CN114428057A - 材料宽谱吸收特性测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种材料宽谱吸收特性测量装置和测量方法，该装置包括宽谱泵浦光路和探测光路。本发明采用常用的高功率宽谱照明光源实现材料在宽波段范围内的吸收光谱直接测量，显著降低成本。解决了泵浦光束聚焦后光斑中心空洞的问题。基于声光调制，并通过光束调控获得强单色泵浦光，提高了光源使用效率，增强了探测信号强度，提升了系统的吸收测量灵敏度和信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及材料光学特性检测，特别是一种材料宽谱吸收特性的测量装置和测量方法。
背景技术
吸收光谱为材料的成分分析和结构分析提供重要手段，在物理、化学、生物、医学和食品安全等领域有重要的应用。目前科研和工业上主要使用分光光度计等商用设备测量吸收光谱。测试员依次测量材料的透过光谱和反射光谱，然后通过计算获得吸收光谱，即：吸收光谱＝1-透射光谱-反射光谱。由于是间接测量，测量结果的准确性受到诸多因素影响。如：透射光谱和反射光谱测量误差的叠加累积传递；样品散射损耗引起的误差；样品透明度的影响等。上述因素导致吸收光谱的测量准确性和灵敏度低，约为千分之一。另外通过材料的光热效应也可以测量其吸收率。一束功率较大的激光辐照样品引起热形变，另一束弱激光束探测样品表面的形变，从反射光强的变化获得样品的吸收率。该方法为直接测量，影响因素少，灵敏度高，可达到10-6，但使用的激光为单一波长光源，无法获得样品在一定波长范围内的吸收光谱。而且激光光源的价格昂贵。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种材料宽谱吸收特性测量装置和测量方法。该测量装置采用常用的高功率宽谱光源，配合高效的泵浦光使用效率，直接测量材料的吸收光谱，相比分光光度计，探测灵敏度高，受样品状态影响小。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种材料宽谱吸收特性测量装置，其特点在于，包括宽谱泵浦光路和探测光路；
所述的宽谱泵浦光路包括高功率宽谱光源、第一离轴抛物面镜、导光器、第二离轴抛物面镜、缩束器、第一偏振分束器、第一全反射镜、第一消色差半波片、第一声光可调谐滤波器、第二消色差半波片、第二全反射镜、第二声光可调谐滤波器、第二偏振分束器、取样反射镜、第一光电探测器、第三全反射镜、斩波器、消色差透镜和样品；
所述的探测光路包括探测光源、会聚透镜、取样分束器、第二光电探测器、光阑、带通滤光片、第三光电探测器、锁相放大器和计算机；
所述的高功率宽谱光源发出的光束被所述的第一离轴抛物面镜聚焦到所述的导光器的输入端面，在所述的导光器内部全反射长程传输；出射光束经所述的第二离轴抛物面镜准直后，被所述的缩束器缩束，使光束的光斑尺寸与所述的两个声光可调谐滤波器的输入端匹配；缩束后的光束被所述的第一偏振分束器分成偏振态相互垂直的反射线偏振光和透射线偏振光；所述的反射线偏振光依次经过所述的第一全反射镜和第一消色差半波片，偏振态旋转90°后与透射线偏振光的偏振态相同；该反射线偏振光通过所述的第一声光可调谐滤波器获得反射单色光，该反射单色光经所述的第二消色差半波片，偏振态旋转90°后经所述的第二全反射镜反射后进入所述的第二偏振分束器；所述的透射线偏振光通过所述的第二声光可调谐滤波器获得与反射单色光相同波段的透射单色光；反射单色光经所述的第二全反射镜反射后与透射单色光同步进入所述的第二偏振分束器耦合为一束泵浦光；该泵浦光经所述的取样反射镜分为强反射光和弱透射光，所述的弱透射光由所述的第一光电探测器探测，所述的强反射光依次通过所述的第三全反射镜、斩波器和消色差透镜，聚焦到样品表面；
所述的探测光源发出的光束经所述的会聚透镜聚焦后照射到所述样品的表面；在样品表面泵浦光斑和探测光斑中心重合，且探测光斑的直径大于泵浦光斑的直径；从样品表面反射的探测光被所述的取样分束器分成反射光束和透射光束，所述的反射光束进入所述的第二光电探测器，所述的透射光束的中心区域依次通过所述的光阑、带通滤光片进入所述的第三光电探测器；所述的带通滤光片只允许探测光束通过；
所述的锁相放大器的输入端分别与所述斩波器、第三光电探测器的信号输出端连接；
所述的计算机的输入端分别与所述的第一声光可调谐滤波器的控制端、第二声光可调谐滤波器的控制端、锁相放大器的输出端、第一光电探测器的输出端、第二光电探测器的输出端连接；
所述的导光器为长柱状玻璃棒或光纤束，对所述的高功率宽谱光源发出的光几乎不吸收；
所述的第一离轴抛物面镜将所述的高功率宽谱光源聚焦后的锥形光束的半锥角不超过
其中n为所述的导光器对所述的高功率宽谱光源的最小折射率；
所述的取样反射镜对所述的高功率宽谱光源发出的光的反射率≥95％，透过率≥1％。
利用上述材料宽谱吸收特性测量装置对材料宽谱吸收特性的测量方法，其特点在于该方法包括下列步骤：
1)设置所述的斩波器的斩波频率为fc；
2)将样品设置为在波长λ1～λN范围内已知吸收率的标准样品；
3)所述的计算机发出改变所述的第一声光可调谐滤波器和第二声光可调谐滤波器的射频信号频率的命令，使两个声光可调谐滤波器同时输出相同的起始泵浦波长λ1；
4)所述的第一光电探测器和第二光电探测器分别记录此时的泵浦功率和探测功率的强度为ER(λ1)和PR(λ1)；所述的第三光电探测器采集被调制的探测光的中心光强，光强信号输入所述的锁相放大器；所述的斩波器输出信号作为参考信号输入到所述的锁相放大器；所述的锁相放大器解调输出频率为fc的探测信号电压SR(λ1)；
5)依次同步改变所述的第一声光可调谐滤波器和第二声光可调谐滤波器的射频信号频率，使其依次同步输出泵浦波长λ2、λ3……λN；在输出每一个波长后，返回步骤4)，依次记录对应的第一光电探测器、第二光电探测器和锁相放大器输出的信号值ER(λi)、PR(λi)、SR(λi)，i＝2～N；完成波长λ1～λN范围内的数据采集，并保存在所述的计算机；
6)将样品更换为待测样品，系统条件不变，返回步骤3)，记录第一光电探测器、第二光电探测器和锁相放大器输出的信号值为ES(λi)、PS(λi)、SS(λi)，并保存在所述的计算机；
7)所述的计算机根据采集的数据按下式计算待测样品的吸收谱AS(λi)：
其中，AR(λi)为标准样品的吸收率。
本发明的优点如下：
本发明材料宽谱吸收特性测量装置采用常用的高功率宽谱照明光源实现材料在一定波段范围内的吸收光谱直接测量，显著降低成本。通过高效全内反射长程传输消除泵浦光束聚焦后光斑中心空洞的问题。采用声光调制的方式获得整个波段范围内高衍射效率的单色泵浦光，并通过光束调控使选色后的泵浦光功率显著提升，探测信号强度提升近1倍，提升了吸收测量灵敏度和信噪比。另外，本系统也避免了传统的机械选色和色散引起的泵浦聚焦光斑横向位置偏移问题。
附图说明
图1是本发明材料宽谱吸收特性谱测量装置的示意图
图中：1-高功率宽谱光源；2-第一离轴抛物面镜；3-导光器；4-第二离轴抛物面镜；5-缩束器；6-第一偏振分束器；7-第一全反射镜；8-第一消色差半波片；9-第一声光可调谐滤波器；10-第二消色差半波片；11-第二全反射镜；12-第二声光可调谐滤波器；13-第二偏振分束器；14-取样反射镜；15-第一光电探测器；16-第三全反射镜；17-斩波器；18-消色差透镜；19-样品；20-探测光源；21-会聚透镜；22-取样分束器 23-第二光电探测器；24-光阑；25-带通滤光片；26-第三光电探测器；27-锁相放大器；28-计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
图1为本发明材料宽谱吸收特性谱测量装置示意图，由图可见，本发明材料宽谱吸收特性谱测量装置包括宽谱泵浦光路和探测光路。所述的宽谱泵浦光路包括高功率宽谱光源1、第一离轴抛物面镜2、导光器3、第二离轴抛物面镜4、缩束器5、第一偏振分束器6、第一全反射镜7、第一消色差半波片8、第一声光可调谐滤波器9、第二消色差半波片10、第二全反射镜11、第二声光可调谐滤波器12、第二偏振分束器13、取样反射镜14、第一光电探测器15、第三全反射镜16、斩波器17、消色差透镜18和样品19。所述的探测光路包括探测光源20、会聚透镜21、取样分束器22、第二光电探测器23、光阑24、带通滤光片25、第三光电探测器26、锁相放大器27和计算机28。
实施例，所述的高功率宽谱光源1选择氙灯，所述的探测光源20选择低功率He-Ne激光器。
所述的高功率宽谱光源1发出的光束被所述的第一离轴抛物面镜2聚焦到所述的导光器3的输入端面，在所述的导光器3内部全反射长程传输；出射光束经所述的第二离轴抛物面镜4准直后，被所述的缩束器5缩束，使光束的光斑尺寸与所述的两个声光可调谐滤波器的输入端匹配；缩束后的光束被所述的第一偏振分束器6分成偏振态相互垂直的反射线偏振光和透射线偏振光；其中反射线偏振光依次经过所述的第一全反射镜7和第一消色差半波片8，偏振态旋转90°后与透射线偏振光的偏振态相同；反射线偏振光通过所述的第一声光可调谐滤波器9获得反射单色光，反射单色光经所述的第二消色差半波片10，偏振态旋转90°；透射线偏振光通过所述的第二声光可调谐滤波器12获得与反射单色光相同波段的透射单色光；反射单色光经所述的第二全反射镜11反射后与透射单色光同步进入所述的第二偏振分束器13，耦合为一束泵浦光；该泵浦光经所述的取样反射镜14分为强反射光和弱透射光，弱透射光进入所述的第一光电探测器15，强反射光依次通过所述的第三全反射镜16、斩波器17和消色差透镜18，聚焦到样品19表面；
所述的探测光源20发出的光束经所述的会聚透镜21聚焦后照射到样品19的表面；在样品表面泵浦光斑和探测光斑中心重合，且探测光斑的直径大于泵浦光斑的直径；从样品表面反射的探测光被所述的取样分束器22分成反射光束和透射光束，反射光束进入所述的第二光电探测器23，透射光束的中心区域依次通过所述的光阑24、带通滤光片25，进入所述的第三光电探测器26；所述的带通滤光片25只允许探测光束通过；
所述的锁相放大器27的输入端分别与所述斩波器17、第三光电探测器26的信号输出端连接；
所述的计算机28的输入端分别与所述的第一声光可调谐滤波器9的控制端、第二声光可调谐滤波器12的控制端、锁相放大器27的输出端、第一光电探测器15的输出端、第二光电探测器23的输出端连接；
所述的导光器3为长柱状玻璃棒或光纤束，材质可选择熔石英玻璃，对所述的高功率宽谱光源1发出的光几乎不吸收；
所述的第一离轴抛物面镜2将所述的高功率宽谱光源1聚焦后的锥形光束的半锥角不超过
其中n为所述的导光器3对所述的高功率宽谱光源1的最小折射率；
所述的取样反射镜14对所述的高功率宽谱光源1发出的光的反射率≥95％，透过率≥1％。
利用上述材料宽谱吸收特性测量装置对材料宽谱吸收特性的测量方法，该方法包括下列步骤：
1)设置所述的斩波器17的斩波频率为fc；
2)将样品19设置为在波长λ1～λN范围内已知吸收率的标准样品；
3)所述的计算机28发出改变所述的第一声光可调谐滤波器9和第二声光可调谐滤波器12的射频信号频率的命令，使两个声光可调谐滤波器同时输出相同的起始泵浦波长λ1；
4)所述的第一光电探测器15和第二光电探测器23分别记录此时的泵浦功率和探测功率的强度为ER(λ1)和PR(λ1)；所述的第三光电探测器26采集被调制的探测光的中心光强，光强信号输入所述的锁相放大器27；所述的斩波器17输出信号作为参考信号输入到所述的锁相放大器27；所述的锁相放大器27解调输出频率为fc的探测信号电压SR(λ1)；
5)依次同步改变所述的第一声光可调谐滤波器9和第二声光可调谐滤波器12的射频信号频率，使其依次同步输出泵浦波长λ2、λ3……λN；在输出每一个波长后，返回步骤4)，依次记录对应的第一光电探测器15、第二光电探测器23和锁相放大器27输出的信号值ER(λi)、PR(λi)、SR(λi)，i＝2～N；完成波长λ1～λN范围内的数据采集，并保存在所述的计算机28；
6)将样品19更换为待测样品，系统条件不变，返回步骤3)，记录第一光电探测器15、第二光电探测器23和锁相放大器27输出的信号值为ES(λi)、PS(λi)、SS(λi)，并保存在所述的计算机28；
7)所述的计算机28根据采集的数据按下式计算待测样品19的吸收谱AS(λi)：
其中，AR(λi)为标准样品的吸收率。
实验表明，本发明材料宽谱吸收特性测量装置能够采用常用的高功率宽谱照明光源实现材料在宽谱范围内的吸收光谱直接测量，解决了泵浦光束聚焦后光斑中心空洞的问题，提高了单色泵浦光的功率和探测信号强度，系统的吸收测量灵敏度和信噪比得到显著提升。
Claims (5)
1.一种材料宽谱吸收特性测量装置，其特征在于，包括宽谱泵浦光路和探测光路；
所述的宽谱泵浦光路包括高功率宽谱光源(1)、第一离轴抛物面镜(2)、导光器(3)、第二离轴抛物面镜(4)、缩束器(5)、第一偏振分束器(6)、第一全反射镜(7)、第一消色差半波片(8)、第一声光可调谐滤波器(9)、第二消色差半波片(10)、第二全反射镜(11)、第二声光可调谐滤波器(12)、第二偏振分束器(13)、取样反射镜(14)、第一光电探测器(15)、第三全反射镜(16)、斩波器(17)、消色差透镜(18)和样品(19)；
所述的探测光路包括探测光源(20)、会聚透镜(21)、取样分束器(22)、第二光电探测器(23)、光阑(24)、带通滤光片(25)、第三光电探测器(26)、锁相放大器(27)和计算机(28)；
所述的高功率宽谱光源(1)发出的光束被所述的第一离轴抛物面镜(2)聚焦到所述的导光器(3)的输入端面，在所述的导光器(3)内部全反射长程传输；出射光束经所述的第二离轴抛物面镜(4)准直后，被所述的缩束器(5)缩束，使光束的光斑尺寸与所述的两个声光可调谐滤波器的输入端匹配；缩束后的光束被所述的第一偏振分束器(6)分成偏振态相互垂直的反射线偏振光和透射线偏振光；所述的反射线偏振光依次经过所述的第一全反射镜(7)和第一消色差半波片(8)，偏振态旋转90°后与透射线偏振光的偏振态相同；该反射线偏振光通过所述的第一声光可调谐滤波器(9)获得反射单色光，该反射单色光经所述的第二消色差半波片(10)，偏振态旋转90°后经所述的第二全反射镜(11)反射后进入所述的第二偏振分束器(13)；所述的透射线偏振光通过所述的第二声光可调谐滤波器(12)获得与反射单色光相同波段的透射单色光；反射单色光经所述的第二全反射镜(11)反射后与透射单色光同步进入所述的第二偏振分束器(13)耦合为一束泵浦光；该泵浦光经所述的取样反射镜(14)分为强反射光和弱透射光，所述的弱透射光由所述的第一光电探测器(15)探测，所述的强反射光依次通过所述的第三全反射镜(16)、斩波器(17)和消色差透镜(18)，聚焦到样品(19)表面；
所述的探测光源(20)发出的光束经所述的会聚透镜(21)聚焦后照射到所述样品(19)的表面；在样品表面泵浦光斑和探测光斑中心重合，且探测光斑的直径大于泵浦光斑的直径；从样品(19)表面反射的探测光被所述的取样分束器(22)分成反射光束和透射光束，所述的反射光束进入所述的第二光电探测器(23)，所述的透射光束的中心区域依次通过所述的光阑(24)、带通滤光片(25)后，进入所述的第三光电探测器(26)；所述的带通滤光片(25)只允许探测光束通过；
所述的锁相放大器(27)的输入端分别与所述斩波器(17)、第三光电探测器(26)的信号输出端连接；
所述的计算机(28)的输入端分别与所述的第一声光可调谐滤波器(9)的控制端、第二声光可调谐滤波器(12)的控制端、锁相放大器(27)的输出端、第一光电探测器(15)的输出端、第二光电探测器(23)的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的材料宽谱吸收特性测量装置，其特征在于，所述的导光器(3)为长柱状玻璃棒或光纤束，对所述的高功率宽谱光源(1)发出的光几乎不吸收。
3.根据权利要求1所述的材料宽谱吸收特性测量装置，其特征在于，所述的第一离轴抛物面镜(2)将所述的高功率宽谱光源(1)聚焦后的锥形光束的半锥角不超过
其中n为所述的导光器(3)对所述的高功率宽谱光源(1)的最小折射率。
4.根据权利要求1所述的材料宽谱吸收特性测量装置，其特征在于，所述的取样反射镜(14)对所述的高功率宽谱光源(1)发出的光的反射率≥95％，透过率≥1％。
5.利用权利要求1所述的材料宽谱吸收特性测量装置对材料宽谱吸收特性的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
1)设置所述的斩波器(17)的斩波频率为fc；
2)将样品(19)设置为在波长λ1～λN范围内已知吸收率的标准样品；
3)所述的计算机(28)发出改变所述的第一声光可调谐滤波器(9)和第二声光可调谐滤波器(12)的射频信号频率的命令，使两个声光可调谐滤波器同时输出相同的起始泵浦波长λ1；
4)所述的第一光电探测器(15)和第二光电探测器(23)分别记录此时的泵浦功率和探测功率的强度为ER(λ1)和PR(λ1)；所述的第三光电探测器(26)采集被调制的探测光的中心光强，光强信号输入所述的锁相放大器(27)；所述的斩波器(17)输出信号作为参考信号输入到所述的锁相放大器(27)；所述的锁相放大器(27)解调输出频率为fc的探测信号电压SR(λ1)；
5)依次同步改变所述的第一声光可调谐滤波器(9)和第二声光可调谐滤波器(12)的射频信号频率，使其依次同步输出泵浦波长λ2、λ3……λN；在输出每一个波长后，返回步骤4)，依次记录对应的第一光电探测器(15)、第二光电探测器(23)和锁相放大器(27)输出的信号值ER(λi)、PR(λi)、SR(λi)，i＝2～N；完成波长λ1～λN范围内的数据采集，并保存在所述的计算机(28)；
6)将样品(19)更换为待测样品，系统条件不变，返回步骤3)，记录第一光电探测器(15)、第二光电探测器(23)和锁相放大器(27)输出的信号值为ES(λi)、PS(λi)、SS(λi)，并保存在所述的计算机(28)；
7)所述的计算机(28)根据采集的数据按下式计算待测样品(19)的吸收谱AS(λi)：
其中，AR(λi)为标准样品的吸收率。
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