級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，包括光源，在光源的出射光方向上設(shè)置有能將出射光調(diào)制為與水平方向成一夾角的起偏器，在起偏器出射光方向上設(shè)有靜態(tài)雙折射晶體，在靜態(tài)雙折射晶體的出射光方向設(shè)有多個(gè)能使出射光產(chǎn)生多次反射的強(qiáng)光調(diào)制器，在強(qiáng)光調(diào)制器的出射光方向上設(shè)有檢偏器，在檢偏器出射光方向上設(shè)有能采集經(jīng)檢偏器干涉后光線的探測器。本發(fā)明通過壓電石英晶體產(chǎn)生周期驅(qū)動(dòng)力，并利用硒化鋅晶體的輪廓振動(dòng)模式，產(chǎn)生二維耦合縱向振動(dòng)，進(jìn)而獲得較高的調(diào)制光程差；在單塊彈光調(diào)制器達(dá)到較高調(diào)制光程差的基礎(chǔ)上，通過級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)一步增加調(diào)制光程差，解決現(xiàn)有彈光調(diào)制干涉儀調(diào)制光程差的問題，并保證足夠光通量。
【專利說明】級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001]本發(fā)明涉及一種干涉儀，具體的說是一種能產(chǎn)生較大調(diào)制光程差并保證足夠光通量的彈光調(diào)制干涉儀。
技術(shù)背景：
[0002]彈光調(diào)制干涉儀基本原理是，偏振光通過彈光調(diào)制干涉儀時(shí)，產(chǎn)生兩束偏振方向垂直的ο光和e光，這兩列光波之間的調(diào)制光程差正比于晶體材料的可變折射率差，光程差為χ=1 Δη邁克爾遜干涉儀為χ=ηΔ 1，該光程差在電信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下變化半個(gè)周期，完成一次光譜測量。早期從事相關(guān)技術(shù)研究的是美國的Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室[見文獻(xiàn)：BuicanTudor N. Real-time Fourier Transform Spectrometry for Fluorescence Imaging andFlow Cytometry[C]. Bio-imaging and Two-Dimensional Spectroscopy. Proc. of SPIE，1990，1205 :126-133.]。彈光調(diào)制干涉儀具有如下潛在的優(yōu)點(diǎn)：
[0003]I)調(diào)制頻率高達(dá)數(shù)百kHz。每秒能完成幾十萬次的干涉測量，可比普通傅里葉變換光譜儀的速度高3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，其在速度上具有顯著優(yōu)勢。
[0004]2)有極寬的光譜范圍。若采用熔融硅彈光雙折射材料做干涉儀，其光譜范圍可從真空紫外到近紅外，若采用多晶ZnSe其光譜范圍可從可見光到中紅外。
[0005]3)采用點(diǎn)探測器完成光電轉(zhuǎn)換?？稍诮档统杀镜耐瑫r(shí)，提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度。
[0006]4受光面積及視場角大，靈敏度高。
[0007]但是單個(gè)彈光調(diào)制干涉儀產(chǎn)生的可調(diào)光程差較小，不能完全滿足光譜測量的需求，需要進(jìn)一步提高光譜分辨率。商業(yè)上可獲得的PEM采用單驅(qū)動(dòng)器，僅能產(chǎn)生5?IOym的光程差，即最大光譜分辨率為lOOOcnT1。為提高光譜分辨率，T N. Buican采用多個(gè)彈光調(diào)制干涉儀串聯(lián)方式[見文獻(xiàn)：Buican Tudor N, Carrieri Arthur H. Ultra-HighSpeed Solid-State FTIR Spectroscopy and Applications for Chemical Defense [C].Proceedings for the Army Science Conference (24th), 2004.],但在該結(jié)構(gòu)中，調(diào)制光程差與光通量是一對矛盾，隨著反射次數(shù)的增加，光程差雖然大為增加，但對應(yīng)的光通量也在急劇下降，從而導(dǎo)致整個(gè)干涉儀無法對弱光進(jìn)行有效測量，因此，增加光程差的同時(shí)，保證足夠的光通量是彈光調(diào)制干涉儀面臨的瓶頸問題。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，它通過壓電石英晶體產(chǎn)生周期驅(qū)動(dòng)力，并利用硒化鋅晶體的輪廓振動(dòng)模式，產(chǎn)生二維耦合縱向振動(dòng)，進(jìn)而獲得較高的調(diào)制光程差；在單塊彈光調(diào)制器達(dá)到較高調(diào)制光程差的基礎(chǔ)上，通過級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)一步增加調(diào)制光程差，解決現(xiàn)有彈光調(diào)制干涉儀調(diào)制光程差的問題，并保證足夠光通量。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0010]一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于：包括光源，在所述光源的出射光方向上設(shè)置有能將出射光調(diào)制為與水平方向成一夾角的起偏器，在所述的起偏器出射光方向上設(shè)有靜態(tài)雙折射晶體，在所述靜態(tài)雙折射晶體的出射光方向設(shè)有多個(gè)能使出射光產(chǎn)生多次反射的強(qiáng)光調(diào)制器，在所述強(qiáng)光調(diào)制器的出射光方向上設(shè)有檢偏器，在所述的檢偏器出射光方向上設(shè)有能采集經(jīng)檢偏器干涉后光線的探測器。其中經(jīng)過起偏器的出射光與水平方向成45° ,起偏器與檢偏器的偏振方向成90°。
[0011]如上所述的一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于所述的強(qiáng)光調(diào)制器包括有硒化鋅彈光晶體，在所述的硒化鋅彈光晶體兩端上分別連接有壓電石英晶體，在所述的硒化鋅彈光晶體入射光和出射光的端面上分別鍍有全反射膜。保證硒化鋅晶體處于自由振動(dòng)狀態(tài)，而不必嚴(yán)格的考慮壓電石英晶體的諧振模態(tài)。
[0012]如上所述的一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于所述的壓電石英晶體為長方體，尺寸為50. 2_X 17. 1_X 6. 4mm, xyt (-18. 5° )切型,其振動(dòng)模式為長度伸縮模式。
[0013]如上所述的一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于所述的硒化鋅彈光晶體為八角形，寬度為33. 2mm,厚度16mm,在所述八角形硒化鋅彈光晶體內(nèi)設(shè)有半徑為IOmm的內(nèi)倒角，其振動(dòng)模式為二維縱向振動(dòng)模式。
[0014]如上一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于所述的硒化鋅彈光晶體的通光孔徑為以表面中心點(diǎn)為圓心，直徑IOmm的圓，所述全反射膜的面積為通光孔徑的15%，并預(yù)留5%的區(qū)域保證五次反射后的偏振光通過。
[0015]如上所述的一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于所述的全反射膜為金全反射膜。
[0016]如上所述的一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于所述的彈光調(diào)制器工作在其基頻模態(tài)，且其基頻模態(tài)與十字對稱硒化鋅晶體基頻模態(tài)一致；
[0017]如上所述的一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于所述的壓電石英驅(qū)動(dòng)器的厚度較十字對稱型硒化鋅晶體厚度略大，可保證振動(dòng)的穩(wěn)定性；
[0018]所述的每級(jí)彈光調(diào)制器的尺寸加工誤差應(yīng)控制在±0. 02mm范圍，每級(jí)彈光調(diào)制器同頻、同相振動(dòng)。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0020]I、所鍍制的金全反射膜，在800nm?20 μ m波長范圍內(nèi)平均反射率Ravg>96%，可保證入射光在每級(jí)彈光調(diào)制器內(nèi)部產(chǎn)生反射以增加調(diào)制光程差，而不產(chǎn)生反射損失；
[0021]2、所鍍制的金全反射膜，可與硒化鋅晶體自身極寬的通光范圍相匹配，保留了彈光調(diào)制干涉儀寬光譜范圍的特點(diǎn)；
[0022]3、所述的級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，可解決現(xiàn)有彈光調(diào)制干涉儀所面臨的瓶頸問題，可實(shí)現(xiàn)大光程差調(diào)制，并具有高光通量、寬光譜范圍等特點(diǎn)，且其加工、制造容易實(shí)現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】：
[0023]圖I是本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理示意圖；
[0024]圖2是彈光調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖
[0025]圖3是彈光調(diào)制器基頻振動(dòng)平面示意圖
[0026]圖4是彈光調(diào)制干涉具結(jié)構(gòu)圖；[0027]圖5是彈光晶體中反射光路不意圖；
[0028]圖6是圖5中部分彈光晶體中反射光路示意圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0029]下面結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】與【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步闡釋本發(fā)明：
[0030]如圖I至6所示，一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，包括光源1，在所述光源I的出射光方向上設(shè)置有能將出射光調(diào)制為與水平方向成一夾角的起偏器2，在所述的起偏器2出射光方向上設(shè)有靜態(tài)雙折射晶體3，在所述靜態(tài)雙折射晶體3的出射光方向設(shè)有多個(gè)能使出射光產(chǎn)生多次反射的強(qiáng)光調(diào)制器4,在所述強(qiáng)光調(diào)制器4的出射光方向上設(shè)有檢偏器5，在所述檢偏器5出射光方向上設(shè)有能采集經(jīng)檢偏器5干涉后光線的探測器7。
[0031]如圖I和圖3，本發(fā)明中級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀的工作方式為：在光源I發(fā)出方向放置起偏器2,將出射光的調(diào)制為與水平方向成45°夾角的線偏振光,該偏振光經(jīng)過靜態(tài)雙折射晶體3后，進(jìn)入第一級(jí)彈光調(diào)制器，并在該彈光調(diào)制器中反射五次，之后再進(jìn)入第二級(jí)以及第三級(jí)彈光調(diào)制器，并重復(fù)在第一級(jí)中的反射情況，最后通過檢偏器4后產(chǎn)生干涉，并由探測器7采集，檢偏器5與起偏器2的偏振方向成90° ;為實(shí)現(xiàn)快速干涉調(diào)制，本發(fā)明中十字對稱彈光調(diào)制干涉儀的工作頻率為50KHz。
[0032]圖2和圖3分別是彈光調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖和基頻振型示意圖，其中，8為壓電石英晶體，9為八角形彈光晶體，12為彈光晶體的通光區(qū)域，壓電石英驅(qū)動(dòng)器8外形
為長方體，為實(shí)現(xiàn)50KHz的驅(qū)動(dòng)頻率，根據(jù)振動(dòng)公式/ = + β-—，其尺寸為




2Ζ/ Y p(l — (7 )
5.08cm X I. 91 cm X O. `64cm，式中，f是諧振頻率，L是總長度，E是楊氏彈性模量，P是密度，σ是泊松比。其切割方向?yàn)閤yt-18.5°，其振動(dòng)模式為長度伸縮模式，電極位置為長方體的上下兩個(gè)面10和11，電極厚度Iy m，材料為金，該切割方向很好的保證了振動(dòng)頻率的單一'I"生，保證工作的長時(shí)間穩(wěn)定。
[0033]彈光晶體8采用型硒化鋅晶體材料，其尺寸可根據(jù)固體輪廓振動(dòng)模式計(jì)算公式
/ = —J E ^計(jì)算獲得，其寬度為33. 2_，通過10_的倒角處理，將其外形加工為八 2L]j ρ(1+σ)
角形，硒化鋅晶體總厚度為16mm ;該尺寸可以保證檢偏器5的基頻頻率為50KHz，從而保證檢偏器5在彈光晶體8的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生最佳的基頻諧振。
[0034]彈光調(diào)制器4是由十字對稱型硒化鋅晶體9與壓電石英晶體8通過RTV硅膠粘接而成，膠粘層厚度應(yīng)小于O. 2_，該膠粘方式屬于軟連接，可很好地保證硒化鋅晶體9處于自由振動(dòng)狀態(tài)，而不必嚴(yán)格的考慮壓電石英驅(qū)動(dòng)器8的諧振模態(tài)與9是否嚴(yán)格匹配，降低了制造難度；
[0035]結(jié)合圖3和圖4詳細(xì)說明十字對稱彈光調(diào)制干涉儀的工作過程，利用諧振高壓放大驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)生50KHz、1200V的高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將其施加在兩塊壓電石英晶體8上，壓電石英晶體8通過電致伸縮效應(yīng)，產(chǎn)生50KHz的周期性應(yīng)力，該應(yīng)力通過膠粘層傳遞至十字對稱型硒化鋅晶體9中，并激勵(lì)硒化鋅晶體產(chǎn)生同一頻率的二維縱向振動(dòng)模式，該振動(dòng)模式，可使得中心應(yīng)力達(dá)到最大，且在中心直徑IOmm范圍內(nèi)的應(yīng)力分布均勻，因此選擇中心直徑IOmm范圍作為入射孔徑，可保證對入射偏振光的有效調(diào)制。對于直射進(jìn)入的偏振光而言，該方法設(shè)計(jì)的彈光調(diào)制器其調(diào)制光程差在50 μ m左右。
[0036]入射光束的直徑應(yīng)控制在2_以內(nèi)，平行度應(yīng)<5mrad，并首先由起偏器2調(diào)制成與I軸成45°角，再進(jìn)入靜態(tài)雙折射晶體3,并被分解為X方向和y方向偏振光ο光，e光，3的作用是，使ο光和e光產(chǎn)生一定大小的靜態(tài)光程差，該光程差的作用是消除彈光調(diào)制器產(chǎn)生的調(diào)制光程差的對稱性，從而使最終的有效調(diào)制光程差翻倍，之后，偏振光進(jìn)入第一級(jí)彈光調(diào)制器，彈光晶體的二維縱向振動(dòng)模式使得ο光方向和e光方向的折射率均得到改變，因此ο光和e光均得到有效調(diào)制，且該調(diào)制變化是相反的，因而所產(chǎn)生的調(diào)制光程差是可以翻倍，并在該彈光調(diào)制器中反射五次，之后再進(jìn)入第二級(jí)以及第三級(jí)彈光調(diào)制器，并重復(fù)在第一級(jí)中的反射情況，偏振光在彈光晶體中的反射效果如圖4所示，其入射角應(yīng)〈3°，以保證五次反射的光強(qiáng)處于彈光晶體中心IOmm范圍直徑內(nèi)。最后通過檢偏器5后產(chǎn)生干涉，并由探測器7采集，檢偏器5與起偏器2的偏振方向如圖3所示，它們的夾角成90° ;
[0037]所鍍制的全反射膜6應(yīng)選用金材料，該材料可保證在SOOnm?20 μ m波長范圍內(nèi)平均反射率Ravg>96%，可保證入射光在每級(jí)彈光調(diào)制器內(nèi)部產(chǎn)生反射以增加調(diào)制光程差，而不產(chǎn)生反射損失；并可與硒化鋅晶體自身極寬的通光范圍相匹配，保留了彈光調(diào)制干涉儀寬光譜范圍的特點(diǎn)；其鍍制面積應(yīng)覆蓋各自2組光反射點(diǎn)，并為偏振光的入射和出射預(yù)留一定空間，如圖5所示。
[0038]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，入射光在每塊彈光晶體內(nèi)進(jìn)行多次反射，從而減少了不必要的反射光能損失，并達(dá)到了光程差累加的目的，以硒化鋅彈光晶體為例，三級(jí)級(jí)聯(lián)的彈光調(diào)制器結(jié)合靜態(tài)雙折射晶體可使得本方案的調(diào)制光程差達(dá)到I. 5mm，光通量>30%，光譜范圍
O.85 ?20 μ m。
[0039]此處所說明的附圖及實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明技術(shù)方案而非對其限制；盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了較詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解；依然可以對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者對部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而不脫離本發(fā)明方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請求保護(hù)的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于：包括光源（I)，在所述光源（I)的出射光方向上設(shè)置有能將出射光調(diào)制為與水平方向成一夾角的起偏器（2)，在所述的起偏器（2)出射光方向上設(shè)有靜態(tài)雙折射晶體（3)，在所述靜態(tài)雙折射晶體（3)的出射光方向設(shè)有多個(gè)能使出射光產(chǎn)生多次反射的強(qiáng)光調(diào)制器（4)，在所述強(qiáng)光調(diào)制器（4)的出射光方向上設(shè)有檢偏器（5)，在所述檢偏器（5)出射光方向上設(shè)有能采集經(jīng)檢偏器（5)干涉后光線的探測器（7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于所述的強(qiáng)光調(diào)制器（4)包括有硒化鋅彈光晶體（9)，在所述的硒化鋅彈光晶體（9)兩端上分別連接有壓電石英晶體（8)，在所述的硒化鋅彈光晶體（9)入射光和出射光的端面上分別鍍有全反射膜⑶。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于所述的壓電石英晶體⑶為長方體，尺寸為50. 2mmX 17. ImmX 6. 4mm, xyt (-18. 5° )切型。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于所述的硒化鋅彈光晶體（9)為八角形，寬度為33. 2mm，厚度16mm，在所述八角形硒化鋅彈光晶體（9)內(nèi)設(shè)有半徑為6mm的內(nèi)倒角。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于所述的硒化鋅彈光晶體（9)的通光孔徑為以表面中心點(diǎn)為圓心，直徑6_的圓，所述全反射膜（6)的面積為通光孔徑的15%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于所述的夾角為45°。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于所述的全反射膜（6)為金全反射膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于所述的彈光調(diào)制器（4)工作在其基頻模態(tài)，且其基頻模態(tài)與硒化鋅晶體（9)基頻模態(tài)一致。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種級(jí)聯(lián)式大光程差彈光調(diào)制干涉儀，其特征在于所述的壓電石英晶體（8)的厚度大于硒化鋅晶體厚度。
【文檔編號(hào)】G01J3/45GK103776536SQ201310724087
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】陳友華, 張記龍, 王艷超, 魏海潮, 張瑞, 王立福, 黃艷飛, 王志斌, 張敏娟 申請人:中北大學(xué)