CN104655278B - 一种波长定标仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波长定标仪，包括光源、准直透镜、波导滤波器、耦合透镜、分光光纤、标准光谱仪、待定标光谱仪和计算机，光源发出的光经过准直透镜准直后变成平行光后以一定角度入射波导滤波器，经波导滤波器滤波后从表面或端面出射的光经耦合透镜聚焦后耦合进入分光光纤输入端，分光光纤具有多个输出端，其中一个输出端接入标准光谱仪、另外几个接入一台或多台待定标光谱仪；获得的各个定标光谱仪CCD像元或扫描机构的参数(如丝杆位置或光栅角度等)与波长对应关系的数据传给计算机，计算机对数据进行定标处理，得出定标参数回传各定标光谱仪作为定标数据写入定标程序，完成快速准确定标。

Description

一种波长定标仪

技术领域

本发明涉及光谱技术领域，具体地，涉及一种应用于光谱仪器波长定标的波长定标仪，该波长定标仪利用波导结构梳状滤波器对宽光谱入射光进行调制，获得等间隔的梳状特征峰，进行波长定标。

背景技术

光谱仪器是光学检测与光学分析行业中一种重要的工具。光谱仪器的波长(或波数)的准确性、分辨率、信噪比等参数指标是衡量光谱仪器品质的主要方面，其中，光谱仪波长的准确性在很大程度上影响着光谱检测的正确性。所以在光谱仪器在出厂之前和使用一段时间后，都需要进行精准的波长定标或校正。

目前，波长定标的方法主要是选择在工作波长范围内具有较多特征峰的光源，如汞氩灯、氖灯等；或者采用具有特征吸收的标准物质，如氧化钬溶液、钬玻璃等，获得足够多的特征波长数据后，采取最小二乘法多项式拟合等算法进一步得到波长与CCD探测器像元或者波长与波长扫描机构的参数(如丝杆位置或光栅角度等)的对应关系。为了提高定标的准确性，定标需要有足够多的标准特征峰与CCD像元关系的数据点，通常上述特征光源或标准物质的方式在有些光谱范围特征峰数据很有限，谱峰位置分布不均匀，造成定标精度不够高。有的改进的定标方法是利用单色仪输出固定波长的准单色光，逐点来完成定标的，需要增加单色仪设备，定标扫描等操作需要时间较长。此外由于定标时间较长，定标系统的参数可能随时间会有所改变，降低了光谱定标数据的可靠性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高精度、快速的定标仪，即采用常规的宽光谱光源，利用光波导器件的滤波特性获得一系列特征峰或谷，以一台标准光谱仪为对照，进而对待定标的光谱仪进行快速定标，应用光波导滤波器对常规宽光谱光源进行滤波可获得梳状特征的光谱，该光谱具有谱峰数目多、分布均匀、峰值明显等特点，梳状谱图中的谱峰间距相等，间隔容易调节，利用这些谱峰来定标，采样数据点多而且分布均匀，能够获得更高的定标精度，而且具有定标操作简单、效率高、稳定性好等特点，能同时对多台仪器进行定标，大大降低光谱仪生产的成本，节约时间。

为实现以上目的，本发明提供一种波长定标仪，包括光源、准直透镜、波导滤波器、耦合透镜、分光光纤、标准光谱仪、待定标光谱仪和计算机，其中：所述光源发出的光经过所述准直透镜准直后变成平行光，然后以一定的角度入射所述波导滤波器，经过所述波导滤波器滤波后，从波导滤波器的表面或端面出射的光经过所述耦合透镜聚焦后耦合进入所述分光光纤的输入端，所述分光光纤具有多个输出端，其中的一个输出端接入标准光谱仪、另外的几个输出端接入一台或多台待定标光谱仪，获得各个待定标光谱仪CCD像元或波长扫描机构的参数(或丝杆位置或光栅角度等)与波长(或波数)的对应关系的数据并传给所述计算机，所述计算机对数据进行定标处理，得出定标参数回传给各待定标光谱仪作为定标数据写入定标程序，完成快速准确定标。

优选地，所述的定标仪根据待定标光谱仪的光谱范围和波长定标所需的数据量，确定波导滤波器的材料和参数，使得波导滤波器在待定标光谱仪的光谱范围具有良好的梳状特性。

优选地，入射角变化范围从0到45度。

优选地，所述的波导滤波器由镀有金属膜层的棱镜和平板玻璃，以及设置在它们之间的中间隔层构成，也可以由镀有金属膜层的两块平板玻璃和设置在这两块平板玻璃之间的中间隔层构成，中间隔层的作用是在两个金属膜层之间形成一个平行的波导腔层。

更优选地，所述波导腔层的平行度小于5′。

更优选地，所述的波导腔内可以是空气，或者其他气体或液体或固体物质。

优选地，所述的光源为具有一定光谱带宽的宽光谱灯源，如卤钨灯、氙灯、氘灯、氢灯、LED，所述光源具体根据待定标光谱仪的测量光谱范围进行选择。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明克服了现有技术采用标准光源或标准物质进行波长定标时因发射或吸收峰个数少、分布不均匀等不足，只需要采用普通的连续宽光谱光源，经过波导滤波器获得梳状特征光谱，梳状特征光谱峰数目多、分布均匀；而且可通过改变入射角或填充物质改变峰位和分布获得足够多均匀分布的光谱峰数据，从而提高波长定标的精度；此外，通过分光光纤可同时进行多台光谱仪的波长定标，大大减少了定标时间，提高了效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的波导滤波器结构示意图，其中(a)、(b)、(c)分别为三种不同结构的波导滤波器；

图2为本发明一实施例的应用波导滤波器的光谱仪波长定标仪系统构成图；

图3为本发明另一实施例的应用波导滤波器的光谱仪波长定标仪系统构成图；

图4为本发明一实施例的卤钨灯经过波导滤波器前后的光谱对照图；

图5为本发明一实施例的卤钨灯以不同入射角经过波导滤波器的光谱对照图。

图中：光源1、准直透镜2、波导滤波器3、耦合透镜4、分光光纤5、标准光谱仪6、待定标光谱仪7、计算机8。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

结合图1中(a)、(b)、(c)所示的波导滤波器结构图，本实施例的原理和技术方案如下：

由双面金属包覆结构波导内电磁场分布函数和电磁场边界条件可知，当一束平行光经棱镜或自由空间耦合进入波导时，满足一定条件的光波在波导层内形成超高阶导膜，导致出射光与该波导结构的参数及入射光波长等有关，一束平行光以一定角度入射波导后，反射率R与入射光入射于波导结构表面的角度，耦合棱镜、金属覆盖层和导波层的介电常数，金属覆盖层的厚度,为导波层厚度以及入射光的波长有关，写成函数关系为R＝f(θ,ε₁,ε₂,ε₃,d₂,d,λ)，其中θ为入射光入射于波导结构表面的角度，ε₁,ε₂,ε₃分别为耦合棱镜、金属覆盖层和导波层的介电常数，d₂为金属覆盖层的厚度，d为导波层厚度，λ为入射光的波长。因此通过设计这些波导参数，可以获得不同反射率分布，当选择一定的结构、材料、厚度等参数制作成波导后，即ε₁,ε₂,ε₃,d₂,d保持不变，可以得到以相同角度θ入射的不同波长的光通过该波导滤波器的反射率的情况，其反射谱呈现出梳状结构特征，故称为波导梳状滤波器。

从波导侧面输出的光跟从上表面反射的光一样也具有梳状特征。

结合图1中(a)进一步说明，采用对称金属包覆介质波导(ε_2＝ε₄)，ε₄是波导衬底的介电常数，其模式本征方程为：

k₃d＝mπ(m＝0,1,2…) (1)

其中， ${\mathrm{\κ}}_i=\sqrt{k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\β}}^1}(i=\mathrm{1,2,3,4}),$ k₀＝2π/λ, $\mathrm{\β}=k_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}\sin {\mathrm{\θ}}_1=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}\sin {\mathrm{\θ}}_1),$ κ_i是第i层介质的波矢横向分量，π为圆周率。k₃为是第3层介质的波矢横向分量，d为导波层厚度(单位m)。

当入射角θ较小时对应超高阶导膜，TE模与TM模的梳状反射光谱相邻波谷间隔用波数表示为：

$\mathrm{\Δv}=\frac{{10}^{-2}}{2d\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_1{\sin }^2\mathrm{\θ}}}---\left(2\right)$

式(2)中：Δν为反射谱图梳状结构的波数间隔(单位cm^-1)，d为导波层厚度(单位m)，θ为入射光与波导平面法线的夹角，ε₁为耦合棱镜的介质介电常数，ε₃为导波层介质的介电常数。

由上式可知，当波导的结构参数确定后，ε₁和d确定，通过改变入射角θ，或者改变波导层内所填充物质(ε₃)，可以改变梳状光谱出现的位置和周期间隔，因此，对于已经设计制作好的波导滤波器，在使用中仅需要改变入射角θ或改变波导层内填充物质，就可以得到一系列不同位置分布和周期间隔的梳状光谱。

波导梳状滤波器具有谱峰数多，谱峰分布等间隔，峰值明显等特点，特别适合用作光谱仪的波长定标。

用于波长定标的波导滤波器的设计方法如下：

根据待定光谱仪的光谱范围和波长定标所需的数据量，确定波导滤波器的材料和参数，使得波导滤波器在待定光谱仪的光谱范围具有良好的梳状特性；确定波长定标所需的数据量确定入射角变化范围。

利用上述波导滤波器性质提出的一种波长定标系统构成如下：

如图2、3所示，为本发明一实施例的波长定标仪，包括光源1、准直透镜2、波导滤波器3、耦合透镜4、分光光纤5、标准光谱仪6、待定标光谱仪7和计算机8，其中：光源1发出的光经过准直透镜2准直后变成平行光，然后以一定角度入射波导滤波器3，经过波导滤波器3滤波后，从表面或端面出射的光经过耦合透镜4聚焦后耦合进入分光光纤5的输入端，分光光纤5具有多个输出端，其中的一个输出端接入标准光谱仪6、另外的几个输出端接入一台或多台待定标光谱仪7；获得的各定标光谱仪CCD像元(或丝杆位置或光栅角度)与波长(或波数)的对应关系的数据传给计算机8，计算机8对数据进行定标处理，得出定标参数回传给各个定标光谱仪作为定标数据写入定标程序，完成快速准确定标。

本实施例中，所述波导滤波器3采用等腰直角棱镜耦合方式，棱镜的折射率为1.51，等腰直角棱镜的底面镀上35nm厚度的金膜，波导层为厚度约10微米的空气层，平板玻璃上表面镀上110nm厚度的金膜，这样就在棱镜底面与平板玻璃上方形成了厚度为10微米的双面金属包覆波导。如图1中(a)、(b)、(c)所示分别为三种不同结构的波导滤波器。

本实施例中，以光纤耦合的方式，接收卤钨灯光线，并将其以小角度θ₁＝5°平行入射于波导滤波器3棱镜一侧，在波导滤波器3的另一侧对称位置接收反射光，并由所选标准光谱仪接收谱图，其谱图如图4所示，由图4可知，在光谱范围[410nm～910nm]内，谱图中峰的数量为21个，峰尖具有周期性，周期间隔为Δν≈595cm^-1。

当改变入射光的角度θ₁时，获得新的梳状谱图分布，其分布如图所示5，由图5可知，入射角度θ₁的略微变化，会引起梳状谱图分布的小“平移”，当增大入射角时，梳状峰往波数增大方向(波长减小方向)移动，相应的，减小入射角时，梳状峰谱总体往波数减小方向移动，此时梳状峰的周期间隔变化不大；可见，可以通过略微改变入射角达到改变梳状谱峰分布的要求，这一特点使得利用波导滤波器定标时特征峰并不唯一，可根据需要在一定范围内调整或增加，具有可调谐的优点。

本发明克服了现有技术采用标准光源或标准物质进行波长定标时因发射或吸收峰个数少，分布不均匀等不足，只需要采用普通的连续宽光谱光源，经过波导滤波器获得梳状特征光谱，梳状特征光谱峰数目多，分布均匀，而且可通过改变入射角或填充物质改变峰位和分布获得足够多均匀分布的光谱峰数据，从而提高波长定标的精度。此外，通过分光光纤可同时进行多台光谱仪的波长定标，大大减少了定标时间，提高了效率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种波长定标仪，其特征在于，包括光源、准直透镜、波导滤波器、耦合透镜、分光光纤、标准光谱仪、待定标光谱仪和计算机，其中：所述光源发出的光经过所述准直透镜准直后变成平行光，然后以一角度θ入射所述波导滤波器，经过所述波导滤波器滤波后，从所述波导滤波器表面或端面出射的光经过所述耦合透镜聚焦后耦合进入所述分光光纤的输入端，所述分光光纤具有多个输出端，其中的一个输出端接入所述标准光谱仪且另外的几个输出端接入一台或多台所述待定标光谱仪，获得各待定标光谱仪CCD像元与波长或波数的对应关系的数据，或丝杆位置与波长或波数的对应关系的数据，或光栅角度与波长或波数的对应关系的数据，并传给所述计算机；所述计算机对数据进行定标处理，得出定标参数回传给各待定标光谱仪作为定标数据写入定标程序，完成快速准确定标；

所述的波导滤波器由镀有金属膜层的棱镜和平板玻璃，以及设置在它们之间的中间隔层构成，或者所述的波导滤波器由镀有金属膜层的两块平板玻璃和设置在这两块平板玻璃之间的中间隔层构成，中间隔层的作用是在两个金属膜层之间形成一个平行的波导腔层。

2.根据权利要求1所述的一种波长定标仪，其特征在于，所述的定标仪根据待定标光谱仪的光谱范围和波长定标所需的数据量，确定波导滤波器的材料和参数，使得波导滤波器在待定标光谱仪的光谱范围具有良好的梳状特性。

3.根据权利要求1所述的一种波长定标仪，其特征在于，所述的波导腔层内是气体或者液体或者固体物质，改变波导腔层内物质可以改变梳状光谱出现的位置和周期间隔。

4.根据权利要求1所述的一种波长定标仪，其特征在于，所述波导腔层的平行度小于5′。

5.根据权利要求1所述的一种波长定标仪，其特征在于，当所述波导滤波器的结构参数确定后，通过改变入射角θ，或者改变波导腔层内物质，可以改变梳状光谱出现的位置和周期间隔，在使用中仅需要改变入射角θ或改变波导腔层内物质，就得到一系列不同位置分布和周期间隔的梳状光谱。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种波长定标仪，其特征在于，所述的光源为具有一定带宽的宽谱灯源，所述光源根据待定标光谱仪的测量光谱范围进行选择。