CN203100898U

CN203100898U - 一种高速大光程差的单弹光调制型干涉仪

Info

Publication number: CN203100898U
Application number: CN 201320126884
Authority: CN
Inventors: 张瑞; 王志斌; 赵冬娥; 李晓; 陈友华; 魏海潮; 王立福; 黄艳飞
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2023-03-08

Abstract

本实用新型涉及一种光谱仪，提供一种光谱分辨率很高、调制速度高、无机械运动，同时又能保证足够光通量的新型单弹光调制型干涉仪结构，用来代替传统的迈克尔逊干涉仪，采用的技术方案是：按被测光的入射方向依次由起偏器、静态双折射晶体、第一透镜、弹光调制器、检偏器、第二透镜和探测器构成。所述的静态双折射晶体，通光方向应为晶体的光轴方向。所述的弹光调制器包括压电驱动器和弹光晶体，弹光晶体外形为八角形，前后通光面为球面，并镀制相互交错的高反射率膜。

Description

一种高速大光程差的单弹光调制型干涉仪

技术领域

本实用新型涉及一种光谱仪，是一种能够实现高速、高光谱分辨率、高稳定度和高通量的多反射单弹光调制型干涉仪。

技术背景

高速、高分辨率、宽光谱范围的光谱测量技术及仪器在科学研究、宇宙探索、环境监测、航天、军事、安全生产和化学分析等方面有广泛的应用和迫切的需求。在众多的光谱仪中，傅里叶变换光谱仪在灵敏度、光谱范围、分辨率等方面较其它如光栅、棱镜等类型光谱仪有着显著优势，因而被广泛应用于光谱测量领域。随着科学研究的深入、军事、航空航天等高科技领域的飞速发展，对光谱测量的速度、光谱范围及分辨率方面的要求也越来越苛刻。现有傅里叶变换光谱仪已无法完全满足要求，因此研究高性能傅里叶变换光谱仪具有重要意义。

扫描型傅里叶变换光谱仪采用动镜扫描的迈克尔逊干涉具的结构，可以获得很高的光谱分辨率，但速度慢、对扫描机构的抗震动和镜面的要求高。为了克服扫描型FTS的缺点，研究者一直对其进行不懈的探索，在驱动方式和动镜扫描方法上加以改进。据报道[Inducingand Correction of Photometric Error Introduced to FTIR Spectra by a Non-Linear.Proc.11th Int.Conf.on Fourier Transform，Spectroscopy，AIP Conf.Proceedings，1998，43084.]，音圈驱动的迈克尔逊干涉仪最大扫描速度达几米/秒，在1cm^-1的分辨率下，其扫描速度可达几百次/秒，但对扫描结构的要求非常苛刻。Winthrop Wadsworth研究成功的旋转扫描镜式光谱仪[Rugged High Speed Rotary Imaging Fouri er Transform Spectrometer forIndustrial Use[C].Vibrational Spectroscopy-b ased Sensor Systems.Proc.ofSPIE，2002，4577：83-88.]，其旋转速度为360次/s，光谱分辨率可达1cm^-1，选用合适的光学器件和探测器，其光谱范围可达1～25μm[4]；OPTRA公司开发的高速谐振镜傅里叶变换光谱仪[High-Speed Resonant FTIR Spectrometer.Next-Generation Spectroscopic Technologies III.Proc.of SPIE，2010，7680，76800S-76800S-12]在分辨率为8cm-1时，其速度可达10kHz，光谱范围为7～14μm。虽然上述改进使扫描型傅里叶变换光谱仪的速度已有显著提高，但始终无法完全克服因机械结构带来的低速、抗震性能差的缺点，限制了其在高速、瞬态光谱测量领域的应用。

弹光调制器的通光角孔径大(可用的锥角达±50°)、受光面积大(通光孔径一般为20mm，最大为45mm)、调制频率范围宽(10～200kHz)、光谱范围宽(从紫外到近红外)等优点。这些优点使得弹光调制在大视场、高速度、宽光谱测量中具有不可比拟的优势。但商业上可获得的弹光调制器采用单驱动器，仅能产生5～10μm的光程差，即最大光谱分辨率为1000cm^-1。理论上，为提高光谱分辨率，可增加弹光调制器驱动电压或将多个弹光调制器串联使用。前者受材料的热、力学性能限制，增加光程差的效果不显著，因为增加驱动电压不仅受双折射光学材料断裂极限的约束，而且高压驱动的弹光调制器产生的热，会导致其温度上升、引起其固有频率变化，因此，需要研制具有温度控制和频率跟踪功能的高压驱动器；采用多个弹光调制器串联方式，由于弹光调制器之间的差异及高机械品质因数特点，将他们调谐到同一个频率很困难；另外，多个弹光调制器界面的多次反射将导致光能的大量损失，这些问题限制了串联方式的应用。文献[High Retardation-Amplitude Photoelastic Modulator：US7,764,415B2.2010-7-27]提出将一长棒等效为多个独立单元的思想，以增大光程差，这些方案理论上尚不成熟，并且对控制要求很高。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提供一种光谱分辨率很高、调制速度高、无机械运动，同时又能保证足够光通量的新型单弹光调制型干涉仪结构，用来代替传统的迈克尔逊干涉仪。

本实用新型的技术解决方案是：一种高速大光程差的单弹光调制型干涉仪，按被测光的入射方向依次由起偏器、静态双折射晶体、第一透镜、弹光调制器、检偏器、第二透镜和探测器构成。

所述的静态双折射晶体，通光方向应为晶体的光轴方向。

所述的弹光调制器包括压电驱动器和弹光晶体，弹光晶体外形为八角形，前后通光面为球面，并镀制相互交错的高反射率膜。

弹光晶体的前后通光面的曲率半径相同，且曲率半径优选400～600mm，弹光晶体厚度优选20～40mm，弹光晶体内反射次数优选15～30次。

所述的探测器放置于第二透镜的焦点处。

探测器与数据处理显示器连通。

压电驱动器的驱动电压频率优选30～60kHz。

第二透镜焦点在弹光晶体的中心。

高反射率膜的厚度小于10μm。

起偏器起偏方向与检偏器检偏方向平行放置，并分别与弹光调制器成±45°夹角。

本实用新型的优点在于：

1、利用弹光调制器调制速度快，干涉调制时间为数10μs，使得光谱测量速度比传统迈克尔逊提高了3～4个数量级；

2、弹光调制器的曲面多次反射结构兼顾了系统的光谱分辨率和光通量，对入射光斑大小要求小；

3、本实用新型无需分光，减少了整个光学系统像差；

4、本实用新型无机械运动部件，抗振动能力强；

5、本实用新型只利用弹光调制器调节，易于控制；

6、本实用新型原理和结构简单，便于加工，易于装调。

附图说明

图1是本实用新型结构原理示意图；

图2是本实用新型弹光调制器的结构示意图；

图3是本实用新型弹光晶体内多次反射结构示意图；

图4是本实用新型弹光晶体的通光面与高反射率膜位置示意图。

图中：1为起偏器、2为静态双折射晶体、3为第一透镜、4为弹光调制器、5为检偏器、6为第二透镜、7为探测器、8为数据处理显示器、9为压电驱动器、10为弹光晶体、11为高反射率膜。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进行详细阐述。

如图1-4所示，一种高速大光程差的单弹光调制型干涉仪，按被测光的入射方向依次由起偏器1、静态双折射晶体2、第一透镜3、弹光调制器4、检偏器5、第二透镜6和探测器7构成，所述的静态双折射晶体2，通光方向应为晶体的光轴方向，其产生与弹光调制器4最大光程差相同的静态光程差。所述的弹光调制器4包括压电驱动器9和弹光晶体10，弹光晶体10外形为八角形，前后通光面为球面，并镀制相互交错的高反射率膜11。弹光晶体10的前后通光面的曲率半径相同，且曲率半径优选400～600mm，弹光晶体10厚度优选20～40mm，弹光晶体10内反射次数优选15～30次。第一透镜3焦点在弹光晶体10的中心，第三透镜3保证了被测光入射与出射弹光晶体10的光斑大小相同，其中起偏器1起偏方向与检偏器5检偏方向平行放置，并分别与弹光调制器4成±45°夹角，对被测入射光进行起偏，以满足弹光调制的干涉要求；静态双折射晶体2产生一定的静态光程差，起到增大调制光程差的目的；高反射率膜11的厚度小于10μm，高反射率膜11对被测光进行多次反射，以增大调制光程差；弹光调制器4对入射的偏振光进行人工双折射干涉调制，以满足弹光调制干涉要求；第二透镜6将调制后的干涉光聚焦至探测器7的光敏面处；探测器7采集干涉数据，探测器为点探测器，放置于第二透镜6的焦点处。探测器7与数据处理显示器8连通，数据处理显示器8通过压电驱动器9提供参考信号，对探测器采集的干涉信号傅里叶变换得到被测目标光谱并显示。压电驱动器9的驱动电压频率优选30～60kHz。

优选的，静态双折射晶体2的通光方向应为晶体的光轴方向，其产生与弹光调制器最大光程差相同的静态光程差；

优选的，弹光晶体10两曲面采用曲率半径为400mm-600mm的球面，既保证多的反射次数，又不影响弹光晶体的振动；

优选的，弹光晶体10前后同光表面镀制交错对称的高反射率膜，减小入射光在弹光晶体内实现多次反射后光能量的损耗；

优选的，弹光晶体10前后同光表面镀制交错对称的高反射率膜11，厚度小于10μm，减小反射膜对振动的影响，减小振动对反射的影响；

优选的，弹光调制器4调制频率优选30～60KHz，弹光晶体10厚度优选20～40mm，晶体内反射次数优选15～30次；

压电石英驱动器9外形为长方体，压电石英切割方向优选xyt(-18.5°)，该切割方向很好的保证了振动频率的单一性，保证工作的长时间稳定。

参见图3，由于单弹光调制产生光程差有限，为了提高光程差，采用多次反射的方法。由于单弹光晶体形成是二维驻波，所以调制光程差幅值中心最大，随着偏离中心距离的增大，调制的光程差幅值也减小，并且反射次数多光能损耗就多。为兼顾大光程差、高光能利用率和高稳定性，本实用新型弹光晶体10外形采用八角形，通光面为球面，并镀制相互交错的高反射率膜11。从图中3可以看出在弹光晶体10调制光程差大的位置反射次数多。由于该反射结构进入弹光晶体10的光入射角比较大，所以就降低入射光斑大小的要求。整个单弹光调制干涉仪由于谐振工作特性，对外界振动不敏感，从而保证了整个系统的抗振动能力很高。

Claims

1.一种高速大光程差的单弹光调制型干涉仪，其特征在于：按被测光的入射方向依次由起偏器(1)、静态双折射晶体(2)、第一透镜(3)、弹光调制器(4)、检偏器(5)、第二透镜(6)和探测器(7)构成。

2.根据权利要求1所述的一种高速大光程差的单弹光调制型干涉仪，其特征在于：所述的静态双折射晶体(2)，通光方向应为晶体的光轴方向。

3.根据权利要求1所述的一种高速大光程差的单弹光调制型干涉仪，其特征在于：所述的弹光调制器(4)包括压电驱动器(9)和弹光晶体(10)，弹光晶体(10)外形为八角形，前后通光面为球面，并镀制相互交错的高反射率膜(11)。

4.根据权利要求3所述的一种高速大光程差的单弹光调制型干涉仪，其特征在于：弹光晶体(10)的前后通光面的曲率半径相同，且曲率半径优选400～600mm，弹光晶体(10)厚度优选20～40mm，弹光晶体(10)内反射次数优选15～30次。

5.根据权利要求1所述的一种高速大光程差的单弹光调制型干涉仪，其特征在于：所述的探测器(7)放置于第二透镜(6)的焦点处。

6.根据权利要求1所述的一种高速大光程差的单弹光调制型干涉仪，其特征在于：探测器(7)与数据处理显示器(8)连通。

7.根据权利要求3所述的一种高速大光程差的单弹光调制型干涉仪，其特征在于：压电驱动器(9)的驱动电压频率优选30～60kHz。

8.根据权利要求1或3所述的一种高速大光程差的单弹光调制型干涉仪，其特征在于：第二透镜(6)焦点在弹光晶体(10)的中心。

9.根据权利要求3所述的一种高速大光程差的单弹光调制型干涉仪，其特征在于：高反射率膜(11)的厚度小于10μm。

10.根据权利要求1所述的一种高速大光程差的单弹光调制型干涉仪，其特征在于：起偏器(1)起偏方向与检偏器(5)检偏方向平行放置，并分别与弹光调制器(4)成±45°夹角。