[发明专利]一种傅里叶变换光谱仪

说明书

本发明提供了一种傅里叶变换光谱仪，通过在一个维度上利用双光栅系统实现光谱分割，使光轴不存在折叠，降低了系统各元件的调节和校正的难度，减小了系统的复杂度。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。回避了色散光谱仪为实现红外高光谱分辨率而必须采用的窄狭缝与大阵列制冷探测器，摆脱了核心器件的限制，具有相对较高的光通量和信噪比，同时采用静态结构，回避了因运动部件造成的制作和控制困难，具有更加良好的可靠性、稳定性与实时性；采用光谱分割与带通采样的测量机制，解决了光谱带宽与光谱分辨率之间相互制约的矛盾。

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光栅的衍射干涉正交耦合调制的傅里叶变换光谱仪。

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，通过在一个维度上利用双光栅进行色散补偿，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。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，包括用于形成干涉光场的空间调制干涉系统，其特征在于，傅里叶变换光谱仪还包括置于空间调制干涉系统的入射光路，用于将入射光场的宽带光谱进行分割的双光栅系统；

双光栅系统包括光栅周期相等的、相互平行的第一光栅和第二光栅，第一光栅与第二光栅使入射光场在沿双光栅系统的光轴的方向上被平行色散为M个窄带切片光束，M1；

双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，使入射光场被双光栅系统与空间调制干涉系统实现正交耦合调制。

优选地，第一光栅和第二光栅均为衍射光栅，第一衍射光栅的光轴与第二衍射光栅的光轴不重合，使第一衍射光栅+N级衍射级次出射的光束入射到第二衍射光栅-N级衍射级次上；或使第一衍射光栅-N级衍射级次出射的光束入射到第二衍射光栅+N级衍射级次上，形成M个窄带切片光束。

优选地，第一衍射光栅和第二衍射光栅均通过刻画在各自不透明基底上的一系列等宽度、等周期的平行狭缝结构实现平行色散；或均通过蒸镀在各自透明基底上的一系列等宽度、等周期的平行线栅结构实现平行色散。

优选地，第一光栅和第二光栅均为棱镜光栅，第一棱镜光栅和第二棱镜光栅反向且同轴放置，使入射光场在沿双光栅系统的光轴的直线方向上被平行色散为M个窄带切片光束。