[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技术所存在的成本较高、制作困难、对振动敏感、分辨率不高、光谱测量范围较窄等技术问题，提供一种基于电光效应的光谱仪及其光谱测量方法。

本发明的基于电光效应的光谱测量装置，包括沿入射光方向依次设置的第一偏振片、电光效应晶体、第二偏振片、光探测器；其中，第一偏振片的偏振方向与所述电光效应晶体在外加电场下的感应主轴方向不平行。

进一步地，所述光谱测量装置还包括设置于第一偏振片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，所述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。从而可根据光探测器的测量数据自动计算并输出待测入射光的光谱。

一种基于电光效应的光谱测量方法，使用如上任一项所述光谱测量装置，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、令待测入射光依次通过第一偏振片、电光效应晶体、第二偏振片，并用所述光探测器探测出射光的功率；

步骤3、对所述电光效应晶体施加一组n个不同的电压，并记录不同电压下光探测器所探测到的出射光功率，分别记为P₁,P₂,…P_n；

步骤4、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)表示在对电光效应晶体施加的电压取第j个值时，频率为f_i的光通过第一偏振片、电光效应晶体、第二偏振片之后与通过之前的功率比值，通过实验预先测得；

步骤5、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。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的光谱测量装置抗振动能力强，进行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、本发明的光谱测量装置易于制作，成本低廉：其所需要的电光效应晶体、偏振片、光探测器等都是很成熟的产品，相比于制作其他光谱仪需要复杂、昂贵的设备，制作更加简单容易。

3、本发明的光谱测量装置分辨率高，光谱测量范围宽：采用缩小频率划分范围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、本发明的光谱测量装置可以消除失真，实现光谱实时测量：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表示入射光源，2为透镜，3为小孔光阑，4为透镜；

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，5为偏振片，6为电光效应晶体，7为偏振片，8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/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电光效应晶体在相同外加电场作用下，不同频率的线偏振光在通过电光效应晶体后两束双折射光之间的相位差也不同的原理，结合偏振片对入射偏振光的光强影响，构造出一个由两个偏振片和一个电光效应晶体所构成的电光调制部件，测量不同外加电场下待测入射光通过该电光调制部件后的光功率，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，包括共焦的透镜2和透镜4，透镜2和透镜4共同的焦点处设置有小孔光阑3，入射光源1所发出的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电光调制光谱仪，而且限定了入射光的光束宽度，有利于提高测量的准确度。

本发明的光谱测量装置的结构如图2所示，包括沿入射光方向依次设置的偏振片5、电光效应晶体6、偏振片7、光探测器8；偏振片5的偏振方向与电光效应晶体6在外加电场下的感应主轴方向不平行。本发明中，光探测器8是用来测量照射到其表面的光功率，可采用现有的各种光探测器，例如最常见的硅探测器。为了自动实现光谱复原过程中的数值采集与计算，本实施例中还包括与光探测器8信号连接的计算处理单元（图2中未示出）。

所谓电光效应是指外加电场作用下，某些晶体（电光效应晶体）的折射率发生变化的效应。入射光通过电光效应晶体时，由于电光效应晶体在外加电场作用下分子或原子中电子的运动，或者晶体的结构发生改变，从而导致其折射率和通过晶体的光偏振态发生改变，结果产生双折射。如果晶体折射率的变化与电场成正比，这种电光效应即称为Pockels效应。如果折射率的变化与电场的平方成正比，这种电光效应即称为Kerr效应。

当电光效应晶体6是具有非中心对称的晶体时，如铌酸锂（LiNbO₃）、硅酸铋（Bi₁₂SiO₂₀）、锗酸铋（Bi₄Ge₃O₁₂）和磷酸二氢钾（KH₂PO₄）等，在外加电场下会产生Pockels效应，此时电光效应晶体6的外加电场方向可以与光的传播方向一致，也可以与光的传播方向垂直，即电场可以加在晶体6相对面的两个电极上，或者加在电光效应晶体6同一个面的两个电极上。而当电光效应晶体6是具有任意对称性的晶体时，如硝基甲苯（C₇H₇NO₂）、硝基苯（C₆H₅NO₂）等，就存在Kerr效应，此时电光效应晶体6的外加电场方向应与光的传播方向垂直。

如图2所示，所采用的晶体6满足Pockels效应，下面以磷酸二氢钾（KH₂PO₄）晶体为例进行分析。当沿电光效应晶体6的z轴方向加电场后，电光效应晶体6感应主轴x′和y′分别旋转到与原主轴x和y成45°夹角的方向。电光效应晶体6置于两个偏振片之间，其中偏振片5的偏振方向与电光效应晶体6的感应主轴x′轴成α角(α不可等于0°和90°)，偏振片7的偏振方向与电光效应晶体6的感应主轴x′轴成β角。因此，沿z轴入射的光通过偏振片5后变成与电光效应晶体6的感应主轴x′轴成α角的线偏振光，进入电光效应晶体6后被分解为沿x′和y′方向的两个分量E_x′和E_y′，它们的振幅和相位分别为：

$E_{x^{\′}}\left(0\right)={A\cos \mathrm{\αe}}^{{\mathrm{i\ω}}_{c}t}$

$E_{y^{\′}}\left(0\right)={A\sin \mathrm{\αe}}^{{\mathrm{i\ω}}_{c}t}$

当光通过长度为L的晶体后，由于两偏振分量的折射率n_x′和n_y′不同，两偏振分量的光程分别为n_x′L和n_y′L，相位延迟分别为：

因此，这两个光波穿过电光效应晶体6后将产生一个相位差：

式中，U=E_zL是沿z轴所加的电压；λ为光波波长；n₀为电光效应晶体6的折射率；r₆₃为电光效应晶体6电光系数。

用复数表示为：

E_x′(L)=Acosα

那么，通过偏振片7后的电场强度是两偏振分量在与电光效应晶体6的感应主轴x′轴成β角方向上的投影之和：

设两偏振分量的振幅分别为：

A_x′=Acosαcosβ

A_y′=Asinαsinβ

由于光强正比于电场的平方，因此输出光强为：

又因为输入光强为：

I_i=E·E^*=|E_x′(0)|²+|E_y′(0)|²=2A²

所以，输出的光强度为：

将

代入上式，即可得：

$I_o=\frac{1}{2}{I}_i\{{\cos }^2(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})+\frac{1}{2}\sin 2a\sin 2\mathrm{\β}(1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n_0}^3{r}_{63}U\right))\}---\left(2\right)$

如所采用的电光效应晶体6满足Kerr效应，此时电光效应晶体6的外加电场方向应与光的传播方向垂直，偏振片5的偏振方向与电光晶体6的x轴成α角(α不可等于0°和90°)，偏振片7的偏振方向与电光晶体6的x轴成β角。沿z轴入射的光通过偏振片5后变成与电光晶体6的x轴成α角的线偏振光，线偏振光进入电光效应晶体6后被分解为沿x轴和y轴方向的两个分量。由于这两个分量在电光效应晶体6中的传播相速度不同，这两个分量穿过电光效应晶体6后产生了相位差：

式中，l为电光效应晶体6通光方向长度；K为Kerr系数，与入射光的波长有关；d为沿外加电场方向的电光效应晶体6厚度；U为在电光效应晶体6两端所加的电压值。

两个分量通过电光效应晶体6后将合成椭圆偏振光，这样就有部分光通过偏振片7，其推理同上。此时，输出的光强度为：

$I_o=\frac{1}{2}{I}_i\{{\cos }^2(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})+\frac{1}{2}\sin 2a\sin 2\mathrm{\β}(1-\cos \left(\frac{{2\mathrm{\πlKU}}^2}{d^2}\right))\}---\left(4\right)$

由上述分析可知，无论满足Pockels效应还是Kerr效应，当特定频率的光通过电光效应晶体6时，由于在外加电场的作用下，电光效应晶体6的折射率发生改变，其折射率的变化将引起从电光效应晶体6出射的两双折射光之间相位差的变化，而相位差的变化又将引起通过电光调制部件后输出光强度的变化。又因为折射率的变化可以采用电压来调控，从而可以利用外加电压即可调制输出光强度的变化，使得光探测器8上固定范围内探测到的光功率也发生改变。

基于以上原理可知，对于某一特定频率的入射光，通过改变电光调制部件中外加在电光效应晶体6上的电压值，光探测器8就将探测到不同的光功率；而对于不同频率的入射光，在对电光效应晶体6施加相同的外加电压时，通过电光调制部件后光探测器8所探测到的光功率大小也是不一样的。在电光效应晶体6上的电压取n种不同的值时，光探测器8就可以测得一系列的功率数据，将光探测器8探测到的光功率作为增广矩阵；将光探测器8所能探测的频率范围均匀划分成n份，每一份的中心频率在入射光中的归一化功率作为未知数；事先测得光探测器8在电光效应晶体6上的电压取n种不同的值时对于各频率分量的探测率，并将该探测率作为系数矩阵。通过正则化方法求解矩阵方程，并将所得结果进行线性拟合、光谱定标就可以得到待测光的光谱。基于该原理即可得到本发明的光谱测量（光谱复原）方法，具体如下：

步骤1、将所述光探测器8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8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：

$P_0=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(f_n\right)\mathrm{\Δf}---\left(5\right)$

步骤2、令待测入射光依次通过偏振片5、电光效应晶体6、偏振片7，并用光探测器8探测出射光的功率。

当入射光通过偏振片5、电光效应晶体6、偏振片7所构成的电光调制部件时，在外加在电光效应晶体6上的电压取第j个值的情况下，光探测器8所测到的功率应为：

$P_j=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{nj}}P\left(f_n\right)\mathrm{\Δf}---\left(6\right)$

其中，C_1j,C_2j,…C_nj分别为频率为f₁,f₂,…f_n的光经过电光调制部件的探测率。

步骤3、对电光效应晶体6施加一组n个不同的电压，并记录不同电压下光探测器8所探测到的出射光功率，分别记为P₁,P₂,…P_n。

当外加在电光效应晶体6上的电压取n种不同的值时，光探测器8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：

$\begin{array}{c}{P}_1=C_{11}P\left(f_1\right)\mathrm{\Δf}+C_{12}P\left(f_2\right)\mathrm{\Δf}+...+C_{1n}P\left(f_n\right)\mathrm{\Δf},\\ P_2=C_{21}P\left(f_1\right)\mathrm{\Δf}+C_{22}P\left(f_2\right)\mathrm{\Δf}+...+C_{2n}P\left(f_n\right)\mathrm{\Δf},\\ ...\\ P_n=C_{n1}P\left(f_1\right)\mathrm{\Δf}+C_{n2}P\left(f_2\right)\mathrm{\Δf}+...+C_{\mathrm{nn}}P\left(f_n\right)\mathrm{\Δf},\end{array}---\left(7\right)$

其中，C_ij(i=1,2…n)(j=1,2…n)表示在对电光效应晶体施加的电压取第j个值时，频率为f_i的光通过偏振片5、电光效应晶体6、偏振片7之后与通过之前的功率比值。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8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8前放置电光调制部件，在外加在电光效应晶体6上的电压取第j个值的情况下，测量由单色仪得到的不同频率的光通过电光调制部件后，光探测器8所探测到的光功率，测得的光功率与未加入电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下对于光探测器8的探测率C_1j,C_2j,…C_nj。改变外加在晶体6上的电压值，重复上述步骤，即可得到一组数据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，每个特定的光谱测量装置对应一个恒定的系数矩阵C。

步骤4、如果用矩阵形式y=Cx表示式（7），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8所接收到相应的光功率作为增广矩阵y，则式（7）可用如下形式表示：

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5、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8对于一定的外加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8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8所采集到的光功率以及对电光调制部件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。

以上的计算过程可利用计算处理单元自动进行，并可进一步利用计算处理单元同时对外加电压进行自动控制，从而实现自动快速的光谱测量。

Claims (6)

1.一种基于电光效应的光谱测量装置，其特征在于，包括沿入射光方向依次设置的第一偏振片、电光效应晶体、第二偏振片、光探测器；其中，第一偏振片的偏振方向与所述电光效应晶体在外加电场下的感应主轴方向不平行。

2.如权利要求1所述基于电光效应的光谱测量装置，其特征在于，还包括设置于第一偏振片之前的光学准直装置。

3.如权利要求2所述基于电光效应的光谱测量装置，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透镜的共同焦点处的小孔光阑。

4.如权利要求1所述基于电光效应的光谱测量装置，其特征在于，还包括与所述光探测器信号连接的计算处理单元。

5.一种基于电光效应的光谱测量方法，使用如权利要求1～4任一项所述光谱测量装置，其特征在于，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f ₁ , f ₂ ,…f _n  ；

步骤2、令待测入射光依次通过第一偏振片、电光效应晶体、第二偏振片，并用所述光探测器探测出射光的功率；

步骤3、对所述电光效应晶体施加一组n个不同的电压，并记录不同电压下光探测器所探测到的出射光功率，分别记为P ₁ , P ₂ ,…P _n ；

步骤4、通过求解以下方程组得到待测入射光中所包含的频率为f ₁ , f ₂ ,…f _n 的光功率P（f ₁ ）, P（f ₂ ）,…，P（f _n ）：

式中，C _ij  (i=1,2…n) (j=1,2…n)表示在对电光效应晶体施加的电压取第j个值时，频率为f _i 的光通过第一偏振片、电光效应晶体、第二偏振片之后与通过之前的功率比值，通过实验预先测得；

步骤5、对P(f ₁ ), P(f ₂ ), … 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。

6.如权利要求5所述光谱测量方法，其特征在于，利用Tikhonov正则化的方法求解所述方程组。

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