[实用新型]一种实现多光程的装置

说明书

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，涉及一种实现多光程的方法及装置。

背景技术

光谱技术是获取物质结构和化学组成、物质元素含量测定以及研究原子能级等的重要手段，目前已经在工农业生产、科学研究、环境监测、航空航天遥感等领域有着广泛的应用。

干涉光谱仪的出现克服了传统的色散型光谱仪(分光棱镜、色散棱镜和衍射光栅等)能量利用率低的缺点，而时间调制型干涉光谱仪继承了传统干涉光谱仪的优点，集多通道(Felleget优点)、高通量(Jacquinot优点)、波数准确度高(Connes优点)及低噪声、测量速度快等一系列优点于一身。它扩展了红外光谱研究领域，近二十年来受到世界各国的广泛关注并得到了快速发展。

但是传统的时间调制型干涉光谱仪即迈克尔逊干涉仪存在两个主要问题：①一般需辅助光路，结构复杂；②稳定性差，环境适应能力和抗干扰能力低。这是因为一方面在传统迈克尔逊直线型动镜干涉仪中，动镜为平面镜，在运动过程中如果发生倾斜，将严重影响干涉效率，甚至不能产生干涉；它对动镜运动的方向性要求也极其严格，故在直线型动镜干涉仪中需设置辅助光路，即利用激光对动镜运动的方向准确性、速度均匀性、位移量等进行实时精确监测和修正。但是这种辅助光路同时增大了仪器的结构复杂性和实施的难度。另一方面，因为对动镜匀速平稳运动且对倾斜晃动要求很高，所以干涉仪对动镜的控制要求有一套高精度的动镜驱动系统。但是在实际的工程研制过程中，实现高精度的动镜直线驱动和支撑系统仍然相当困难。另外，动镜直线往复运动对运动轨道的加工工艺依赖性较强，虽然激光辅助光路在很大程度上减少了外界环境如抖动或震动对测量效果的影响，但是这种影响只能减弱并不能完全消除，致使系统稳定性差，降低了此类光谱仪适应恶劣环境的能力和抗干扰能力。

针对时间调制型干涉光谱仪的动态稳定性问题人们提出了多种解决途径和方案。为避免平面镜运动过程中倾斜的问题，干涉仪中的角镜往往被其他抗倾斜的反射镜替代，如二面角镜(实心直角棱镜、屋脊棱镜或空心二面直角反射镜)、立方角镜(实心立方棱镜或空心三面直角平面镜)、猫眼镜等。如果将以上三种反射器分别同时替代迈克尔逊干涉仪的角镜和定镜时，尽管对倾斜都不敏感，但都会遇到反射器横移的问题。Carli等将一个屋脊棱镜作为角镜与另一个固定的屋脊棱镜组合，但角镜对横移和某一方向的倾斜都敏感。Murty首先认识到如果将立方角镜与平面反射镜组合一起，即将立方角镜作为角镜而将平面反射镜作为固定镜，则可以保证立方角镜运动过程中对倾斜和横移都不敏感。Murty提出的这种立方角镜干涉仪以及其他种立方角镜干涉仪后来在时间调制干涉光谱仪中被普遍采用，因为立方角镜的使用使得干涉仪所需的校准精度比采用平面镜时降低1个到2个数量级，同时干涉仪的光程由2程变为4程，使得干涉仪的光程差增大到原来的两倍，相应地角镜移动同样的位移使得干涉仪的光谱分辨率增大到两倍。因而这种方法也大大发展了该类型的光谱仪。但是到目前为止，由于多光程光学设计的复杂性，4倍程被认为是增加干涉仪光程数量的合理极限。利用单个立方角镜限于仅至多实现双倍程，即立方角镜位移量x，光程差变化4x，此时光谱分辨率提高到传统迈克尔逊干涉仪的约2倍，或者相当于在实现传统迈克尔逊干涉仪同等光谱分辨率的条件下测量时间和角镜位移量减小到约1/2；或者利用双立方角镜仅限于实现四倍程，即角镜位移量x，光程差变化8x，此时光谱分辨率提高到传统迈克尔逊干涉仪的约4倍，或者相当于在实现与传统迈克尔逊干涉仪同等光谱分辨率的条件下测量时间和角镜位移量减小到约1/4。角镜位移量的减小有利于对角镜实现精确的姿态和驱动控制，相反位移量的增大会相应地增加测量时间和位移，从而增大干涉仪角镜驱动和支撑系统的设计难度，对导轨的结构设计要求和工艺要求更加严格。

利用角镜折叠光路增加有效光程往往出现在干涉仪中，而在分子光谱分析领域，在传统的吸收光谱、拉曼光谱和光声光谱、特别是高分辨光谱的实验中，人们往往采用多种光学长程池以增大探测光通过被测样品的有效光程，以提高探测灵敏度。在吸收光谱检测中，对于固定的吸收介质，可以让探测光在样品吸收池的入射和出射端面之间作多次往返通过吸收介质，使得光束通过样品的实际有效吸收光程远远大于样品吸收池的几何长度，实现多光程吸收。常用的光学长程池有White型、矩阵型和Herriott型。前两种长程池的特点是孔径角较大，适用于普通光源和激光光源，但所用反射镜较多。Herriott型长程池的光学系统由两个凹面反射镜组成，其特点是结构简单，光路调节相对容易，但孔径角较小，适用于激光光源。

实用新型内容