專利名稱：一種高速大光程差的單彈光調制型干涉儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光譜儀，是一種能夠實現高速、高光譜分辨率、高穩定度和高通量的多反射單彈光調制型干涉儀。
背景技術：
高速、高分辨率、寬光譜范圍的光譜測量技術及儀器在科學研究、宇宙探索、環境監測、航天、軍事、安全生產和化學分析等方面有廣泛的應用和迫切的需求。在眾多的光譜儀中，傅里葉變換光譜儀在靈敏度、光譜范圍、分辨率等方面較其它如光柵、棱鏡等類型光譜儀有著顯著優勢，因而被廣泛應用于光譜測量領域。隨著科學研究的深入、軍事、航空航天等高科技領域的飛速 發展，對光譜測量的速度、光譜范圍及分辨率方面的要求也越來越苛刻。現有傅里葉變換光譜儀已無法完全滿足要求，因此研究高性能傅里葉變換光譜儀具有重要意義。掃描型傅里葉變換光譜儀采用動鏡掃描的邁克爾遜干涉具的結構，可以獲得很高的光譜分辨率，但速度慢、對掃描機構的抗震動和鏡面的要求高。為了克服掃描型FTS的缺點，研究者一直對其進行不懈的探索，在驅動方式和動鏡掃描方法上加以改進。據報道[Inducing and Correction of Photometric Error Introduced to FTIR Spectra bya Non-Linear.Proc.1lth Int.Conf.0n Fourier Transform, Spectroscopy, AIP Conf.Proceedings, 1998,43084.],音圈驅動的邁克爾遜干涉儀最大掃描速度達幾米/秒，在IcnT1的分辨率下，其掃描速度可達幾百次/秒，但對掃描結構的要求非常苛刻。WinthropWadsworth 研究成功的旋轉掃描鏡式光譜儀[Rugged High Speed Rotary Imaging Fourier Transform Spectrometer for Industrial Use[C].Vibrational Spectroscopy-based Sensor Systems.Proc.0f SPIE, 2002，4577:83-88.]，其旋轉速度為 360 次 /s，光譜分辨率可達lcnT1，選用合適的光學器件和探測器，其光譜范圍可達I 25μπι[4] ；OPTRA公司開發的高速諧振鏡傅里葉變換光譜儀[High-Speed Resonant FTIR Spectrometer.Next-Generation Spectroscopic Te chnologies II1.Proc.0f SPIE,2010,7680,76800S-76800S-12]在分辨率為8cm_l時，其速度可達10kHz，光譜范圍為7 14 μ m。雖然上述改進使掃描型傅里葉變換光譜儀的速度已有顯著提高，但始終無法完全克服因機械結構帶來的低速、抗震性能差的缺點，限制了其在高速、瞬態光譜測量領域的應用。彈光調制器的通光角孔徑大(可用的錐角達±50° )、受光面積大(通光孔徑一般為20mm，最大為45mm)、調制頻率范圍寬(10 200kHz)、光譜范圍寬(從紫外到近紅外)等優點。這些優點使得彈光調制在大視場、高速度、寬光譜測量中具有不可比擬的優勢。但商業上可獲得的彈光調制器采用單驅動器，僅能產生5 IOym的光程差，即最大光譜分辨率為lOOOcnT1。理論上，為提高光譜分辨率，可增加彈光調制器驅動電壓或將多個彈光調制器串聯使用。前者受材料的熱、力學性能限制，增加光程差的效果不顯著，因為增加驅動電壓不僅受雙折射光學材料斷裂極限的約束，而且高壓驅動的彈光調制器產生的熱，會導致其溫度上升、引起其固有頻率變化，因此，需要研制具有溫度控制和頻率跟蹤功能的高壓驅動器；采用多個彈光調制器串聯方式，由于彈光調制器之間的差異及高機械品質因數特點，將他們調諧到同一個頻率很困難；另外，多個彈光調制器界面的多次反射將導致光能的大量損失，這些問題限制了串聯方式的應用。文獻[High Retardation-AmplitudePhotoelastic Modulator:US7, 764，415B2.2010-7-27]提出將一長棒等效為多個獨立單元的思想，以增大光程差，這些方案理論上尚不成熟，并且對控制要求很高。
實用新型內容有鑒于此，本實用新型旨在提供一種光譜分辨率很高、調制速度高、無機械運動，同時又能保證足夠光通量的新型單彈光調制型干涉儀結構，用來代替傳統的邁克爾遜干涉儀。本實用新型的技術解決方案是:一種高速大光程差的單彈光調制型干涉儀，按被測光的入射方向依次由起偏器、靜態雙折射晶體、第一透鏡、彈光調制器、檢偏器、第二透鏡和探測器構成。所述的靜態雙折射晶體，通光方向應為晶體的光軸方向。所述的彈光調制器包括壓電驅動器和彈光晶體，彈光晶體外形為八角形，前后通光面為球面，并鍍制相互 交錯的高反射率膜。彈光晶體的前后通光面的曲率半徑相同，且曲率半徑優選400 600mm，彈光晶體厚度優選20 40mm，彈光晶體內反射次數優選15 30次。所述的探測器放置于第二透鏡的焦點處。探測器與數據處理顯示器連通。壓電驅動器的驅動電壓頻率優選30 60kHz。第二透鏡焦點在彈光晶體的中心。高反射率膜的厚度小于10 μ m。起偏器起偏方向與檢偏器檢偏方向平行放置，并分別與彈光調制器成±45°夾角。本實用新型的優點在于:1、利用彈光調制器調制速度快，干涉調制時間為數10 μ S，使得光譜測量速度比傳統邁克爾遜提高了 3 4個數量級；2、彈光調制器的曲面多次反射結構兼顧了系統的光譜分辨率和光通量，對入射光斑大小要求小；3、本實用新型無需分光，減少了整個光學系統像差；4、本實用新型無機械運動部件，抗振動能力強；5、本實用新型只利用彈光調制器調節，易于控制；6、本實用新型原理和結構簡單，便于加工，易于裝調。
圖1是本實用新型結構原理示意圖；圖2是本實用新型彈光調制器的結構示意圖；圖3是本實用新型彈光晶體內多次反射結構示意圖；[0026]圖4是本實用新型彈光晶體的通光面與高反射率膜位置示意圖。圖中:1為起偏器、2為靜態雙折射晶體、3為第一透鏡、4為彈光調制器、5為檢偏器、6為第二透鏡、7為探測器、8為數據處理顯示器、9為壓電驅動器、10為彈光晶體、11為高反射率膜。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進行詳細闡述。如圖1-4所示，一種高速大光程差的單彈光調制型干涉儀，按被測光的入射方向依次由起偏器1、靜態雙折射晶體2、第一透鏡3、彈光調制器4、檢偏器5、第二透鏡6和探測器7構成,所述的靜態雙折射晶體2,通光方向應為晶體的光軸方向，其產生與彈光調制器4最大光程差相同的靜態光程差。所述的彈光調制器4包括壓電驅動器9和彈光晶體10，彈光晶體10外形為八角形，前后通光面為球面，并鍍制相互交錯的高反射率膜11。彈光晶體10的前后通光面的曲率半徑相同，且曲率半徑優選400 600mm，彈光晶體10厚度優選20 40mm，彈光晶體10內反射次數優選15 30次。第一透鏡3焦點在彈光晶體10的中心，第三透鏡3保證了被測光入射與出射彈光晶體10的光斑大小相同，其中起偏器I起偏方向與檢偏器5檢偏方向平行放置,并分別與彈光調制器4成±45°夾角,對被測入射光進行起偏，以滿足彈光調制的干涉要求；靜態雙折射晶體2產生一定的靜態光程差，起到增大調制光程差的目的；高反射率膜11的厚度小于10 μ m,高反射率膜11對被測光進行多次反射，以增大調制光程差；彈光調制器4對入射的偏振光進行人工雙折射干涉調制，以滿足彈光調制干涉要求；第二透鏡6將調制后的干涉光聚焦至探測器7的光敏面處；探測器7采集干涉數據，探測器為點探測器，放置于第二透鏡6的焦點處。探測器7與數據處理顯示器8連通，數據處理顯示器8通過壓電驅動器9提供參考信號，對探測器采集的干涉信號傅里葉變換得到被測目標光譜并顯示。壓電驅動器9的驅動電壓頻率優選30 60kHz。優選的，靜態雙折射晶體2的通光方向應為晶體的光軸方向，其產生與彈光調制器最大光程差相同的靜 態光程差；優選的，彈光晶體10兩曲面采用曲率半徑為400mm-600mm的球面，既保證多的反射次數，又不影響彈光晶體的振動；優選的，彈光晶體10前后同光表面鍍制交錯對稱的高反射率膜，減小入射光在彈光晶體內實現多次反射后光能量的損耗；優選的，彈光晶體10前后同光表面鍍制交錯對稱的高反射率膜11，厚度小于10 μ m,減小反射膜對振動的影響,減小振動對反射的影響；優選的，彈光調制器4調制頻率優選30 60KHz，彈光晶體10厚度優選20 40mm,晶體內反射次數優選15 30次；壓電石英驅動器9外形為長方體，壓電石英切割方向優選xyt (-18.5° )，該切割方向很好的保證了振動頻率的單一性，保證工作的長時間穩定。參見圖3，由于單彈光調制產生光程差有限，為了提高光程差，采用多次反射的方法。由于單彈光晶體形成是二維駐波，所以調制光程差幅值中心最大，隨著偏離中心距離的增大，調制的光程差幅值也減小，并且反射次數多光能損耗就多。為兼顧大光程差、高光能利用率和高穩定性，本實用新型彈光晶體10外形采用八角形，通光面為球面，并鍍制相互交錯的高反射率膜11。從圖中3可以看出在彈光晶體10調制光程差大的位置反射次數多。由于該反射結構進入彈光晶體10的光入射角比較大，所以就降低入射光斑大小的要求。整個單彈光調制干涉儀由于諧振工作特性，對外界振動不敏感，從而保證了整個系統的抗振動能力很高。·
權利要求1.一種高速大光程差的單彈光調制型干涉儀，其特征在于:按被測光的入射方向依次由起偏器(I)、靜態雙折射晶體(2)、第一透鏡(3)、彈光調制器(4)、檢偏器(5)、第二透鏡(6)和探測器(7)構成。
2.根據權利要求1所述的一種高速大光程差的單彈光調制型干涉儀，其特征在于:所述的靜態雙折射晶體(2)，通光方向應為晶體的光軸方向。
3.根據權利要求1所述的一種高速大光程差的單彈光調制型干涉儀，其特征在于:所述的彈光調制器(4)包括壓電驅動器(9)和彈光晶體(10)，彈光晶體(10)外形為八角形，前后通光面為球面，并鍍制相互交錯的高反射率膜(11)。
4.根據權利要求3所述的一種高速大光程差的單彈光調制型干涉儀，其特征在于:彈光晶體(10)的前后通光面的曲率半徑相同，且曲率半徑優選400 600mm，彈光晶體(10)厚度優選20 40mm，彈光晶體(10)內反射次數優選15 30次。
5.根據權利要求1所述的一種高速大光程差的單彈光調制型干涉儀，其特征在于:所述的探測器(7)放置于第二透鏡￠)的焦點處。
6.根據權利要求1所述的一種高速大光程差的單彈光調制型干涉儀，其特征在于:探測器(7)與數據處理顯 示器(8)連通。
7.根據權利要求3所述的一種高速大光程差的單彈光調制型干涉儀，其特征在于:壓電驅動器(9)的驅動電壓頻率優選30 60kHz。
8.根據權利要求1或3所述的一種高速大光程差的單彈光調制型干涉儀，其特征在于:第二透鏡(6)焦點在彈光晶體(10)的中心。
9.根據權利要求3所述的一種高速大光程差的單彈光調制型干涉儀，其特征在于:高反射率膜(11)的厚度小于 ο μ m。
10.根據權利要求1所述的一種高速大光程差的單彈光調制型干涉儀，其特征在于:起偏器(I)起偏方向與檢偏器(5)檢偏方向平行放置，并分別與彈光調制器(4)成±45°夾角。
專利摘要本實用新型涉及一種光譜儀，提供一種光譜分辨率很高、調制速度高、無機械運動，同時又能保證足夠光通量的新型單彈光調制型干涉儀結構，用來代替傳統的邁克爾遜干涉儀，采用的技術方案是按被測光的入射方向依次由起偏器、靜態雙折射晶體、第一透鏡、彈光調制器、檢偏器、第二透鏡和探測器構成。所述的靜態雙折射晶體，通光方向應為晶體的光軸方向。所述的彈光調制器包括壓電驅動器和彈光晶體，彈光晶體外形為八角形，前后通光面為球面，并鍍制相互交錯的高反射率膜。
文檔編號G01J3/45GK203100898SQ20132012688
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月8日 優先權日2013年3月8日
發明者張瑞, 王志斌, 趙冬娥, 李曉, 陳友華, 魏海潮, 王立福, 黃艷飛 申請人:中北大學