CN110631702A - 一种光谱分辨率增强装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光谱分辨率增强装置，包括：前级色散单元、双光栅角色散放大单元以及探测单元；所述前级色散单元用于接收一束准直的入射光，并将所述入射光中不同波长的光以不同的角度出射；所述双光栅角色散放大单元用于对前级色散单元出射的不同波长分别实现多次衍射，使得各个波长的角色散增强，以使得不同波长的光的出射角偏差增大；所述探测单元用于探测从所述双光栅角色散放大单元出射的不同波长的光，由于不同波长的光的出射角的偏差增大，则探测单元对不同波长的分辨率增加。本发明可以对角色散进行放大，从而提高光谱分辨率，结构体积小，易于集成到各种光谱仪。

Description

一种光谱分辨率增强装置
技术领域
本发明涉及光谱测量领域，更具体地，涉及一种光谱分辨率增强装置。
背景技术
光谱测量所用的光谱仪器的分辨率是一个重要的指标，光谱仪的分辨率决定了光谱仪分析频谱细节的能力，但是普通光谱仪分辨率一般受到色散元件的限制，如有限的光栅线数和棱镜材料折射率，为了得到高的光谱分辨能力，需要对普通光谱仪光谱分辨率进行增强。目前，常用的光谱分辨率增强方法主要有级联可调谐法布里－珀罗(Fabry-Perot)干涉仪超高分辨率的光谱测量，基于虚拟成像阵列(VIPA)的高分辨率光谱仪，以及利用阵列波导光栅(AWG)得到更高的衍射级次，从而实现高分辨率光谱测量。然而法布里－珀罗(Fabry-Perot)干涉仪需要进行高精度扫描，虚拟成像阵列(VIPA)光能量利用率低，系统庞大复杂，而阵列波导光栅(AWG)需要对阵列波导需要对相位进行校正。因此，提出一种精度高、结构体积小、适用性强的光谱分辨率增强装置是目前需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有光谱测量的分辨率需要牺牲探测装置的体积以及能量，不具备实用性的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种光谱分辨率增强装置，包括：前级色散单元、双光栅角色散放大单元以及探测单元；
所述前级色散单元用于接收一束准直的入射光，并将所述入射光中不同波长的光以不同的角度出射；
所述双光栅角色散放大单元用于对前级色散单元出射的不同波长分别实现多次衍射，使得各个波长的角色散增强，以使得不同波长的光的出射角偏差增大；
所述探测单元用于探测从所述双光栅角色散放大单元出射的不同波长的光，由于不同波长的光的出射角的偏差增大，则探测单元对不同波长的分辨率增加。
可选地，所述前级色散单元包括：入射狭缝、准直透镜以及衍射光栅；
所述入射光经过入射狭缝入射；
所述准直透镜用于对通过入射狭缝的入射光进行准直后平行出射；
所述衍射光栅用于接收经过准直透镜出射的入射光，并对入射光中不同波长的光以不同的角度出射。
可选地，所述双光栅角色散放大单元包括：第一闪耀光栅和第二闪耀光栅；
所述第一闪耀光栅接收前级色散单元出射的不同波长的光，并将不同波长的光衍射到第二闪耀光栅；
所述第二闪耀光栅接收从第一闪耀光栅衍射的不同波长的光，并又将不同波长的光衍射到第一闪耀光栅；以此循环往复；
最终，不同波长的衍射光经过第一闪耀光栅或者第二闪耀光栅衍射后出射到所述探测单元。
可选地，当不同波长的衍射光经过第一闪耀光栅衍射后出射到所述探测单元时，通过设置第一闪耀光栅和第二闪耀光栅的位置使得光束在第一闪耀光栅和第二闪耀光栅间多次衍射时入射角度由小于利特罗角变成大于利特罗角；
所述探测单元包括：分束器、成像透镜以及探测器；
所述分束器用于将出射的不同波长的衍射光出射到所述成像透镜；
所述成像透镜用于将不同波长的出射光聚焦于探测器；
所述探测器用于探测从所述双光栅角色散放大单元出射的不同波长的光。
可选地，当不同波长的衍射光经过第二闪耀光栅衍射后出射到所述探测单元时，通过设置第一闪耀光栅和第二闪耀光栅的位置使得光束在第一闪耀光栅和第二闪耀光栅间多次衍射时入射角度均小于利特罗角；
所述探测单元包括：成像透镜和探测器；
所述成像透镜用于将不同波长的出射光聚焦于探测器；
所述探测器用于探测从所述双光栅角色散放大单元出射的不同波长的光。
可选地，通过设置第一闪耀光栅和第二闪耀光栅的位置使得光束在第一闪耀光栅和第二闪耀光栅间多次衍射时入射角度由小于利特罗角变成大于利特罗角的过程中，当经过多次衍射，入射角达到利特罗角时，衍射角和入射角相同，则光束沿原衍射路线逆向多次衍射后出射到所述分束器。
可选地，第j次经过光栅衍射角色散大小为Dj，则递推关系为：
Figure BDA0002204236830000031
其中，Dj-1为第j-1次经过光栅衍射角色散，ij为第j次衍射的入射角，ij为第j次衍射的衍射角，m为闪耀光栅衍射级次，d为光栅常数。
可选地，若不同波长的衍射光经过第一闪耀光栅衍射后出射到所述探测单元，则探测单元接收到的入射光束的宽度不变，成像光斑大小不变，该装置对不同波长光的角色散放大倍数为光谱分辨率增强倍数；
若不同波长的衍射光经过第二闪耀光栅衍射后出射到所述探测单元，则探测单元接收到的入射光束被缩小，缩束后的光束发散角变大，角谱分布变宽，成像光斑变大，该装置的光谱分辨率为所探测的光斑大小的半高全宽。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种光谱分辨率增强装置，其中的双光栅结构紧凑，所占体积小，方便集成使用。双光栅光谱分辨率增强随波长呈非线性分布，因此可以在精细光谱分析时使用倍数较高的分布区域，在粗光谱分析时使用倍数较低的分布区域。该光栅光谱分辨率增强装置可以在空间上将角色散放大10～100倍，适合各种精细光谱分析。旋转前级色散单元中的衍射光栅可以改变光谱测量范围，实现可调光谱测量。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于双光栅的光谱分辨率增强装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的基于双光栅的透射式光谱分辨率增强装置结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于双光栅的反射式光谱分辨率增强装置结构示意图；
图4为本发明实施例提供的双光栅角色散放大结构示意图；
图5(a)为本发明实施例提供的增强前色散角随波长变化的仿真曲线示意图；
图5(b)为本发明实施例提供的增强后色散角随波长变化的仿真曲线示意图；
图6(a)为本发明实施例提供的增强前谱线分布仿真图；
图6(b)为本发明实施例提供的增强后谱线分布仿真图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1为前级色散单元、2为双光栅角色散放大单元、3为探测单元、101为入射狭缝、102为准直透镜、103为衍射光栅、104和105为双光栅角色散放大单元的两个闪耀光栅、106为成像透镜，107为探测器，108为分束器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明要解决的技术问题是提供一种光谱仪分辨率增强装置，使传统光谱仪在一定的光谱范围内分辨率提高，并且需要该装置体积小、易于集成。
本发明提供一种光谱分辨率增强装置，包括：前级色散单元、双光栅角色散放大单元、探测单元；
所述前级色散单元包括一个衍射光栅，用于将输入的信号光的不同频率成分在空间上初步分离，从而使输入光信号以不同的角度出射；
所述双光栅角色散放大单元包括两块闪耀光栅；
所述探测单元包括成像透镜和光电探测器，成像透镜用于将入射光聚焦到光电探测器，光电探测器为成像器件CCD或CMOS。
在一个可选的实例中，若待测信号光的中心波长为λc，设置双光栅角色散放大单元中的第一个光栅角度，入射角和衍射角相对于光栅法线，使中心波长λc的信号光入射角为α，衍射角为β，入射角和衍射角满足光栅方程，设置第二个光栅与第一个光栅夹角为γ，则中心波长为λc经过第二个光栅入射角为β-γ，使光束在两个光栅之间多次衍射，设置两个光栅的相对位置来调节信号光在双光栅在两个光栅来回衍射的次数，光束经过多次衍射，角色散实现多次衍射放大，另外，改变入射角度α可以得到不同的角色散增强倍数，实现不同程度的光谱分辨率增强。
在一个可选的实例中，该装置分为透射式和反射式两种结构，当光束在光栅间多次反射时入射角度由小于利特罗(littrow)角变为大于利特罗(littrow)角时，光束会反射至入射窗口，此时为反射式结构；当光束在光栅间多次反射时入射角度均小于利特罗(littrow)角，光束从出射口出射，此时为透射式结构。
在一个可选的实例中，第j次经过光栅衍射角色散大小为Dj，则递推关系为：
Figure BDA0002204236830000061
其中，Dj-1为第j-1次经过光栅衍射角色散，ij为第j次衍射的入射角，ij为第j次衍射的衍射角，m为闪耀光栅衍射级次，d为光栅常数，由递推关系，角色散放大由两部分组成，右边第一部分为光栅入射角与衍射角决定的角色散放大因子，若
Figure BDA0002204236830000062
则可实现角色散逐次放大，第二项为光栅每次衍射的角色散，多次衍射后角色散多次叠加，实现角色散放大。
在一个可选的实例中，角色散大小和波长呈一定的非线性关系，各波长的角色散可根据光栅方程计算得到，在探测面用光探测器进行标定，得到角色散放大倍数和波长的关系，最后对得到的光谱进行校准。
在一个可选的实例中，该装置的光谱测量范围由双光栅角色散放大单元决定，即最后一次衍射的光可从双光栅结构的出射窗口出射的波长范围，若衍射角超过π/2，光束变成倏逝波，所以衍射角最大值
Figure BDA0002204236830000063
所以波长λmax衍射角为π/2，从第一个光栅边沿出射的光衍射角为θmin，为了保证衍射光能出射，衍射角需大于θmin，因此衍射角为θmin对应的信号光波长为λmin。
图1为本发明提供的一种基于双光栅的光谱分辨率增强装置的示意图，如图1所示，包括前级色散单元1、双光栅角色散放大单元2、探测单元3；待测光首先经过前级色散单元使得不同波长的光以不同的角度出射，然后经过所述的双光栅角色散放大单元，使不同波长的光分离的角度更大，最后经过探测单元进行光谱测量。
作为优选的，所述前级色散单元1包括一个衍射光栅，用于将输入的信号光的不同频率成分在空间上初步分离，从而使输入光信号以不同的角度出射；
进一步的，旋转第一个衍射光栅可以改变让不同波长的光垂直入射双光栅角色散放大单元的第一光栅，从而增大光谱测量范围。
作为优选的，所述双光栅角色散放大单元包括两块参数相同的闪耀光栅104和105；
进一步的，若待测信号光的中心波长为λc，设置双光栅角色散放大单元中的第一个光栅角度，入射角和衍射角相对于光栅法线，使中心波长λc的信号光入射第一级光栅的入射角为α，衍射角为β，设置第二个光栅与第一个光栅夹角为γ，使光束在两个光栅之间多次衍射，设置两个光栅的相对位置来调节信号光在双光栅在两个光栅来回衍射的次数，光束经过多次衍射，角色散实现多次衍射放大。
进一步的，所述双光栅角色散放大单元2，第j次经过光栅衍射角色散大小为Dj，则递推关系为：
Figure BDA0002204236830000071
其中，Dj-1为第j-1次经过光栅衍射角色散，ij为第j次衍射的入射角，ij为第j次衍射的衍射角，m为闪耀光栅衍射级次，d为光栅常数，角色散放大倍数由光栅参数、入射角和衍射次数决定。
进一步的，角色散放大后的大小和波长呈非线性关系，各波长角色散根据光栅方程计算得到，需要在探测面用探测器进行标定，得到角色散放大倍数和波长的关系，最后对得到的光谱进行校准。
作为优选的，所述探测单元3包括成像透镜106和光电探测器107，成像透镜焦距为f2，用于将入射光聚焦到光电探测器，光电探测器为CCD或CMOS，用于测量入射光的光谱分布。
本发明所提供的实施例基于双光栅的透射式光谱分辨率增强装置和基于双光栅的反射式光谱分辨率增强装置，分别如图2、图3所示，两实施例均将双光栅角色散放大单元集成到普通光栅光谱仪，
基于双光栅的透射式光谱分辨率增强装置包括：入射狭缝101、准直透镜102、衍射光栅103、双光栅角色散放大单元(104，105)、成像透镜106以及探测器107；含有波长λ和λ+Δλ的光束经过入射狭缝101之后，经过透镜102准直平行出射，系统的孔径光阑为b，经过孔径衍射，再经过衍射光栅103后，两波长光衍射角不同，出射光以不同的入射角入射双光栅角色散放大单元(104，105)，经过多次衍射，由于角色散放大，两波长出射光束角度变大，再经过成像透镜106最后在探测器107上成像。
基于双光栅的反射式光谱分辨率增强装置包括：入射狭缝101、准直透镜102、衍射光栅103、双光栅角色散放大单元(104，105)、成像透镜106、探测器107以及分束器108；含有波长λ和λ+Δλ的光束经过入射狭缝101之后，经过透镜102准直平行出射，系统的孔径光阑为b，经过孔径衍射，再经过衍射光栅103后，再经过分束器108，由于两波长光衍射角不同，出射光以不同的入射角入射双光栅角色散放大单元(104，105)，经过多次衍射后入射角接近利特罗(Littrow)角，于是衍射角与入射角相同，光束再次经过多次衍射最后返回分束器108，再经过成像透镜106最后在探测器107上成像。
在满足瑞利判据的情况下，普通光栅光谱仪最小可分辨波长间隔为：
Figure BDA0002204236830000081
其中a为入射狭缝宽度、f1为准直透镜(102)焦距，dθ/dλ为角色散。因此在不改变入射狭缝大小、孔径光阑以及准直透镜焦距的情况下，提高角色散既可减小光谱仪最小可分辨波长，即提高光谱仪分辨率。
以透射式光栅为例，如图4所示，对于波长为λ0的入射光入射前级光栅的入射角和衍射角分别为i0和θ0，经过双光栅角色散放大单元，第n次入射角和衍射角分别为in和θn，λ0+Δλ的光入射前级光栅的衍射角为θ0+Δθ0，经过双光栅角色散放大单元，第n次衍射角θn+Δθn，计算角色散如下：
经过衍射光栅103，可得到一下光栅方程：
d1(sini0+sinθ0)＝m0λ0
d1(sini0+sin(θ0+Δθ0))＝m0(λ0+Δλ)
其中d1为衍射光栅103的光栅常数，i0为入射角，θ0为衍射角。角色散为：
Figure BDA0002204236830000091
其中m0为入射光经过衍射光栅103的衍射级次。结合双光栅第一次衍射，可以得到衍射递推关系：
Figure BDA0002204236830000092
其中m为入射光经过反射光栅(104、105)的衍射级次双光栅角色散放大单元中衍射级次，d2为反射光栅(104、105)的光栅常数。由上述的关系，之后的三次衍射均可由以上关系计算，最后得到四次衍射的角色散为：
Figure BDA0002204236830000093
其中ip和θp(p＝1,2,3,4)为双光栅角色散放大单元四次衍射的入射角和衍射角。本实施例中心波长为λc＝1550nm。
可选的，入射光垂直入射反射光栅105，且设定反射光栅105和反射光栅104夹角为arcsin(m·λc/d2)，则入射波长λc的光四次均垂直入射光栅，即i1,i2,i3,i4均为0，且θ1＝θ2＝θ3＝θ4＝θ，且有din＝dθn-1(n＝2,3,4)，则令入射波长λ0的衍射角为θ。衍射级次分别为m0＝1,m＝-1，则中心波长附近角色散为：
Figure BDA0002204236830000094
作为一具体的实施例，衍射光栅103的参数如下：
光栅常数为：1μm；
大小：19mm×13.5mm；
带宽：1525nm-1565nm；
反射光栅(104、105)的参数如下：
光栅常数：1/600μm；
大小：50mm×50mm；
闪耀波长：1.6μm；
计算得到经过双光栅角色散放大单元后角色散比一次衍射增强了85倍。
需要说明的是，该装置的光谱增强范围由图4中双光栅角色散放大单元的出射窗口决定，可以从出射窗口出射的波长确定了光谱增强范围，根据光栅的几何参数计算，所述的实施例一种基于双光栅的光谱分辨率增强装置光谱增强范围为：1545.8nm-1565nm。
进一步的，本实施例提供的光谱分辨率增强前后角色散随波长变化的曲线如图5(a)、图5(b)所示，图5(a)说明经过双光栅角色散放大单元前，测量光束只经过一个光栅，角色散随波长变化近似为线性，且色散角为-0.025-0.005rad，图5(b)说明经过双光栅角色散放大单元后，衍射角扩大，并且角色散随波长呈非线性变化，且色散角增大为-0.3-0.3rad，由于角色散随波长呈非线性变化，需要在探测器107上对位置和波长进行标定。
进一步的，本实施例提供的光谱分辨率增强前后谱线分布仿真图如图6(a)、图6(b)所示，输入光谱为1548nm-1551nm等间距十个频点，两次探测的成像透镜焦距相同，图6(a)为普通光栅光谱仪得到的频谱图，谱线呈线性分布，由于角色散较小，线色散较小，谱线分布在1mm×1mm的成像面上，图6(b)为经过双光栅角色散放大单元(104，105)后得到的频谱图，谱线呈非线性分布，由于角色散得到了增强，线色散增大，谱线分布在60mm×60mm的成像面上，，另一方面，角色散增强倍数较大的波长区域光斑大小有明显变大，由此图可以对波长和位置进行标定，另外增强倍数较高的波长区域最终的分辨率需要对光斑大小的影响进行校正。
进一步的，本实施例提供的基于双光栅的透射式光谱分辨率增强装置和基于双光栅的反射式光谱分辨率增强装置区别在于：透射式光谱分辨率增强装置对入射光束有缩束作用，缩束后的光束发散角变大，角谱分布变宽，成像光斑变大，因此实际的光谱分辨率应该为实际光斑大小半高全宽(FWHM)；反射式光谱分辨率增强装置光束宽度不变，成像光斑不变，角色散放大倍数即为光谱分辨率提高倍率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光谱分辨率增强装置，其特征在于，包括：前级色散单元、双光栅角色散放大单元以及探测单元；
所述前级色散单元用于接收一束准直的入射光，并将所述入射光中不同波长的光以不同的角度出射；
所述双光栅角色散放大单元用于对前级色散单元出射的不同波长分别实现多次衍射，使得各个波长的角色散增强，以使得不同波长的光的出射角偏差增大；
所述探测单元用于探测从所述双光栅角色散放大单元出射的不同波长的光，由于不同波长的光的出射角的偏差增大，则探测单元对不同波长的分辨率增加。
2.根据权利要求1所述的光谱分辨率增强装置，其特征在于，所述前级色散单元包括：入射狭缝、准直透镜以及衍射光栅；
所述入射光经过入射狭缝入射；
所述准直透镜用于对通过入射狭缝的入射光进行准直后平行出射；
所述衍射光栅用于接收经过准直透镜出射的入射光，并对入射光中不同波长的光以不同的角度出射。
3.根据权利要求1所述的光谱分辨率增强装置，其特征在于，所述双光栅角色散放大单元包括：第一闪耀光栅和第二闪耀光栅；
所述第一闪耀光栅接收前级色散单元出射的不同波长的光，并将不同波长的光衍射到第二闪耀光栅；
所述第二闪耀光栅接收从第一闪耀光栅衍射的不同波长的光，并又将不同波长的光衍射到第一闪耀光栅；以此循环往复；
最终，不同波长的衍射光经过第一闪耀光栅或者第二闪耀光栅衍射后出射到所述探测单元。
4.根据权利要求3所述的光谱分辨率增强装置，其特征在于，当不同波长的衍射光经过第一闪耀光栅衍射后出射到所述探测单元时，通过设置第一闪耀光栅和第二闪耀光栅的位置使得光束在第一闪耀光栅和第二闪耀光栅间多次衍射时入射角度由小于利特罗角变成大于利特罗角；
所述探测单元包括：分束器、成像透镜以及探测器；
所述分束器用于将出射的不同波长的衍射光出射到所述成像透镜；
所述成像透镜用于将不同波长的出射光聚焦于探测器；
所述探测器用于探测从所述双光栅角色散放大单元出射的不同波长的光。
5.根据权利要求3所述的光谱分辨率增强装置，其特征在于，当不同波长的衍射光经过第二闪耀光栅衍射后出射到所述探测单元时，通过设置第一闪耀光栅和第二闪耀光栅的位置使得光束在第一闪耀光栅和第二闪耀光栅间多次衍射时入射角度均小于利特罗角；
所述探测单元包括：成像透镜和探测器；
所述成像透镜用于将不同波长的出射光聚焦于探测器；
所述探测器用于探测从所述双光栅角色散放大单元出射的不同波长的光。
6.根据权利要求4所述的光谱分辨率增强装置，其特征在于，通过设置第一闪耀光栅和第二闪耀光栅的位置使得光束在第一闪耀光栅和第二闪耀光栅间多次衍射时入射角度由小于利特罗角变成大于利特罗角的过程中，当经过多次衍射，入射角达到利特罗角时，衍射角和入射角相同，则光束沿原衍射路线逆向多次衍射后出射到所述分束器。
7.根据权利要求1至6任一项所述的光谱分辨率增强装置，其特征在于，第j次经过光栅衍射角色散大小为Dj，则递推关系为：
Figure FDA0002204236820000021
其中，Dj-1为第j-1次经过光栅衍射角色散，ij为第j次衍射的入射角，ij为第j次衍射的衍射角，m为闪耀光栅衍射级次，d为光栅常数。
8.根据权利要求3所述的光谱分辨率增强装置，其特征在于，若不同波长的衍射光经过第一闪耀光栅衍射后出射到所述探测单元，则探测单元接收到的入射光束的宽度不变，成像光斑大小不变，该装置对不同波长光的角色散放大倍数为光谱分辨率增强倍数；
若不同波长的衍射光经过第二闪耀光栅衍射后出射到所述探测单元，则探测单元接收到的入射光束被缩小，缩束后的光束发散角变大，角谱分布变宽，成像光斑变大，该装置的光谱分辨率为所探测的光斑大小的半高全宽。
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