[发明专利]一种傅里叶变换光谱仪及光谱重构方法

说明书

本发明提供了一种傅里叶变换光谱仪及光谱重构方法，通过在一个维度上利用双闪耀光栅系统实现光谱分割，可以最大限度的利用入射光的能量，使其具有较高的能量利用率，提高入射到干涉系统中的光能量，保证整个系统的信噪比。在另一个维度上利用空间调制干涉系统实现带通采样，从而在两个正交的方向上实现对入射光场色散与干涉的正交耦合调制。通过对宽带光谱进行光谱分割与折叠移位，利用低频带通采样提高光谱分辨率，并通过光谱拼接获得宽的光谱范围，在性能上克服了传统色散型光谱仪、时间调制傅里叶变换光谱仪及空间调制傅里叶变换光谱仪存在的技术问题。

技术领域

本发明属于光谱测量技术领域，具体涉及一种基于双闪耀光栅的衍射干涉正交耦合调制的傅里叶变换光谱仪及光谱重构方法。

背景技术

随着社会的进步与科技的发展，红外光谱技术已经在物理、化学、生命、地质、医学等领域得到了日益广泛的应用，并对新材料、新能源以及未知世界的探索发现起到了重要的作用。近年来，随着气象观测、环境监测、空间遥感探测、军事地物侦察分析等高新技术领域的出现和发展，由于其特殊的应用环境和使用条件，对红外光谱探测技术及仪器在体积与性能方面提出了更高的要求。

对于气象观测、环境监测、空间探测等高新技术领域而言，使用环境的限制要求红外光谱仪器具有微小型化与静态化的特点，而探测精度又要求仪器具有宽谱段与高分辨率的探测性能。并且随着信息需求的不断升级，使得传统的光谱测量技术出现难以逾越的技术瓶颈。对于传统的色散型光谱仪而言，在中长波红外波段为了获得高分辨率，必须采用较窄的入射狭缝，从而会限制仪器接收的辐射通量。同时必须采用大面阵红外探测器阵列，而大面阵红外探测器的制备和制冷都存在较大的难度。傅里叶变换红外光谱仪采用干涉分光模式，具有高光通量、多光谱通道、高波数精度等一系列优点，是高性能红外光谱技术的首选仪器。目前实验室常规应用的傅里叶变换光谱仪采用时间调制型结构，干涉仪通过动镜扫描产生大光程差以获得高的光谱分辨率。但是由于高精度的动镜扫描机构与精密的参考光源采样控制系统增加了仪器的体积和重量，从而限制了其在空间探测、气象遥感、军事侦察等高新技术领域的应用。

发明内容

本发明为了克服传统色散型光谱仪、时间调制傅里叶变换光谱仪及空间调制傅里叶变换光谱仪存在的技术问题，提出了一种傅里叶变换光谱仪及其光谱重构方法，通过在一个维度上利用双闪耀光栅的色散补偿实现光谱分割，在另一个维度上利用空间调制干涉系统实现带通采样，从而在两个正交的方向上实现对入射光场色散与干涉的正交耦合调制。通过对宽带光谱进行光谱分割与折叠移位，能够应用于低频带通采样从而提高光谱分辨率，并通过光谱拼接获得宽的光谱范围。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种傅里叶变换光谱仪，包括：双闪耀光栅系统和位于所述双闪耀光栅系统的出射光路的空间调制干涉系统，双闪耀光栅系统的色散方向与空间调制干涉系统的调制方向在横向空间彼此正交，使入射光场被双闪耀光栅系统与空间调制干涉系统实现正交耦合调制；

双闪耀光栅系统用于将入射光场的宽带光谱进行分割，形成M个色散开的、按照波长平行排列的窄带切片光束，每个窄带切片光束对应一个光谱段，M1；

空间调制干涉系统用于实现对每个窄带切片光束的并行干涉，形成干涉光场。

优选地，双闪耀光栅系统包括具有相同周期和相同闪耀角的第一闪耀光栅和第二闪耀光栅；第一闪耀光栅与第二闪耀光栅反向平行设置，使经第一闪耀光栅色散后的不同波长的发散光束反射到第二闪耀光栅上，并被第二闪耀光栅反射后入射至空间调制干涉系统。

优选地，第一闪耀光栅用于将宽带光谱按照波长的顺序进行光谱色散；第二闪耀光栅用于将色散后的发散光束进行准直，形成M个平行传输的窄带切片光束。

优选地，空间调制干涉系统包括置于分束器的反射光路上的平面反射镜和置于分束器的透射光路上的多级微反射镜；