CN103776536B - 级联式大光程差弹光调制干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，包括光源，在光源的出射光方向上设置有能将出射光调制为与水平方向成一夹角的起偏器，在起偏器出射光方向上设有静态双折射晶体，在静态双折射晶体的出射光方向设有多个能使出射光产生多次反射的强光调制器，在强光调制器的出射光方向上设有检偏器，在检偏器出射光方向上设有能采集经检偏器干涉后光线的探测器。本发明通过压电石英晶体产生周期驱动力，并利用硒化锌晶体的轮廓振动模式，产生二维耦合纵向振动，进而获得较高的调制光程差；在单块弹光调制器达到较高调制光程差的基础上，通过级联的方式进一步增加调制光程差，解决现有弹光调制干涉仪调制光程差的问题，并保证足够光通量。

Description

级联式大光程差弹光调制干涉仪

技术领域：

本发明涉及一种干涉仪，具体的说是一种能产生较大调制光程差并保证足够光通量的弹光调制干涉仪。

技术背景：

弹光调制干涉仪基本原理是，偏振光通过弹光调制干涉仪时，产生两束偏振方向垂直的o光和e光，这两列光波之间的调制光程差正比于晶体材料的可变折射率差，光程差为x＝1Δn迈克尔逊干涉仪为x＝nΔ1，该光程差在电信号的驱动下变化半个周期，完成一次光谱测量。早期从事相关技术研亢的是美国的Los Alamos国家实验室[见文献：Buican Tudor N.Real-time Fourier Transform Spectrometry for Fluorescence Imagingand Flow Cytometry[C].Bio-imaging and Two-Dimensional Spectroscopy.Proc.of SPIE，1990，1205：126-133.]。弹光调制干涉仪具有如下潜在的优点：

1)调制频率高达数百kHz。每秒能完成几十万次的干涉测量，可比普通傅里叶变换光谱仪的速度高3-4个数量级，因此，其在速度上具有显著优势。

2)有极宽的光谱范围。若采用熔融硅弹光双折射材料做干涉仪，其光谱范围可从真空紫外到近红外，若采用多晶ZnSe其光谱范围可从可见光到中红外。

3)采用点探测器完成光电转换。可在降低成本的同时，提高数据转换速度。

4受光面积及视场角大，灵敏度高。

但是单个弹光调制干涉仪产生的可调光程差较小，不能完全满足光谱测量的需求，需要进一步提高光谱分辨率。商业上可获得的PEM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。为提高光谱分辨率，T N.Buican采用多个弹光调制干涉仪串联方式[见文献：Buican Tudor N，Carrieri Arthur H.Ultra-High Speed Solid-State FTIR Spectroscopy and Applicationsfor Chemical Defense[C].Proceedings for the Army Science Conference(24th)，2004.]，但在该结构中，调制光程差与光通量是一对矛盾，随着反射次数的增加，光程差虽然大为增加，但对应的光通量也在急剧下降，从而导致整个干涉仪无法对弱光进行有效测量，因此，增加光程差的同时，保证足够的光通量是弹光调制干涉仪面临的瓶颈问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，它通过压电石英晶体产生周期驱动力，并利用硒化锌晶体的轮廓振动模式，产生二维耦合纵向振动，进而获得较高的调制光程差；在单块弹光调制器达到较高调制光程差的基础上，通过级联的方式进一步增加调制光程差，解决现有弹光调制干涉仪调制光程差的问题，并保证足够光通量。

本发明的技术解决方案是：

一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于：包括光源，在所述光源的出射光方向上设置有能将出射光调制为与水平方向成一夹角的起偏器，在所述的起偏器出射光方向上设有静态双折射晶体，在所述静态双折射晶体的出射光方向设有多个能使出射光产生多次反射的弹光调制器，在所述弹光调制器的出射光方向上设有检偏器，在所述的检偏器出射光方向上设有能采集经检偏器干涉后光线的探测器。其中经过起偏器的出射光与水平方向成45°，起偏器与检偏器的偏振方向成90°。

如上所述的一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于所述的弹光调制器包括有硒化锌弹光晶体，在所述的硒化锌弹光晶体两端上分别连接有压电石英晶体，在所述的硒化锌弹光晶体入射光和出射光的端面上分别镀有全反射膜。保证硒化锌晶体处于自由振动状态，而不必严格的考虑压电石英晶体的谐振模态。

如上所述的一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于所述的压电石英晶体为长方体，尺寸为50.2mm×17.1mm×6.4mm，xyt(-18.5°)切型，其振动模式为长度伸缩模式。

如上所述的一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于所述的硒化锌弹光晶体为八角形，宽度为33.2mm，厚度16mm，在所述八角形硒化锌弹光晶体内设有半径为10mm的内倒角，其振动模式为二维纵向振动模式。

如上一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于所述的硒化锌弹光晶体的通光孔径为以表面中心点为圆心，直径10mm的圆，所述全反射膜的面积为通光孔径的15％，并预留5％的区域保证五次反射后的偏振光通过。

如上所述的一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于所述的全反射膜为金全反射膜。

如上所述的一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于所述的弹光调制器工作在其基频模态，且其基频模态与十字对称硒化锌晶体基频模态一致；

如上所述的一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于所述的压电石英驱动器的厚度较十字对称型硒化锌晶体厚度略大，可保证振动的稳定性；

所述的每级弹光调制器的尺寸加工误差应控制在±0.02mm范围，每级弹光调制器同频、同相振动。

本发明的优点在于：

1、所镀制的金全反射膜，在800nm～20μm波长范围内平均反射率Ravg＞96％，可保证入射光在每级弹光调制器内部产生反射以增加调制光程差，而不产生反射损失；

2、所镀制的金全反射膜，可与硒化锌晶体自身极宽的通光范围相匹配，保留了弹光调制干涉仪宽光谱范围的特点；

3、所述的级联式大光程差弹光调制干涉仪，可解决现有弹光调制干涉仪所面临的瓶颈问题，可实现大光程差调制，并具有高光通量、宽光谱范围等特点，且其加工、制造容易实现。

附图说明：

图1是本发明结构原理示意图；

图2是弹光调制器结构图

图3是弹光调制器基频振动平面示意图

图4是弹光调制干涉具结构图；

图5是弹光晶体中反射光路示意图；

图6是图5中部分弹光晶体中反射光路示意图。

具体实施方式：

下面结合附图说明与具体实施方式进一步阐释本发明：

如图1至6所示，一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，包括光源1，在所述光源1的出射光方向上设置有能将出射光调制为与水平方向成一夹角的起偏器2，在所述的起偏器2出射光方向上设有静态双折射晶体3，在所述静态双折射晶体3的出射光方向设有多个能使出射光产生多次反射的弹光调制器4，在所述弹光调制器4的出射光方向上设有检偏器5，在所述检偏器5出射光方向上设有能采集经检偏器5干涉后光线的探测器7。

如图1和图3，本发明中级联式大光程差弹光调制干涉仪的工作方式为：在光源1发出方向放置起偏器2，将出射光的调制为与水平方向成45°夹角的线偏振光，该偏振光经过静态双折射晶体3后，进入第一级弹光调制器，并在该弹光调制器中反射五次，之后再进入第二级以及第三级弹光调制器，并重复在第一级中的反射情况，最后通过检偏器4后产生干涉，并由探测器7采集，检偏器5与起偏器2的偏振方向成90°；为实现快速干涉调制，本发明中十字对称弹光调制干涉仪的工作频率为50KHz。

图2和图3分别是弹光调制器结构示意图和基频振型示意图，其中，8为压电石英晶体，9为八角形弹光晶体，12为弹光晶体的通光区域，压电石英驱动器8外形为长方体，为实现50KHz的驱动频率，根据振动公式其尺寸为5.08cm×1.91cm×0.64cm，式中，f是谐振频率，L是总长度，E是杨氏弹性模量，ρ是密度，σ是泊松比。其切割方向为xyt-18.5°，其振动模式为长度伸缩模式，电极位置为长方体的上下两个面10和11，电极厚度1μm，材料为金，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。

弹光晶体8采用型硒化锌晶体材料，其尺寸可根据固体轮廓振动模式计算公式计算获得，其宽度为33.2mm，通过10mm的倒角处理，将其外形加工为八角形，硒化锌晶体总厚度为16mm；该尺寸可以保证检偏器5的基频频率为50KHz，从而保证检偏器5在弹光晶体8的驱动下，产生最佳的基频谐振。

弹光调制器4是由十字对称型硒化锌晶体9与压电石英晶体8通过RTV硅胶粘接而成，胶粘层厚度应小于0.2mm，该胶粘方式属于软连接，可很好地保证硒化锌晶体9处于自由振动状态，而不必严格的考虑压电石英驱动器8的谐振模态与9是否严格匹配，降低了制造难度；

结合图3和图4详细说明十字对称弹光调制干涉仪的工作过程，利用谐振高压放大驱动电路，产生50KHz、1200V的高压驱动信号，并将其施加在两块压电石英晶体8上，压电石英晶体8通过电致伸缩效应，产生50KHz的周期性应力，该应力通过胶粘层传递至十字对称型硒化锌晶体9中，并激励硒化锌晶体产生同一频率的二维纵向振动模式，该振动模式，可使得中心应力达到最大，且在中心直径10mm范围内的应力分布均匀，因此选择中心直径10mm范围作为入射孔径，可保证对入射偏振光的有效调制。对于直射进入的偏振光而言，该方法设计的弹光调制器其调制光程差在50μm左右。

入射光束的直径应控制在2mm以内，平行度应＜5mrad，并首先由起偏器2调制成与y轴成45°角，再进入静态双折射晶体3，并被分解为x方向和y方向偏振光o光，e光，3的作用是，使o光和e光产生一定大小的静态光程差，该光程差的作用是消除弹光调制器产生的调制光程差的对称性，从而使最终的有效调制光程差翻倍，之后，偏振光进入第一级弹光调制器，弹光晶体的二维纵向振动模式使得o光方向和e光方向的折射率均得到改变，因此o光和e光均得到有效调制，且该调制变化是相反的，因而所产生的调制光程差是可以翻倍，并在该弹光调制器中反射五次，之后再进入第二级以及第三级弹光调制器，并重复在第一级中的反射情况，偏振光在弹光晶体中的反射效果如图4所示，其入射角应＜3°，以保证五次反射的光强处于弹光晶体中心10mm范围直径内。最后通过检偏器5后产生干涉，并由探测器7采集，检偏器5与起偏器2的偏振方向如图3所示，它们的夹角成90°；

所镀制的全反射膜6应选用金材料，该材料可保证在800nm～20μm波长范围内平均反射率Ravg＞96％，可保证入射光在每级弹光调制器内部产生反射以增加调制光程差，而不产生反射损失；并可与硒化锌晶体自身极宽的通光范围相匹配，保留了弹光调制干涉仪宽光谱范围的特点；其镀制面积应覆盖各自2组光反射点，并为偏振光的入射和出射预留一定空间，如图5所示。

本发明的优点在于，入射光在每块弹光晶体内进行多次反射，从而减少了不必要的反射光能损失，并达到了光程差累加的目的，以硒化锌弹光晶体为例，三级级联的弹光调制器结合静态双折射晶体可使得本方案的调制光程差达到1.5mm，光通量＞30％，光谱范围0.85～20μm。

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 (9)

1.一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于：包括光源(1)，在所述光源(1)的出射光方向上设置有能将出射光调制为与水平方向成一夹角的起偏器(2)，在所述的起偏器(2)出射光方向上设有静态双折射晶体(3)，在所述静态双折射晶体(3)的出射光方向设有多个能使出射光产生多次反射的弹光调制器(4)，在最后一个弹光调制器(4)的出射光方向上设有检偏器(5)，在所述检偏器(5)出射光方向上设有能采集经检偏器(5)干涉后光线的探测器(7)；每个弹光调制器同频、同相振动。

2.根据权利要求1所述的一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于所述的弹光调制器(4)包括有硒化锌弹光晶体(9)，在所述的硒化锌弹光晶体(9)两端上分别连接有压电石英晶体(8)，在所述的硒化锌弹光晶体(9)入射光和出射光的端面上分别镀有全反射膜(6)。

3.根据权利要求2所述的一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于所述的压电石英晶体(8)为长方体，尺寸为50.2mm×17.1mm×6.4mm，xyt-18.5°切型。

4.根据权利要求2所述的一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于所述的硒化锌弹光晶体(9)为八角形，宽度为33.2mm，厚度16mm，在所述八角形硒化锌弹光晶体(9)内设有半径为10mm的内倒角。

5.根据权利要求2或4所述的一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于所述的硒化锌弹光晶体(9)的通光孔径为以表面中心点为圆心，直径10mm的圆，所述全反射膜(6)的面积为通光孔径的15％。

6.根据权利要求1所述的一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于所述的夹角为45°。

7.根据权利要求2所述的一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于所述的全反射膜(6)为金全反射膜。

8.根据权利要求2所述的一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于所述的弹光调制器(4)工作在其基频模态，且其基频模态与硒化锌晶体(9)基频模态一致。

9.根据权利要求2所述的一种级联式大光程差弹光调制干涉仪，其特征在于所述的压电石英晶体(8)的厚度大于硒化锌晶体厚度。