[发明专利]一种多反射单弹光调制傅里叶变换光谱仪光路结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型傅里叶变换光谱仪，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傅里叶变换光谱仪结构。

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 Fourier 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。

发明内容

有鉴于此，本发明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，并结合相应的前置收集光系统，形成一种新型的，能够实现高速、高光谱分辨率、高稳定性和高通量的傅里叶变换光谱仪结构。