CN219799227U - 基于微型石英音叉探测器的红外光谱测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于微型石英音叉探测器的红外光谱测量系统。此实用新型使用微型石英音叉(mQTF)作为探测器，mQTF通过压电效应将光热引起的机械振动转化为电信号。实验证实mQTF探测器可获得从近红外到中红外的超宽光谱探测，为实现红外光谱测量提供了一个较好的探测器。
Description
技术领域
本实用新型涉及光谱检测传感器，具体涉及一种适用于中远红外波段吸收光谱测量的高性能微型石英音叉探测器及光谱探测方法。
背景技术
红外和太赫兹(THz)范围的电磁辐射可用于制造宽带通信系统、检测麻醉和爆炸物质的痕量浓度、无损成像和神经调节。然而，用于探测红外和太赫兹辐射的探测器极其昂贵，限制了其应用和发展。半导体探测器通常具有较窄的响应带宽。基于光热效应的Golay探测器是最有效的探测器之一，它在宽频带内具有良好的灵敏度和平坦的光谱响应，而可测量的太赫兹能量不应超过50μW且价格极高，约10万元。需要研究新的策略来制造价格相对便宜的超宽带光电探测器。近年来，光热探测器发展迅速，具有响应带宽范围大的优点。许多具有薄层敏感元件的测辐射热仪被设计和研究，但测辐射热法容易受到各种热源的干扰，需要在超低温下工作。
微型石英音叉探测器近年来被用来检测光辐射。在这种设计中，石英音叉工作在谐振模式，其振动可以受到激光照射所产生的热应力的强烈影响，并且两者呈现线性关系。利用石英音叉进行宽带光谱测量是一个极具发展前景的方向。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于微型石英音叉探测器的红外光谱测量系统，以解决现有单一器件灵敏度较低、带宽较窄的问题。
本实用新型的目的之一是通过以下技术方案实现的：一种基于微型石英音叉探测器的红外光谱测量系统，包括：
波长可调的光源，红外热光源发射宽带光，首先经过光学斩波器后变为一定宽度脉冲信号。随后，经过光栅分光，狭缝和滤光片后得到不同波长的单色光，最后利用聚焦透镜将光汇聚到微型石英音叉上。
微型石英音叉信号探测系统，光源辐照微型石英音叉后通过吸收及光热转换，在微型石英音叉上产生热梯度，从而引起其热形变及振臂的谐振，其振动幅度正比于光激发功率。
信号采集处理系统，包括锁相放大器和计算机，激光能量沉积在微型石英音叉探测器上，音叉具有压电效应，通过IV转换-跨阻放大电路输出稳定的电压，输出的电信号经锁相放大器解调后得到正比于激发光功率的信号，最后由计算机进行数据采集存储。
激发光波长为2.5μm到25μm的中红外光源。
谐振频率为45KHz，品质因数不低于5000。
具体测量步骤：
a、启动所述检测系统，放置好待测样品，函数发生器在石英音叉探测器两管脚上施加幅值为500mV，频率等于音叉谐振频率的正弦波激励信号，以驱动石英音叉发生谐振，从而使其振臂以恒定的幅度振动。光束经斩波器斩波后由透镜聚焦到微型石英音叉探测器一个振臂的根部区域。
b、采用激光束激发微型石英音叉探测器，通过热弹效应获得音叉臂随入射光功率变化的机械振动信号。
c、信号处理系统通过锁相电路测量微型石英音叉探测器输出电压信号变化，经反演计算可精确测量振幅。
d、以一定步距逐次改变激发光波长，重复上述a-c的步骤，逐次扫描即可得到待测物质在测量波长范围内的红外吸收谱。
与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：
微型石英音叉探测器自身优势明显，在可见光至太赫兹波段产生较强响应，裸微型石英音叉探测器最小噪声等效功率可达nW/数量级，响应波长可从可见光到太赫兹波段，且成本低至几百元。
附图说明
图1基于微型石英音叉的光探测系统原理图。
图2基于微型石英音叉光探测器结构示意图
图3基于微型石英音叉的PS光谱测量结果
具体实施方式
如图1和图2所示，本实用新型提出的微型石英音叉探测器的红外光谱测量方法包括：
波长可调的光源，红外热光源发射宽带光，首先经过光学斩波器后变为一定宽度脉冲信号。随后，经过光栅分光，狭缝和滤光片后得到不同波长的单色光，最后利用聚焦透镜将光汇聚到微型石英音叉上。
微型石英音叉信号探测系统，位于聚焦透镜的正前方，光源辐照微型石英音叉后通过吸收及光热转换，在微型石英音叉上产生热梯度，从而引起其热形变及振臂的谐振，其振动幅度正比于光激发功率。
激发光波长为2.5μm到25μm的中红外光源。
谐振频率为45KHz，品质因数不低于5000。
本实用新型的检测过程为：首先启动所述检测系统，放置好待测样品，函数发生器在微型石英音叉探测器两管脚上施加幅值为500mV，频率等于音叉谐振频率的正弦波激励信号45KHz，以驱动微型石英音叉发生谐振，从而使其振臂以恒定的幅度振动。光束由透镜聚焦到微型石英音叉探测器振臂的根部区域。其次采用斩波后的激光束激发微型石英音叉探测器，通过热弹效应获得音叉臂随入射光功率变化的机械振动信号。经跨阻放大器进行电流-电压转换后由锁相放大器进行解调，输出到示波器进行观察并采集数据。通过观察示波器输出信号大小，多次细调移动探测器，找到探测器可检测到最大信号的位置，随后以一定步距逐次改变激发光波长，逐次扫描即可得到待测物质在测量波长范围内的红外吸收谱。最后经过电脑软件对数据进行处理。
图3为通过微型石英音叉探测器获得的PS的透射谱。经对比，与标准PS光谱呈现出较好的一致性。
Claims (3)
1.一种基于微型石英音叉探测器的红外光谱测量系统，其特征在于，包括：
波长可调的光源，红外热光源发射宽带光，首先经过光学斩波器后变为一定宽度脉冲信号，随后，经过光栅分光，狭缝和滤光片后得到不同波长的单色光，最后利用聚焦透镜将光汇聚到微型石英音叉上；
微型石英音叉信号探测系统，光源辐照微型石英音叉后通过吸收及光热转换，在微型石英音叉上产生热梯度，从而引起其热形变及振臂的谐振，其振动幅度正比于光激发功率；
信号采集处理系统，包括锁相放大器和计算机，激光能量沉积在微型石英音叉探测器上，音叉具有压电效应，通过IV转换-跨阻放大电路输出稳定的电压，输出的电信号经锁相放大器解调后得到正比于激发光功率的信号，最后由计算机进行数据采集存储。
2.根据权利要求1所述的基于微型石英音叉探测器的红外光谱测量系统，其特征在于激发光波长为2.5μm到25μm的中红外光源。
3.根据权利要求1所述的基于微型石英音叉探测器的红外光谱测量系统，谐振频率为45KHz，品质因数不低于5000。
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