[实用新型]一种激光干涉仪光程差定位系统

说明书

技术领域

本实用新型为一种激光干涉仪光程差定位系统。 

背景技术

相比于色散型分光光谱仪，傅里叶变换光谱仪在长波红外波段具有如下明显的固有光学特性优点：1多通道(Multiplex)；2高光通量(Throughput)；3高光谱测量精度 (Connes);4 宽测量波段；5高/可调谐光谱分辨率；6全波段分辨率一致。因此，傅里叶变换光谱仪被广泛的应用在红外吸收谱的测量中，且被更广泛的称作傅里叶红外光谱仪。傅里叶红外光谱仪可以对样品进行定性和定量分析，具有信噪比高、重现性好和扫描速度快等特点，被广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。 

若不考虑吸收谱的测量，更为广义的傅里叶变换光谱仪主要由光源、光阑、干涉仪（分束器、动镜、定镜）、探测器以及各种反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。其基本结构及原理如图1所示。 

待测光源发出的入射光经准直后被干涉仪的分束器（半透半反镜）分为两束，一束经透射到达动镜，另一束经反射到达定镜；两束光分别经定镜和动镜反射后再回到分束器。动镜以一恒定速度在零光程差附近作连续直线往复运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉。干涉光在分束器会合后到达探测器，探测器完成光电信号转换，产生连续的干涉图样电信号。傅里叶光谱仪的主控计算机所配备的模数转换卡对连续干涉图样进行采样，得到离散的数字干涉图样。然后通过计算机对离散干涉信号进行快速离散傅里叶变换处理，最终得到光源发出光信号的光谱。 

若对连续干涉图样的采样可以精确地以等光程差间隔的方式进行，则所实现的傅里叶光谱测量具有光谱测量精度极高(Connes)的优点。这在商品化的傅里叶红外光谱仪当中通常是通过采用一个632.8纳米波长氦氖激光器驱动的干涉仪实现的。其原理如图2所示。 

傅里叶红外光谱仪的光谱测量主干涉仪和光程差定位辅助干涉仪的动镜共享同一个驱动平移台。因为两个干涉仪处于空间上高度局域化的环境中，因此当两个动镜同时扫描时会产生几乎完全关联的光程差变化。由于辅助干涉仪的驱动激光采用了波长稳定性和准确度极佳的632.8纳米氦氖激光，当扫描时，辅助干涉仪的干涉信号可以写为： 

    （1.1）

其中I（x）是干涉信号光强随动镜位移x的函数，I₀是辅助干涉仪的入射光强。此时辅助干涉仪的探测器将会精确地产生一个光程半周期为316.4纳米的正弦波电信号；此信号经过一个过零点检测电路，在所有正弦波的过零点处产生一连串脉冲信号；该脉冲信号同时触发计算机的模数转换卡对主干涉仪探测器此时产生的干涉信号进行采样。这就等效于傅里叶红外光谱仪精确地以316.4纳米光程差间隔对干涉图样进行采样，从而可以在波长大于632.8纳米的近红外及更长波长的波段获得精度极高的红外光谱。可以说傅里叶变换红外光谱仪的高光谱精度优点并不是傅里叶光谱仪所固有的，而是由于引入了可以实现等光程差采样的氦氖激光驱动干涉仪而带来的。但是这一优点为光谱仪的实际应用带来了很多操作上的方便。

根据恩奎斯特采样定律（即采样频率至少为信号频率的两倍或以上，傅里叶变换才可以获得没有混叠的准确光谱），傅里叶光谱仪的光程差采样间隔必须小于等于可测得最短波长的1/2;若欲测最短波长为400纳米，则光程差采样间隔至少为200纳米；而因为光路被动镜反射一次，这就意味着动镜的机械运动路程定位精度需达到100纳米。很显然这对动镜的光程差定位提出了极高的精度要求，而若想使傅里叶变换光谱仪可以测量到波长更短的近紫外光波段，这一要求就变得更加苛刻；这是为什么傅里叶变换光谱仪被更多地应用于红外长波长测量的主要原因之一。 

尽管理论上傅里叶光谱仪在近紫外至可见光短波长波段工作时会失去其多通道的优点，但是其他几项傅里叶变换光谱仪固有的优点可被继承。倘若可以同时保留傅里叶红外光谱仪的高精度优点，则所实现的短波傅里叶变换光谱仪就将具有十分吸引人的应用价值。决定傅里叶变换光谱仪在短波长波段工作时能否具有上述优点的因素主要包括：1、傅里叶光谱仪内光学器件的光谱特性2、探测器的光谱响应范围3、长距离扫描中高精度等光程差干涉图样采样。针对因素1和2，目前都已有相关的器件和产品足以胜任，不在本文讨论之列。针对因素3，人们曾经尝试采用过多种不同原理的方法试图解决，例如均匀时间间隔采样法，线性可变差动变压器定位法，干涉扫描光栅定位法，电容位置传感器定位法，外差激光干涉仪法等等。但是这些方法都有一些无法容忍的缺点，例如：无法实现等光程差高精度采样；只能在极短距离上实现高精度定位；对温度、压强等环境因素要求苛刻；成本太过昂贵，不适宜常规仪器化等等。