CN115165743A - 一种激光2n倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光2N倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置。该装置基于奈奎斯特采样定理、等倾干涉技术和自对准技术，核心干涉模块采用激光干涉仪与目标信号干涉仪共光路设计，通过分束器分孔径设计、激光干涉臂平面反射镜的平行平板设计、分束器与干涉臂的自对准设计，使激光干涉光路中引入2N次折返从而获得2N倍采样光程，从而增加激光器的可选波长范围，2N倍光程采样激光干涉仪提供目标干涉仪的采样脉冲，获得目标的冗余离散强度值，通过傅里叶变化获取目标的光谱信息，从而提高信号反演的信噪比，适用于傅里叶光谱仪领域。
Description
本发明所涉及的傅里叶光谱仪装置，是一种n倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置。该发明基于奈奎斯特采样定理、等倾干涉技术和自对准技术，核心干涉模块采用激光干涉仪与目标信号干涉仪共光路设计，通过分束器分孔径设计、激光干涉臂平面反射镜的平行平板设计、分束器与干涉臂的回路设计，使激光干涉光路中引入2N次折返从而获得2N倍采样光程，从而增加激光器的可选波长范围，2N倍光程采样激光干涉仪提供目标干涉仪的采样脉冲，获得目标的冗余离散强度值，通过傅里叶变化获取目标的光谱信息，从而提高信号反演的信噪比，适用于傅里叶光谱仪领域。
背景技术
傅里叶光谱技术具有多通道、高通量、高分辨率的优点，在材料、生命、药学等领域有广泛的应用。
傅里叶光谱仪中包含两个干涉仪：激光干涉仪和目标信号干涉仪。激光干涉仪的作用是提供等光程差的采样脉冲，这些采样脉冲激发目标干涉仪的采样，获得目标信号一系列的强度信息，通过对强度信息进行傅里叶变换，获取其光谱信息。
傅里叶光谱仪采用激光干涉仪和目标干涉仪同光路的设计，即激光干涉仪和目标干涉仪等光程。激光干涉仪的激光频率选择必须满足奈奎斯特采样定理，即仪器光谱范围为(λ1，λ2)的傅里叶光谱仪，其采样激光的波长必须小于仪器光谱范围最短波长的二分之一，即必须小于或等于
对于工作波长大于1.5μm的红外傅里叶光谱仪，满足奈奎斯特采样定理的激光波长必须小于0.75μm，多采用稳定的氦氖激光(632.8nm)。而随着傅里叶光谱仪工作波段向可见段延伸，采样激光的波长向紫外段延伸，这为激光器的选择带来了困难。
现有解决可见傅里叶光谱仪激光干涉仪采样困难的方案有两种，第一是采用步进电机，通过步进电机的等间隔移动实现奈奎斯特采样，这种方案采用的步进电机核心部件为交叉滚柱轴承，随着运动不断损耗，影响仪器的寿命和测量精度，其次步进电机的步长重复性随机偏差带来非等光程采样，会引起反演干涉图的失真。第二种是对原有激光产生的时钟序列进行n倍频，从而实现奈奎斯特采样，这种方案增加电子学的复杂性，同时会在电路中增加延时，使目标采样滞后，引起反演干涉图的失真。
上述现有技术的缺点主要体现在以下两个方面：一、基于步进电机等间隔移动的奈奎斯特采样，受限于步长的重复性偏差，会引起反演干涉图的失真，同时步进电机的交叉滚柱轴承不可避免的摩擦损耗影响仪器的寿命和测量精度；二、基于激光干涉时钟序列n倍频的奈奎斯特采样，受制于采样自身带来的电路延迟、噪声等，引起反演干涉图的失真。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种n倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置，适用于傅里叶光谱仪研制、光谱分析等领域。
本发明的技术方案如下：
一种激光2N倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置，包括依据光路传输依次排列放置的超稳激光1、超宽谱平行光源2、干涉模块3、样品室4、激光探测器5、探测器模块6，控制采集处理计算机7；所述超宽谱平行光源2由宽谱发光体8、椭球反光碗9、电控可调光阑10、离轴抛物面反射镜11构成且共轴；所述干涉模块3由分束器12、固定反射镜14、直线电机17和固定于直线电机上的反射镜13组成，如说明书附图1所示。
所述宽谱发光体8位于椭球反光碗9的第一个焦点，电控可调光阑10位于椭球反光碗9的第二个焦点，离轴抛物面反射镜11与椭球反光碗9的第二个焦点共焦；电控可调光阑10的开孔大小依据系统的光谱分辨率由控制采集处理计算机7智能调控，电控可调光阑10的开孔直径φ与系统的光谱分辨率ν、工作波段的最大波数σmax，以及离轴抛物面反射镜11的焦距f′之间的约束关系满足(1)式，其中φ为电控可调光阑10的开孔直径，f′为离轴抛物面反射镜11的焦距，ν为系统的光谱分辨率，σmax为工作波段的最大波数。
所述2N倍采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置采用单边采样，其最大光谱分辨率νmax，与直线电机的最大行程Lmax，分束器12与激光1入射光的夹角β之间的关系满足(2)式，其中νmax为2N倍采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置的最大光谱分辨率，Lmax为直线电机最大行程，β为分束器12与激光1入射光的夹角，如说明书附图2所示。
所述反射镜13与固定反射镜14完全相同，且位于零位的反射镜13与固定反射镜14的位置关于分束器12的上表面对称；所述固定反射镜14包含平面反射镜15和小平面反射镜16，小平面反射镜16与平面反射镜15的末端构成平行平板内反射体，如说明书附图2所示；小平面反射镜16的长度l与激光在平行平板间的折反次数N，平行平板的间距d，激光1入射光与平面反射镜15的夹角α之间的约束关系满足(3)式，其中N为激光在平行平板间的折反次数，l为小平面反射镜16的长度，d为平行平板的间距，α为激光1入射光与平面反射镜15的夹角，如说明书附图2所示。
所述探测器模块6根据工作波段的不同可以选用不同的探测器。若仪器的工作波段为2-15μm，则探测器模块6具备短波、中波、长波探测能力，如说明书附图3所示，探测器模块6包含依光路传输依次放置的离轴抛物面反射镜20，短波分色片21，中波分色片22，短波探测器23，中波探测器24，长波探测器25。
所述分束器12包含4个不同的功能表面区域，如说明书附图4所示，半反半透表面26，增透表面27，增透表面28，反射表面29；所述分束器12的直径D与所述反射镜13的初始位置X，直线电机最大行程Lmax，平面反射镜15的长度a，分束器12与激光1入射光的夹角β，激光1入射光与平面反射镜15的夹角α之间的约束关系满足(4)式；半反半透表面26的长度b与反射镜13的初始位置X，分束器12与激光1入射光的夹角β的约束关系满足(5)式，其中D为分束器12的直径，X为反射镜13的初始位置，Lmax为直线电机最大行程，a为平面反射镜15的长度，β为分束器12与激光1入射光的夹角，α为激光1入射光与平面反射镜15的夹角，b为半反半透表面26的长度。
D≥(X+Lmax)sinβ+asinα (4)
b＝X sinβ (5)
所述样品室4包含两种测量结构，透射式测量结构和反射式测量结构，使用时依据测量需要进行选择。透射式测量结构，如说明书附图5所示，样品夹30放置于光路中。反射式测量结构，如说明书附图6所示，反射式测量模块31包含依光路传输依次放置的平面反射镜32、平面反射镜33、样品夹34、平面反射镜35、平面反射镜36。
本发明的作用原理如下：
仪器的工作流程如下所述，如说明书附图7所示，首先根据待测样品的光学特性选择测量模式并放置测试附件：透射式或反射式。第二步，打开仪器的控制采集处理计算机7，使仪器开机。第三步，选择所需的工作波段、分辨率和采样工作模式。第四步，仪器自检，若仪器自检报错，则根据提示进行处理并重启控制采集处理计算机7，若仪器自检通过，则进入下一步操作。第五步，采集背景。第六步，放置待测样品，对于透射式测量将待测样品放置于样品夹30；对于反射式测量，将反射式测量模块31安装于样品室4内，将待测样品放置于样品夹34。第七步，对待测目标进行光谱测量。第八步，测量完成后关机。
仪器对待测目标进行光谱测量的原理如下所述，控制采集处理计算机7开机，选择好工作波段、分辨率和采样工作模式后，电控可调光阑10自动调整为最佳的开孔大小。对于激光干涉模块，激光1发出的光经分束器12的半反半透区域26后被分成两束，其中一束在半反半透区域26的前表面反射进入位于直线电机17上的反射镜13，经平行平板的N次折反射后，垂直入射分束器12，经分束器12的反射表面29反射后原路返回再次入射分束器12，产生反射光束A1和透射光束A2；另一束透过半反半透区域26和增透表面27进入固定反射镜15，经平行平板的N次折反射后，垂直入射分束器12，经分束器12的反射表面29反射后原路返回再次入射分束器12，产生反射光束B1和透射光束B2；透射光束A2和反射光束B1产生激光干涉信号37，如说明书附图8所示，当直线电机17运动距离δ1满足(6)式时，激光干涉相长，当直线电机17运动距离δ1满足(7)式时，激光干涉相消，其中m为整数，λlaser为激光1的工作波长，N为激光1出射光在平行平板中的折反次数，β为分束器12与激光1出射光的夹角β。
透射光束A2和反射光束B1产生的激光干涉信号激光探测器5进行采集，经过控制采集处理计算机7的过零点采样处理，形成一组光程差周期为T的采样脉冲信号38，如说明书附图8所示，其中λlaser为激光1的工作波长，N为激光1出射光在平行平板中的折反次数，β为分束器12与激光1出射光的夹角β；
对于测量干涉模块，位于椭球反光碗9第一个焦点的宽谱发光体8发出的光经过椭球反光碗9的反射会聚于椭球反光碗9的第二个焦点，经电控可调光阑10的空间滤波，被共焦放置的轴抛物面反射镜11准直后，进入分束器12的半反半透区域26被分成两束，其中一束在半反半透区域26的前表面反射进入位于直线电机17上的反射镜13，经反射镜13的反射垂直入射分束器12，经分束器12的反射表面29反射后原路返回再次入射分束器12，产生反射光束C1和透射光束C2；另一束透过半反半透区域26和增透表面27进入固定反射镜14，经固定反射镜14反射，垂直入射分束器12，经分束器12的反射表面29反射后原路返回再次入射分束器12，产生反射光束D1和透射光束D2；透射光束C2和反射光束D1产生干涉信号39，如说明书附图5所示，探测器模块6依据激光干涉模块产生的采样脉冲信号对测量干涉模块产生的干涉信号进行采样40，得到一组满足奈奎斯特采样定理的离散信号41，如说明书附图8所示，经过控制采集处理计算机7的数据处理获得待测目标的光谱信息。
与现有技术相比，一种激光2N倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置具有以下优点：一、与基于步进电机等间隔移动的奈奎斯特采样相比，2N倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置具具有采样间隔等长，光谱反演精度高的优点；二、与基于激光干涉时钟序列n倍频的奈奎斯特采样相比，2N倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置电子学不会引入额外的噪声和时延，光谱反演精度高；三、2N倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置可以选择性的增加测量干涉仪的采样数目，有利于数据处理的方式降低系统的噪声，提高仪器的信噪比；四、2N倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置的核心干涉模块采样折叠式自回路设计，具有结构简单、体积小的优点。
附图说明
图1为一种激光2N倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置示意图；
图2为核心干涉模块置示意图；
图3为探测器模块构成示意图；
图4为核心干涉模块分束器分区示意图；
图5为透射式组件示意图；
图6为反射式组件示意图；
图7为仪器工作流程图示意图；
图8为离散干涉信号采集过程示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图1、2、3、4、5、6、7、8，对本发明进一步说明。
实施例1：一种8倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置
本发明采用采用如下构造：
1.激光器1采用高稳定的固体激光器，工作波长1064nm，发散角1mrad，光斑大小2mm。
2.超宽谱平行光源2由宽谱发光体8、椭球反光碗9、电控可调光阑10、离轴抛物面反射镜11构成且共轴。宽谱发光体8采用碳化硅材料，通电后发热，功率20W，辐射波段1-20μm；椭球反光碗9采用Edmund Optics的货架产品，型号#68-797，第一焦距14mm，第二焦距134mm；电控可调光阑10采用定制化产品，孔径0.5mm-15mm可调；离轴抛物面反射镜11采用Edmund Optics的货架产品，型号#43-336，焦距25.4mm。
3.干涉模块3由上海中科航谱光电技术有限公司集成制造，其中分束器12的口径D为94mm；分束器12与激光1出射光的夹角β为45°；激光1入射光与平面反射镜15的夹角α为67.5°；平行平板的间距d为5mm；小平面反射镜16的长度l为14.5mm；反射镜13的初始位置X为40mm；半反半透表面26的长度b为28.28mm；直线电机最大行程Lmax为40mm；平面反射镜15的长度a为40mm；分束器12的口径D满足(4)式，半反半透表面26的长度b满足(5)式。根据(2)式，仪器的光谱分辨率为0.15cm-1。
4.样品室4由无锡信欧光电科技有限公司制造，包含透射夹具，和反射夹具。
5.激光探测器5为DSi系列硅光电探测器，由先锋科技提供，型号DSi200，有效光敏面100mm2。
6.探测器模块6由上海中科航谱光电技术有限公司集成制造，离轴抛物面反射镜20采用Edmund Optics的货架产品，型号#36-598，焦距177.8mm；短波分色片21采用可见石英分束器，工作波段范围0.35-2.8μm；中波分色片22采用KBr分束器，工作波段2-5μm；短波探测器23采用硅光电探测器，型号SiD510；中波探测器24采用MCT探测器，型号MCT D313；长波探测器25采用异质结探测器，型号SiB D320。
7.控制采集处理计算机15采用惠普(HP)计算机，型号为i5-7300HQ。
本发明的主要工作流程为：
1、根据待测样品的光学特性选择测量模式并放置测试附件：透射式或反射式。
2、打开仪器的控制采集处理计算机7，使仪器开机。
3、选择所需的工作波段、分辨率和采样工作模式。此时控制采集处理计算机7根据所设定的分辨率，发送指令使电控可调光阑10自动调整为最佳的开孔大小。
4、仪器自检，若仪器自检报错，则根据提示进行处理并重启控制采集处理计算机7，若仪器自检通过，则进入下一步操作。
5、采集背景。
6、放置待测样品对于透射式测量将待测样品放置于样品夹30；对于反射式测量，将反射式测量模块31安装于样品室4内，将待测样品放置于样品夹34。
7、对待测目标进行光谱测量。此时，对于激光干涉模块，激光1发出的光经分束器12的半反半透区域26后被分成两束，其中一束在半反半透区域26的前表面反射进入位于直线电机17上的反射镜13，经平行平板的N次(在实施例的设计中N取4)折反射后，垂直入射分束器12，经分束器12的反射表面29反射后原路返回再次入射分束器12，产生反射光束A1和透射光束A2；另一束透过半反半透区域26和增透表面27进入固定反射镜15，经平行平板的N次(在实施例的设计中N取4)折反射后，垂直入射分束器12，经分束器12的反射表面29反射后原路返回再次入射分束器12，产生反射光束B1和透射光束B2；透射光束A2和反射光束B1产生激光干涉信号37，如说明书附图8所示，当直线电机17运动距离δ1满足(6)式时，激光干涉相长，当直线电机17运动距离δ1满足(7)式时，激光干涉相消，其中m为整数，λlaser为激光1的工作波长，N为激光1出射光在平行平板中的折反次数(在实施例的设计中N取4)，β为分束器12与激光1出射光的夹角β。透射光束A2和反射光束B1产生的激光干涉信号激光探测器5进行采集，经过控制采集处理计算机7的过零点采样处理，形成一组光程差周期为T的采样脉冲信号38，如说明书附图8所示。对于测量干涉模块，位于椭球反光碗9第一个焦点的宽谱发光体8发出的光经过椭球反光碗9的反射会聚于椭球反光碗9的第二个焦点，经电控可调光阑10的空间滤波，被共焦放置的轴抛物面反射镜11准直后，进入分束器12的半反半透区域26被分成两束，其中一束在半反半透区域26的前表面反射进入位于直线电机17上的反射镜13，经反射镜13的反射垂直入射分束器12，经分束器12的反射表面29反射后原路返回再次入射分束器12，产生反射光束C1和透射光束C2；另一束透过半反半透区域26和增透表面27进入固定反射镜14，经固定反射镜14反射，垂直入射分束器12，经分束器12的反射表面29反射后原路返回再次入射分束器12，产生反射光束D1和透射光束D2；透射光束C2和反射光束D1产生干涉信号39，如说明书附图5所示，探测器模块6依据激光干涉模块产生的采样脉冲信号对测量干涉模块产生的干涉信号进行采样40，得到一组满足奈奎斯特采样定理的离散信号41，如说明书附图8所示，经过控制采集处理计算机7的数据处理获得待测目标的光谱信息。
8、测量完成后关机。
Claims (5)
1.一种激光2N倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置，其特征在于：所述的被动探测式傅里叶光谱仪装置依据光路传输先后顺序依次排列放置包括超稳激光(1)、超宽谱平行光源(2)、干涉模块(3)、样品室(4)、激光探测器(5)、探测器模块(6)，控制采集处理计算机(7)。
2.根据权利要求1所述的一种激光2N倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置，其特征在于：所述超宽谱平行光源(2)由宽谱发光体(8)、椭球反光碗(9)、电控可调光阑(10)、离轴抛物面反射镜(11)构成且共轴；宽谱发光体(8)位于椭球反光碗(9)的第一个焦点，电控可调光阑(10)位于椭球反光碗(9)的第二个焦点，轴抛物面反射镜(11)与椭球反光碗(9)的第二个焦点共焦；电控可调光阑(10)的开孔大小依据系统的光谱分辨率由控制采集处理计算机(7)智能调控，电控可调光阑(10)的开孔直径φ与系统的光谱分辨率ν、工作波段的最大波数σmax，以及离轴抛物面反射镜(11)的焦距f′之间的约束关系满足：
3.根据权利要求1所述的一种激光2N倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置，其特征在于：所述傅里叶光谱仪装置的最大光谱分辨率νmax，与直线电机最大行程Lmax，分束器(12)与激光(1)入射光的夹角β，之间的关系满足：
4.根据权利要求3所述的一种激光2N倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置，其特征在于：所述分束器(12)包含4个不同的功能表面区域，半反半透表面(26)，增透表面(27)，增透表面(28)，反射表面(29)；分束器(12)的半径R与反射镜(13)的初始位置L1，直线电机最大行程Lmax，平面反射镜(15)的长度l1，分束器(12)与激光(1)入射光的夹角β，激光(1)入射光与平面反射镜(15)的夹角α之间的约束关系满足：
R≥(L1+Lmax)sinβ+l1sinα
半反半透表面(26)的长度l2与反射镜(13)的初始位置L1，分束器(12)与激光(1)入射光的夹角β的约束关系满足：
l2＝L1sinβ。
5.根据权利要求1所述的一种激光2N倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置，其特征在于：
所述干涉模块(3)由分束器(12)、固定反射镜(14)、直线电机(17)和固定于直线电机上的反射镜(13)组成；反射镜(13)与固定反射镜(14)完全相同，且位于零位的反射镜(13)与固定反射镜(14)的位置关于分束器(12)的半反半透面(26)对称；所述固定反射镜14包含平面反射镜(15)和小平面反射镜(16)，小平面反射镜(16)与平面反射镜(15)的末端构成平行平板内反射体；小平面反射镜(16)的长度l与采样光程差的倍数n，平行平板的间距d，激光(1)入射光与平面反射镜(15)的夹角α之间的约束关系满足：
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202210811553.XA CN115165743A (zh) | 2022-07-11 | 2022-07-11 | 一种激光2n倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202210811553.XA CN115165743A (zh) | 2022-07-11 | 2022-07-11 | 一种激光2n倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置 |
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| CN115165743A true CN115165743A (zh) | 2022-10-11 |
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Family Applications (1)
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| CN202210811553.XA Pending CN115165743A (zh) | 2022-07-11 | 2022-07-11 | 一种激光2n倍光程采样的被动探测式傅里叶光谱仪装置 |
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2022
- 2022-07-11 CN CN202210811553.XA patent/CN115165743A/zh active Pending
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