CN104019900A - 基于关联子波干涉的光栅光谱仪系统及提高分辨率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于关联亚波长干涉的光栅光谱系统及其提高光栅光谱分辨率的方法。该基于关联亚波长干涉的光栅光谱系统包括光源、反射镜、光栅、第一分束器、第二分束器、透镜组、偏振片、面阵探测器，光源发出的光经旋转反射镜投射到光栅，在光栅处形成多缝衍射，其中的一级相干光经第一分束器，分离为相互关联的两束，该两束光分别经由透镜，反射镜，偏振片组成的两条不同路径，在第二个分束器处构成亚波长干涉，再由面阵探测器记录形成光谱。面阵探测器接收干涉信号直接显示光谱，或通过后台计算机适当数据处理抑制噪声、波动、去除背景光后显示光谱，本发明有利于突破瑞利极限的限制，在其它条件不变的情况下提高光栅光谱仪的分辨率。

Description

基于关联子波干涉的光栅光谱仪系统及提高分辨率的方法

技术领域

本发明属于光栅测量领域，更具体地，涉及一种基于关联亚波长干涉的光栅光谱系统及其基于关联亚波长干涉提高光栅光谱分辨率的方法。

背景技术

光栅光谱仪是重要且常用的光学测量仪器。其基本工作原理是：两条波长分别为λ和λ+∆的谱线，经过光栅色散所分开的距离正好使一条谱线的强度极大值和另一条谱线极大值边上的极小值重合，根据瑞利判据，波长差∆为光栅所能分辨的最小波长差。 依据瑞利衍射极限，光栅光谱仪的分辨率与光谱级数和光栅线数紧密相关。由于光谱级数一般为1或2，改变的余地很小，所以提高光栅分辨率通常只能通过增加光栅线数N来实现。

现在有研究表明，利用光的关联特性，可以突破瑞利衍射极限，实现亚波长干涉。1995年Jacbson等人证明，单一光子波长为 时，则对应的N光子纠缠的复合体系德布罗意波长为。Fonseca等人利用自发参量下转换产生双光子纠缠，测量并证实了双光子纠缠态的德布罗意波长为。2000年Boto等人从理论上分析了N个纠缠光子系统的性质，提出利用N个光子纠缠系统来实现N个光子符合探测的量子刻录方案，该方案可以把光学系统的瑞利衍射极限提高N倍。2001年，Angelo等人通过双光子纠缠的亚波长干涉试验，发现双光子刻录可以超越经典极限的2倍。2006年Hemmer等人从理论上提出除了量子纠缠光源之外，经典热光源也可以实现亚波长干涉。汪凯戈、曹德忠等人也提出了一系列利用经典热光源实现关联亚波长干涉和实现量子刻录的方案，并完成了实验验证。

在以上的技术背景上，我们设计了基于关联亚波长干涉的光栅光谱系统，基于热光源二阶关联的亚波长干涉，在同样波长的光源，同样的光栅线数的条件下，能够将分辨率提高2倍。

当前，在提高光栅光谱仪的解析度研究方面已经有一些成品例子，其中大部分都是采用多束光进行噪声比对提高稳定性，或通过多级镜片的方法提高对比度和解析度来进行技术改进，但还没有人在关联亚波长干涉的基础上，提出可超越瑞利极限的、明显提高仪器解析度的方案。

举例来说，中国专利申请号为201310590962.2的发明专利《一种双级次光谱凸面光栅光谱仪》，该系统在由凸球面光栅和凹球面反射镜构成的同轴形式的光学系统后设置分光片，同时利用了凸球面光栅分光出的-1 级次光谱和-2 级次光谱。与传统凸面光栅光谱仪相比，该系统有助于光谱仪的对比度和解析度。但该专利方法仍是经典的相干叠加方式，受到瑞利极限的限制，对光谱仪解析度的提升有其局限。

此外，中国专利申请号为201210563398.0的发明专利《双光束光谱仪》，其设计了发出参考光和探测光的光源，以及光谱仪主机，还设有：第一光纤，用于将来自光源的参考光输送至光谱仪主机；第二光纤，用于将来自光源的探测光输送至样品；第三光纤，用于将来自样品的已带有样品信息的探测光输送至光谱仪主机；所述光谱仪主机包括沿光路依次布置的狭缝片、准直镜、平面光栅、成像镜、柱面镜和面阵探测器；该发明将参考光和探测光同时显示并接收，有效消除了光源波动、杂散光、电噪声的影响。该专利方法可以有效提高对比度和清晰度，但对光谱仪的解析度提高不明显。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。

本发明的首要目的是提供一种基于关联亚波长干涉的光谱光谱仪系统。

本发明的进一步的目的是提供一种通过关联亚波长干涉提高光栅光谱分辨率的方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明公开一种基于关联亚波长干涉的光栅光谱系统，其包括光源、反射镜、光栅、第一分束器、第二分束器、透镜组、偏振片、面阵探测器，光源发出的光经旋转反射镜投射到光栅，在光栅处形成多缝衍射，其中的一级相干光经第一分束器，分离为相互关联的两束，该两束光分别经由透镜，反射镜，偏振片组成的两条不同路径，在第二个分束器处构成亚波长干涉，再由面阵探测器记录形成光谱。

上述基于关联亚波长干涉的光栅光谱系统中，所述所述第一分束器后的一个路径设两个成像透镜，另一路径设一个成像透镜。

上述基于关联亚波长干涉的光栅光谱系统中，所述光源为点状光源。

上述基于关联亚波长干涉的光栅光谱系统中，所述面阵探测器为CCD或CMOS。

采用这样的结构系统，光源发射多色热光，通过反射镜聚焦调整为近似平行光束，该光束作为后面的探测光源。

该平行光束通过多缝光栅之后，出射光为多级衍射谱线，该谱线由经典的相干叠加形成，沿传播中轴线成对称分布，遵循经典光的瑞利极限。

第一个分束器用于接收通过多缝光栅后的第一级衍射谱，并将其等分为两束出射光；该两束光由于出自同一光源，本质上具备空间强度关联，可以产生关联亚波长干涉。

上述两条路径中通过成像透镜保证光路准直。

两束光经过光程相同的两条路径交汇于第二个分束器，再由连接在第二个分束器后面的面阵探测器记录形成光谱。

本发明还公开一种基于关联亚波长干涉提高光栅光谱仪分辨率的方法，其包括如下步骤：

S1、以多缝光栅的一级出射谱线为基础，通过第一分束器分成空间关联的两路光；

S2、根据S1中所得的两路关联光，通过反射镜、成像透镜构造两路等光程的光路，通过在两路光分别放置水平偏振片和垂直偏振片的方法，使原本的相干光变成非相干光，在第二个分束器处形成非相干叠加；

S3、对第二个分束器处两束光非相干叠加的处理，使当两路关联光在面阵探测器处完全重合并形成强度关联的光。

上述基于关联亚波长干涉提高光栅光谱仪分辨率的方法方案中，一路光的路径经过两个成像透镜，另一路光的路径经过一个成像透镜。

这样，当两路光在面阵探测器处完全重合时， 其电场强度分布相对于中轴线正好相反：

从而可以顺利在面阵探测器上形成强度关联，这种强度关联可以使不同波长谱线线宽缩小为原本一半，从而使得基于关联亚波长干涉的光栅光谱仪能够提升一倍解析度。

附图说明

图1为本发明的系统逻辑架构图。

图2 为光栅示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，为本发明中基于亚波长干涉的光栅光谱仪的示例图，其包括光源、反射镜、光栅、第一分束器、第二分束器、透镜组、偏振片、面阵探测器，光源发出的光经旋转反射镜投射到光栅，在光栅处形成多缝衍射，其中的一级相干光经第一分束器，分离为相互关联的两束，该两束光分别经由透镜，反射镜，偏振片组成的两条不同路径，在第二个分束器处构成亚波长干涉，再由面阵探测器记录形成光谱。

现具体分析待测光源在基于亚波长干涉的光栅光谱仪中的探测过程：

步骤1、 设图1中光源发出的待测光为离散的双色光，波长分别

λ和λ+∆，并且两波长之差∆很小。

设多缝光栅的级数为N，上面双色光通过光栅后，根据多缝夫琅禾费衍射规律，我们可以得到光栅衍射方程为：

，

不同波长的同一级亮条纹（除零级外），均不重合，即发生色散，如图2所示，光栅的分光原理。

两条波长分别为λ和λ+∆的谱线在通过光栅后，如果他们由于色散所分开的距离正好使一条谱线的强度极大值和另一条谱线极大值边上的极小值重合，那么根据瑞利判断，这两条谱线刚好可以分辨。这时波长差∆就是光栅所能分辨的最小波长差。

由夫琅禾费多缝衍射可得到谱线的半角宽度（即谱线强度极大值到极小值的角宽度）为：

若考察一级衍射谱线，可以得到可分辨的最小波长差为

上面即为光栅的最小分辨波长，依赖于光栅缝数N 。

步骤2、从步骤1中所得的出射谱线，选取第一级衍射谱，即m=1，经过分束器1后，形成两路关联光，通过反射镜、成像透镜构造两路等光程的光路，汇聚于分束器2。

其中，通过在两路光分别放置水平偏振片和垂直偏振片的方法，使原本的相干光变成偏振方向垂直的非相干光。

此外，分束器2的路径中包括2个成像透镜，而分束器1的路径只包括1个成像透镜，当两路光在面阵探测器处完全重合时， 其电场强度分布相对于中轴线正好相反：

步骤3、下面继续考虑对分束器2处两束光的关联亚波长干涉。热光源二阶强度关联公式为：

对入射光带宽范围比较小的情形，可以设定，得到

其中：为多缝物体透过率函数的傅里叶变换，为常数噪声项。

当，为常数，没有任何干涉条纹。

当，正常的多缝干涉条纹。

当，干涉频率提高了一倍，实现了亚波长干涉。

也就是说，对于两束关联光，其相对于中轴线对称的位置处存在强度关联。显然在步骤2中已经证明对于分束器2出射的两束光满足。

对缝宽为b，缝间距为d，缝到后端产生干涉图像的距离为Z的多缝进行傅里叶变换可以得出

。

由此我们可以将热光源二阶关联的亚波长干涉光强分布归一化为：

^。

一个是单缝衍射因子，

另一个多缝干涉因子。

由于z>>x,取。分析两个因子的极大和极小条件，可以得到衍射图像中亮条纹和暗条纹的位置，进而得到主极大与主极大旁边极小的半角度数。分析多缝干涉因子，极大条件为：

极小条件为：

同一级，主极大与主极大旁边极小的半角度数为：

与传统双缝干涉衍射相比，基于亚波长干涉的双缝变为原来的一半。相应的光谱分辨本领提高一倍。同样我们可以得到：

是传统双缝干涉衍射的一半。

以上过程表明在同样条件下，即在相同的光栅缝数和同样级数的出射谱线下，基于亚波长干涉的双缝所能分辨的波长差精度是传统双缝干涉所能分辨波长差精度的两倍。除此之外，需要指出的是本发明举例仅利用了关联光的二级强度关联，如果利用高阶关联，相应的亚波长干涉精度提升会更明显，虽然还有对比度、亮度下降等困难需要克服。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.基于关联亚波长干涉的光栅光谱系统，其特征在于，包括光源、反射镜、光栅、第一分束器、第二分束器、透镜组、偏振片、面阵探测器，光源发出的光经旋转反射镜投射到光栅，在光栅处形成多缝衍射，其中的一级相干光经第一分束器，分离为相互关联的两束，该两束光分别经由透镜，反射镜，偏振片组成的两条不同路径，在第二个分束器处构成亚波长干涉，再由面阵探测器记录形成光谱。

2.根据权利要求1所述的基于关联亚波长干涉的光栅光谱系统，其特征在于，所述第一分束器后的一个路径设两个成像透镜，另一路径设一个成像透镜。

3.根据权利要求1所述的基于关联亚波长干涉的光栅光谱系统，其特征在于，所述光源为点状光源。

4. 根据权利要求1所述的基于关联亚波长干涉的光栅光谱系统，其特征在于，所述面阵探测器为CCD或CMOS。

5.基于关联亚波长干涉提高光栅光谱仪分辨率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、以多缝光栅的一级出射谱线为基础，通过第一分束器分成空间关联的两路光；

S2、根据S1中所得的两路关联光，通过反射镜、成像透镜构造两路等光程的光路，通过在两路光分别放置水平偏振片和垂直偏振片的方法，使原本的相干光变成非相干光，在第二个分束器处形成非相干叠加；

S3、对第二个分束器处两束光非相干叠加的处理，使当两路关联光在面阵探测器处完全重合并形成强度关联的光。

6.根据权利要求5所述的基于关联亚波长干涉提高光栅光谱仪分辨率的方法，其特征在于，一路光的路径经过两个成像透镜，另一路光的路径经过一个成像透镜。