CN114858740A - 一种基于mems振镜的中红外激光外差光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于MEMS振镜的中红外激光外差光谱仪，包括光收集模块，光调制模块、光路模块，光调制模块包括MEMS振镜和用于驱动MEMS振镜进行有限偏转运动的驱动装置，光调制模块还包括离轴抛面镜，其中，第一离轴抛面镜设置在光收集模块的出光光路上，用于聚焦光收集模块收集的光并将其传递至所述振镜本体，第二离轴抛面镜设置在振镜本体的反射光路上，并将接收的反射光准直后传递至光路模块。本发明整体斩波调制部分体积很小，可以适用于多种场合；MEMS振镜通过驱动电路板驱动，大大提高了斩波调制的稳定度，本发明可以作为激光探测技术的配套装置为激光探测系统提供斩波调制模块。
Description
技术领域
本发明属于光谱探测信号优化处理技术领域，尤其涉及一种基于Micro-Electro-Mechanical System(MEMS)振镜的中红外激光外差光谱仪。
背景技术
目前，为应对全球气候变化和提高对气候变化的科学认识，迫切需要对大气柱中的温室气体进行长期连续观测。国际上大多数天文台都使用高分辨率傅里叶变换红外(FT-IR)光谱仪实时获取太阳光谱，进而反演目标温室气体的垂直浓度剖面。激光外差光谱仪通过高速探测器中的窄带本振振荡从宽带光源(如太阳或星际介质)中提取吸收信息，已广泛应用于地球遥感。与 FT-IR测量相比，激光外差光谱仪具有独特的优势，包括高光谱分辨率、快速响应时间、小尺寸和高灵敏度。
在激光外差光谱仪中，待测的光信号可能很微弱，而且受到很多信号的干扰，甚至出现干扰信号强度远远高于待测光信号的情况，需要使用锁相放大器来测量这些淹没在噪声中的微弱信号。中红外激光外差光谱仪中，一般使用光学斩波器通过对光学信号的调制，将光辐射信号调制成交变信号，以便锁相放大器能够识别出有用的微弱信号。但机械斩波器的体积和重量较大，不利于光谱仪整体集成。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种基于 MEMS振镜的中红外激光外差光谱仪，使用MEMS振镜替代机械斩波器，搭建出高集成度中红外激光外差光谱仪。
本发明采用了以下技术方案：
一种基于MEMS振镜的中红外激光外差光谱仪，包括光收集模块，光调制模块、光路模块，所述光调制模块包括MEMS振镜和用于驱动所述 MEMS振镜的振镜本体进行有限偏转运动的驱动装置，所述光调制模块还包括离轴抛面镜，其中，第一离轴抛面镜设置在光收集模块的出光光路上，用于聚焦光收集模块收集的光并将其传递至所述振镜本体，第二离轴抛面镜设置在所述振镜本体的反射光路上，并将接收的反射光准直后传递至光路模块。
优选的，所述驱动装置包括驱动电路板和上位机程序，所述驱动电路板由上位机程序控制，并发出驱动电流控制所述振镜本体进行规律的有限偏转运动。
优选的，以所述振镜本体平行于MEMS振镜表面设置即不发生偏转时为 0°，所述振镜本体的偏转角度为±18°。本发明中，所述MEMS振镜表面为磁铁构成的框架平面。
优选的，所述第一离轴抛面镜和第二离轴抛面镜设置在所述MEMS振镜的同一侧，所述振镜本体的入光光路与所述振镜本体转动角度为0°时的镜面呈45°角。
优选的，所述MEMS振镜和第一离轴抛面镜、第二离轴抛面镜均固定设置在定位板上，所述光收集模块为太阳跟踪仪，所述振镜本体尺寸为2.4mm2，所述第一离轴抛面镜将光收集模块收集的光聚焦至小于所述振镜本体尺寸。
优选的，该中红外激光外差光谱仪还包括本振光源；所述光路模块包括依次设置在反射光光路上的空间光合束器和光调制系统，空间光合束器将所述反射光和本振光源发出的本振光合束为一束空间光，并传递至光调制系统。
优选的，所述光谱仪还包括信号处理模块，所述光调制系统包括沿合束光光路依次设置的第一光阑、滤波器和第二光阑，所述光调制系统调制合束光并传递至信号处理模块。
优选的，所述信号处理模块包括聚焦透镜、高速探测器和锁相放大器，其中，所述聚焦透镜将收集的合束光聚焦至高速探测器，高速探测器将合束光信号转换成电信号输出至锁相放大器，锁相放大器对所述电信号进行解调并输出。
优选的，所述本振光源为反馈分布式带间级联激光器，所述空间光合束器为中红外波段50-50分束器。
优选的，所述滤波器为带通滤波器。
本发明的有益效果在于：
1)本发明的MEMS振镜和空间光聚焦准直系统配合使用，增加了采集空间光的效率；MEMS振镜通过驱动电路板产生较小电流源驱动，大大提高了斩波调制的稳定度；整体斩波调制部分体积很小，可以适用于更多场合。
2)本发明中驱动电路板，可以输出相应波形驱动电流以及为锁相放大器提供参考，进一步提高调制解调信噪比。
3)本发明中利用MEMS振镜斩波解调，稳定性高，斩波频率能够满足光信号探测在大气和天文领域中对空间光收集的要求，因此可以作为激光探测技术的配套装置为激光探测系统提供斩波调制模块。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为MEMS振镜工作原理图；
图3为本发明的斩波效果图；
图4为本发明带有标定模块的示意图；
图5为本发明得到的激光外差吸收光谱示意。
图中标注符号的含义如下：
10-太阳跟踪仪
21-MEMS振镜 11-线圈 12-镜面 13-磁铁
221-第一离轴抛面镜 222-第二离轴抛面镜 23-驱动电路板 24-上位机程序
31-空间光合束器 32-第一光阑 33-滤波器 34-第二光阑
41-聚焦透镜 42-高速探测器 43-锁相放大器
50-本振光源
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案做出更为具体的说明：
如图1所示，一种基于MEMS振镜的中红外激光外差光谱仪，包括光收集模块，光调制模块、光路模块和信号处理模块。
光收集模块为太阳跟踪仪10，可以参考专利CN112212857A的公开，设置为高精度太阳跟踪仪，高精度太阳跟踪仪可以闭环跟踪太阳并通过透镜组收集太阳光。
光调制模块包括MEMS振镜21和用于驱动所述MEMS振镜21的振镜本体进行有限偏转运动的驱动装置。所述光调制模块还包括离轴抛面镜，所述离轴抛面镜具有空间光聚焦准直功能。其中，第一离轴抛面镜221设置在光收集模块的出光光路上，用于聚焦光收集模块收集的光并将其聚焦在所述振镜本体表面，第二离轴抛面镜222设置在所述振镜本体的反射光路上，根据接收的反射光发散角度进行准直后传递至光路模块。
所述驱动装置包括驱动电路板23和上位机程序24，所述驱动电路板23 由上位机程序24通过通信协议控制，驱动电路板23从上位机程序24获取指令输出指定波形电流，控制MEMS振镜本体进行有规律的有限偏转运动。
本实施例中MEMS振镜采用现有的MEMS振镜，工作原理如图2所示。在单晶硅上形成金属线圈11，通过处理在线圈内部形成镜面12即振镜本体，在镜面下设置磁铁13。在由磁铁13产生的磁场中，电流L围绕镜子周围的线圈11中流动产生洛伦兹力F，该力F在一维空间中驱动镜片绕轴偏转。本发明中，以镜面12即振镜本体平行于MEMS振镜表面，即平行于磁铁13构成的框架的表面设置时，为不发生偏转的0°，则最终振镜本体的偏转角度为±18°。
MEMS振镜通过驱动电路板产生较小电流L驱动镜片偏转，从而对接受到的空间光进行斩波，大大提高了斩波调制的稳定度，斩波效果参见图3。
驱动电路板23与MEMS振镜21质检通过信号线连接，驱动电路板23 发出的驱动电流波形还输入至信号处理模块，作为解调高速探测器42输出信号的参考。
进一步的，上述第一离轴抛面镜221和第二离轴抛面镜222设置在所述 MEMS振镜21的同一侧，所述振镜本体的入光光路与所述振镜本体转动角度为0°时的镜面呈45°角。
进一步的，所述MEMS振镜21和第一离轴抛面镜221、第二离轴抛面镜222均固定设置在定位板如面包板上。本实施例中，第一离轴抛面镜221 和第二离轴抛面镜222的镜面直径均为50.8mm，第一离轴抛面镜221焦距为101.6mm，距离MEMS振镜本体距离101.6mm；第二离轴抛面镜222焦距为152.4mm，距离MEMS振镜本体距离152.4mm。所述振镜本体尺寸为2.4mm2，所述第一离轴抛面镜221将光收集模块收集的光聚焦至小于所述振镜本体尺寸。
本发明中，中红外激光外差光谱仪还包括本振光源50，本振光源50为反馈分布式带间级联激光器。
光路模块包括依次设置在反射光光路上的空间光合束器31和光调制系统，空间光合束器31为中红外波段50-50分束器，也可以根据不同光功率选取不同比例的空间光合束器。所述空间光合束器31将反射光和本振光源50 发出的本振光合束为一束空间光，并传递至光调制系统。
上述空间光合束器31可以使用分束器，如图4所示，分束器分出的本振光还可以进入频率标定模块用于标定光路模块中空间光光斑位置，所述频率标定模块由标准池和探测器组成，工作时，本振光穿过标准池通过聚焦透镜打到探测器的光敏面上。
光调制系统包括沿合束光光路前进方向依次设置的第一光阑32、滤波器 33和第二光阑34，其中滤波器33为带通滤波器，包含带宽为100nm的中红外带通滤光片，以去除杂光干扰，去除不必要的系统射频噪声。
信号处理模块包括聚焦透镜41、高速探测器42和锁相放大器43。其中，聚焦透镜41为焦距25mm的氟化钙镜片，设置于距离高速探测器42光敏面 25mm处，并将收集的合束光聚焦至高速探测器42；高速探测器42将合束光信号转换成电流信号，通过信号线将其传输至锁相放大器43，锁相放大器 43接收高速探测器42的信号，并用驱动电路板23的驱动波形作为参考，对信号进行解调。
本发明中，锁相放大器43的输入端还设置射频滤波器和检波器，高速探测器42输出的电流信号先被射频滤波器滤波，再由检波器转换成直流信号输出至锁相放大器43。其中，射频滤波器可由高通滤波器和低通滤波器组成，由不同的射频噪声决定高通滤波器和低通滤波器的型号，检波器是一种平方率检波器，将接受到的电流信号恢复为被调制的信号。
锁相放大器43作为解调制仪器，可选择商业锁相放大器或者数字锁相放大器，利用现有手段，设置相应的积分时间和灵敏度，随着上位机程序24 控制激光器电流的逐点扫描，锁相放大器43输出不同的信号值被光谱仪连接的采集卡所采集，得到相应的激光外差吸收光谱，示例激光外差吸收光谱如图5所示。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于MEMS振镜的中红外激光外差光谱仪，包括光收集模块，光调制模块、光路模块，其特征在于，所述光调制模块包括MEMS振镜(21)和用于驱动所述MEMS振镜(21)的振镜本体进行有限偏转运动的驱动装置，所述光调制模块还包括离轴抛面镜，其中，第一离轴抛面镜(221)设置在光收集模块的出光光路上，用于聚焦光收集模块收集的光并将其传递至所述振镜本体，第二离轴抛面镜(222)设置在所述振镜本体的反射光路上，并将接收的反射光准直后传递至光路模块。
2.如权利要求1所述的一种基于MEMS振镜的中红外激光外差光谱仪，其特征在于，所述驱动装置包括驱动电路板(23)和上位机程序(24)，所述驱动电路板(23)由上位机程序(24)控制，并发出驱动电流控制所述振镜本体进行规律的有限偏转运动。
3.如权利要求2所述的一种基于MEMS振镜的中红外激光外差光谱仪，其特征在于，以所述振镜本体平行于MEMS振镜表面设置时为0°，所述振镜本体偏转角度为±18°。
4.如权利要求1所述的一种基于MEMS振镜的中红外激光外差光谱仪，其特征在于，所述第一离轴抛面镜(221)和第二离轴抛面镜(222)设置在所述MEMS振镜(21)的同一侧，所述振镜本体的入光光路与所述振镜本体转动角度为0°时的镜面呈45°角。
5.如权利要求1所述的一种基于MEMS振镜的中红外激光外差光谱仪，其特征在于，所述MEMS振镜(21)和第一离轴抛面镜(221)、第二离轴抛面镜(222)均固定设置在定位板上，所述光收集模块为太阳跟踪仪(10)，所述振镜本体尺寸为2.4mm2，所述第一离轴抛面镜(221)将光收集模块收集的光聚焦至小于所述振镜本体尺寸。
6.如权利要求1所述的一种基于MEMS振镜的中红外激光外差光谱仪，其特征在于，该中红外激光外差光谱仪还包括本振光源(50)；所述光路模块包括依次设置在反射光光路上的空间光合束器(31)和光调制系统，空间光合束器(31)将所述反射光和本振光源(50)发出的本振光合束为一束空间光，并传递至光调制系统。
7.如权利要求6所述的一种基于MEMS振镜的中红外激光外差光谱仪，其特征在于，所述光谱仪还包括信号处理模块，所述光调制系统包括沿合束光光路前进方向依次设置的第一光阑(32)、滤波器(33)和第二光阑(34)，所述光调制系统调制合束光并传递至信号处理模块。
8.如权利要求7所述的一种基于MEMS振镜的中红外激光外差光谱仪，其特征在于，所述信号处理模块包括聚焦透镜(41)、高速探测器(42)和锁相放大器(43)，其中，聚焦透镜(41)将收集的合束光聚焦至高速探测器(42)，高速探测器(42)将合束光信号转换成电信号输出至锁相放大器(43)，锁相放大器(43)对所述电信号进行解调并输出。
9.如权利要求6所述的一种基于MEMS振镜的中红外激光外差光谱仪，其特征在于，所述本振光源(50)为反馈分布式带间级联激光器，所述空间光合束器(31)为中红外波段50-50分束器。
10.如权利要求7所述的一种基于MEMS振镜的中红外激光外差光谱仪，其特征在于，所述滤波器(33)为带通滤波器。
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| CN117664900A (zh) * | 2023-12-04 | 2024-03-08 | 安庆师范大学 | 一种探测多组分大气气体柱总量测量装置 |
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