CN104501957A - 一种基于电光调制的小型静态傅里叶光谱测量结构 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于电光调制的小型静态傅里叶光谱测量结构，属于傅里叶光谱测量技术领域；提供一种通过改变电压实现调制光程差的小型静态傅里叶光谱测量，该结构实现了高光谱分辨率、无运动部件、调制速度快；包括缩束准直模块、小型静态干涉具和高速光电探测器，所述缩束准直模块、小型静态干涉具和高速光电探测器沿Z轴依次放置，所述缩束准直模块包括第一透镜、光阑和第二透镜，所述第一透镜、光阑和第二透镜沿Z轴依次放置，所述小型静态干涉具包括起偏器、小型电光调制器和检偏器，所述起偏器、小型电光调制器和检偏器沿Z轴依次放置；本发明主要应用在傅里叶光谱测量技术领域。

Description

一种基于电光调制的小型静态傅里叶光谱测量结构

技术领域

本发明一种基于电光调制的小型静态傅里叶光谱测量结构，属于傅里叶光谱测量技术领域。

背景技术

小型化、高光谱分辨率、高速的光谱测量技术在科学研究、航天、军事、安全生产等方面有广泛的应用。在现有的光谱仪中，傅里叶变换光谱仪在灵敏度、光谱分辨率等方面较其它如光栅、棱镜等类型光谱仪有着明显的优势，因而被广泛应用于光谱测量领域。随着科学的发展、军事、航天等高科技领域的飞速发展，对光谱测量仪器的小型化、光谱测量速度、光谱分辨率、抗干扰等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，因此研究小型静态高分辨率的傅里叶变换光谱仪具有重要意义。

傅里叶变换光谱仪多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。由于这些缺点，研究者在驱动方式和动镜扫描方法上进行了改进。据报道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 Te chnologies III.Proc.of SPIE，2010，7680，768 00S-76800S-12]在分辨率为8cm^-1时，其速度可达10kHz。虽然上述改进使傅里叶变换光谱仪的速度已有显著提高，但无法完全克服因机械运动带来的低速、抗震性能差、体积大等缺点，限制了其在高速、高稳定、小型化的光谱测量领域应用。因此，有必要对其进行改进。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，提供一种通过改变电压实现调制光程差的小型静态傅里叶光谱测量，该结构实现了高光谱分辨率、无运动部件、调制速度快。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于电光调制的小型静态傅里叶光谱测量结构，空间坐标为X轴、Y轴和Z轴，所述X轴、Y轴和Z轴相互垂直，包括缩束准直模块、小型静态干涉具和高速光电探测器，所述缩束准直模块、小型静态干涉具和高速光电探测器沿Z轴依次放置。

所述缩束准直模块包括第一透镜、光阑和第二透镜，所述第一透镜、光阑和第二透镜沿Z轴依次放置。

所述小型静态干涉具包括起偏器、小型电光调制器和检偏器，所述起偏器、小型电光调制器和检偏器沿Z轴依次放置。

所述起偏器的偏振方向平行于X轴，小型电光调制器的电场方向平行于X轴，检偏器的偏振方向平行于Y轴。

所述小型电光调制器采用横向电光效应。

所述小型电光调制器上下两面镀电极，驱动电压频率为50kHz-200kHz。

所述小型电光调制器的电光晶体沿X轴方向厚度为20μm-50μm，沿Y轴方向宽度为10mm-20mm，沿Z轴方向长度为30mm-50mm。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果为：

1、调制光程差通过电光效应调制电压实现，无运动部件，抗震性强，实现静态傅里叶光谱测量。

2、小型电光调制器采用横向电光效应，减小加工和镀电极的难度。

3、小型电光调制器通过减小电光晶体电场方向的厚度实现大光程差调制，进而实现高的光谱分辨率。

4、起偏器偏振方向平行于X轴，小型电光调制器电场方向平行于X轴，检偏器偏振方向平行于Y轴，这样可以提高有效干涉信号的强度，消除干涉信号的直流成分。

5、干涉信号调制频率的快慢可以通过改变调制电压频率实现，并且电光调制频率比机械调制频率快很多。

6、由于没有运动部件，起偏器、小型电光调制器和检偏器组成的小型静态干涉具体积较小。

附图说明

下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的放置示意图；

图2为光学缩束准直示意图；

图3为电光调制的小型静态傅里叶光谱测量原理图；

图4为小型电光调制器示意图。

图中1为缩束准直模块、2为小型静态干涉具、3为高速光电探测器、4为第一透镜、5为光阑、6为第二透镜、7为起偏器、8为小型电光调制器、9为检偏器。

具体实施方式

下面实施例结合附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，一种基于电光调制的小型静态傅里叶光谱测量结构，空间坐标为X轴、Y轴和Z轴，所述X轴、Y轴和Z轴相互垂直，包括缩束准直模块1、小型静态干涉具2和高速光电探测器3，所述缩束准直模块1、小型静态干涉具2和高速光电探测器3沿Z轴依次放置，所述高速光电探测器3将调制后的干涉光信号转变为电信号，为后续的傅里叶光谱反演提供探测数据。

如图2所示，所述缩束准直模块1包括第一透镜4、光阑5和第二透镜6，所述第一透镜4、光阑5和第二透镜6沿Z轴依次放置，所述第一透镜4、光阑5和第二透镜6组成的缩束准直模块1对被测光进行缩束准直，提高光能利用率及调节光强。

如图3所示，所述小型静态干涉具2包括起偏器7、小型电光调制器8和检偏器9，所述起偏器7、小型电光调制器8和检偏器9沿Z轴依次放置，实现对被测光的干涉调制，无运动部件，光程差通过电光探测器两端的电压调制。

所述起偏器7的偏振方向平行于X轴，小型电光调制器8的电场方向平行于X轴，检偏器9的偏振方向平行于Y轴，这样可以提高有效干涉信号的强度，消除干涉信号的直流成分。

所述小型电光调制器8采用横向电光效应，减小加工和镀电极的难度。

所述小型电光调制器8上下两面镀电极，确保电光调制器电场方向平行于X轴，驱动电压频率根据实际需要及电光晶体材料尺寸适当选择，频率优选50kHz-200kHz。

如图4所示，所述小型电光调制器8的电光晶体沿X轴方向厚度H优选20μm-50μm，确保一定电压下有较强的电场，进而有高的调制光程差，高的光谱分辨率；电光晶体沿Y轴方向宽度W优选10mm-20mm；电光晶体沿Z轴方向长度L优选30mm-50mm。

由于小型电光调制器8的有效通光面积较小，缩束准直模块1确保更多的光能被调制，提高整个装置的探测灵敏度，光阑5改变被测光的强弱调节光强，确保高速光电探测器3不饱和；高速光电探测器3得到的干涉信号经过傅里叶变化得到被测光的光谱信息。

如图2所示，被测光经过偏振方向平行于x轴的起偏器7后进入小型电光调制器8，经在x方向加电场的电光调制器折射率椭球绕z轴转动45°，如图3所示的x′与x轴的夹角为45°，y′与y轴的夹角为45°，光进入小型电光调制器8的折射率分别为：

$n_{x^{\′}}=n_o+\frac{1}{2}{n_o}^3{\mathrm{\γ}}_{22}{E}_x---\left(1\right)$

$n_{y^{\′}}=n_o-\frac{1}{2}{n_o}^3{\mathrm{\γ}}_{22}{E}_x---\left(2\right)$

其中，n_x′为加电场后x′方向的折射率，n_y′为加电场后y′方向的折射率，n_o为没有加电场的折射率，γ₂₂为小型电光调制器8的电光系数，E_x为小型电光调制器8x方向的电场强度。

$E_x=\frac{V_0\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)}{H}---\left(3\right)$

其中，V₀为小型光电调制器8的调制电压幅值，f为小型光电调制器8的调制频率，t为时间，H为小型光电调制器8中电光晶体的厚度。

因此经过小型光电调制器8调制后x′和y′方向的调制光程差S为：

$S=L(n_{x^{\′}}-n_{y^{\′}})={{\mathrm{Ln}}_o}^3{\mathrm{\γ}}_{22}{E}_x=\frac{{\mathrm{LV}}_0{n_o}^3{\mathrm{\γ}}_{22}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)}{H}=S_0\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)---\left(4\right)$

其中，L为小型光电调制器8中电光晶体的长度，为最大调制光程差。

经过偏振方向平行于x轴的检偏器9将存在光程差的x′轴方向和y′轴方向光在x轴方向干涉，到达高速光电探测器3的干涉信号为：

$I\left(t\right)=\underset{{\mathrm{\σ}}_1}{\overset{{\mathrm{\σ}}_2}{\∫}}I\left(\mathrm{\σ}\right)\cos \left[2\mathrm{\πS\σ}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)\right]\mathrm{d\σ}=\underset{{\mathrm{\σ}}_1}{\overset{{\mathrm{\σ}}_2}{\∫}}I\left(\mathrm{\σ}\right)\cos \left[2\mathrm{\πL}{V}_0{n_o}^3{\mathrm{\γ}}_{22}\mathrm{\σ}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)\right]\mathrm{d\σ}---\left(5\right)$

其中，I(σ)为被测光谱，σ为光波波数，被测光波波数范围为σ₁～σ₂。

将(5)式反傅里叶变换后可得被测光谱为：

$I\left(\mathrm{\σ}\right)=\underset{0}{\overset{T/4}{\∫}}I\left(t\right)\cos \left[2\mathrm{\πS\σ}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)\right]\cos \left(2\mathrm{\πft}\right)\mathrm{dt}---\left(6\right)$

其中，T为小型电光调制器8的调制周期，T＝1/f。

小型电光调制器8中的电光晶体材料为LiNbO₃，因此，折射率n_o＝2.28，γ₂₂电光系数γ₂₂＝3.4×10^-12m/V，晶体的尺寸L×W×H＝40mm×15mm×0.02mm，调制电压的幅值V₀＝1500V，调制频率f＝100kHz。

根据本实施方式的一种电光调制的小型静态傅里叶光谱测量结构如图2所示，参数如下：

1)小型电光晶体材料：LiNbO₃；

2)小型电光晶体尺寸：x方向0.02mm，y方向15mm，z方向40mm；

3)适用波段范围：0.4μm～2μm；

4)光谱分辨率：≤3.3nm632.8nm；

5)调制电压幅值：1500V；

6)调制频率：100kHz。

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 (7)

1.一种基于电光调制的小型静态傅里叶光谱测量结构，空间坐标为X轴、Y轴和Z轴，所述X轴、Y轴和Z轴相互垂直，其特征在于：包括缩束准直模块(1)、小型静态干涉具(2)和高速光电探测器(3)，所述缩束准直模块(1)、小型静态干涉具(2)和高速光电探测器(3)沿Z轴依次放置。

2.根据权利要求1所述的一种基于电光调制的小型静态傅里叶光谱测量结构，其特征在于：所述缩束准直模块(1)包括第一透镜(4)、光阑(5)和第二透镜(6)，所述第一透镜(4)、光阑(5)和第二透镜(6)沿Z轴依次放置。

3.根据权利要求1所述的一种基于电光调制的小型静态傅里叶光谱测量结构，其特征在于：所述小型静态干涉具(2)包括起偏器(7)、小型电光调制器(8)和检偏器(9)，所述起偏器(7)、小型电光调制器(8)和检偏器(9)沿Z轴依次放置。

4.根据权利要求3所述的一种基于电光调制的小型静态傅里叶光谱测量结构，其特征在于：所述起偏器(7)的偏振方向平行于X轴，小型电光调制器(8)的电场方向平行于X轴，检偏器(9)的偏振方向平行于Y轴。

5.根据权利要求4所述的一种基于电光调制的小型静态傅里叶光谱测量结构，其特征在于：所述小型电光调制器(8)采用横向电光效应。

6.根据权利要求4所述的一种基于电光调制的小型静态傅里叶光谱测量结构，其特征在于：所述小型电光调制器(8)上下两面镀电极，驱动电压频率为50kHz-200kHz。

7.根据权利要求4所述的一种基于电光调制的小型静态傅里叶光谱测量结构，其特征在于：所述小型电光调制器(8)的电光晶体沿X轴方向厚度为20μm-50μm，沿Y轴方向宽度为10mm-20mm，沿Z轴方向长度为30mm-50mm。