基于f-p標(biāo)準(zhǔn)具的瞬態(tài)高分辨率光譜儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于標(biāo)準(zhǔn)具的串接多通技術(shù)而設(shè)計(jì)的瞬態(tài)高分辨率光譜儀，主要 應(yīng)用于布里淵散射等高分辨率光譜測(cè)量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜分析一直是物理、化學(xué)、生物、材料等各個(gè)學(xué)科中最基本的分析測(cè)試方法之 一，而超高分辨率光譜技術(shù)則是這個(gè)領(lǐng)域最前沿最尖端的技術(shù)。
[0003] 現(xiàn)有的光譜分析技術(shù)中，一類是主要通過(guò)FP干涉儀實(shí)現(xiàn)高分辨率光譜的掃描 干涉儀，比如Burleigh公司研發(fā)的掃描FP干涉儀、JRS科學(xué)儀器公司研發(fā)的串接3+3布 里淵散射光譜儀，這類儀器現(xiàn)在已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)分辨率W = ^ >1〇6,銳度>90,對(duì)比度> ΔΑ 10000的分辨條件。由于它所具有的3+3串接多通系統(tǒng)，極大地提高了光譜的對(duì)比度。雖 然掃描光譜儀可以實(shí)現(xiàn)< IOMHz的掃描精度，但卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，無(wú)法測(cè)量脈沖信號(hào) (I-IOOns);除此之外，波長(zhǎng)計(jì)作為一種高分辨率光譜測(cè)量?jī)x器，在國(guó)內(nèi)外也得到了廣泛的 使用。波長(zhǎng)計(jì)一般可以得到IOMHz的分辨率，然而一般時(shí)間響應(yīng)都比較"慢"（微秒以上）， 仍然無(wú)法進(jìn)行瞬態(tài)測(cè)量，并且波長(zhǎng)計(jì)往往只給出一個(gè)波長(zhǎng)，無(wú)法給出光譜，當(dāng)其中存在多個(gè) 模式或者激光器有跳模時(shí)波長(zhǎng)計(jì)便無(wú)法滿足測(cè)量要求。
[0004] 另一類光譜儀可進(jìn)行單脈沖瞬態(tài)光譜的測(cè)量，它可應(yīng)用于自旋動(dòng)力波的研究，包 括載波調(diào)控和非線性效應(yīng)等瞬態(tài)效應(yīng)的研究，同時(shí)它也可應(yīng)用于受激光調(diào)制的海洋激光雷 達(dá)系統(tǒng)、大部分在脈沖激光栗浦條件下工作的隨機(jī)激光系統(tǒng)和納米激光器系統(tǒng)。其中，對(duì) 于激光雷達(dá)這種在復(fù)雜環(huán)境下工作的系統(tǒng)而言，不能實(shí)時(shí)測(cè)量更意味著工作效率的極大降 低，掃描對(duì)穩(wěn)定性要求太高，甚至導(dǎo)致儀器失去現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量能力。因此能同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量和 超精細(xì)光譜測(cè)量的光譜儀能在類似領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。
[0005] 2007年，法國(guó)科學(xué)家在Nature Photonics上發(fā)表了一篇文章，提出了一種非常緊 湊的傅里葉變換布里淵散射光譜儀結(jié)構(gòu)。這種光譜儀探測(cè)光波導(dǎo)倏逝波，然后通過(guò)傅里葉 變換得到光譜，原則上可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)測(cè)量，但是其最大的問(wèn)題是靈敏度比較低，信噪比要求 很高；同時(shí)，其光譜分辨率只能到幾百M(fèi)Hz量級(jí)，限制了它的應(yīng)用范圍。除此之外，近年來(lái)迅 速發(fā)展的光纖光譜儀可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光譜和瞬態(tài)光譜的測(cè)量，但受CCD或其他光敏陣列元件 的限制，其光譜分辨率較低，同樣不能滿足需要高分辨率光譜測(cè)量的場(chǎng)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中高分辨率光譜和瞬態(tài)光譜測(cè)量不能兼得的缺陷，本發(fā)明所要 解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能在獲得高分辨率的同時(shí)，大幅度提高靈敏度的，且能測(cè)量單 脈沖瞬態(tài)光譜的光譜儀。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所提供的一種高分辨率光譜儀，其特征在于，由信 號(hào)入射端起依次包括光束變換器，偏振棱鏡，1/2波片，分光系統(tǒng)，三個(gè)反射鏡呈環(huán)形串接， 其中偏振棱鏡，1/2波片以及三個(gè)呈環(huán)形串接的反射鏡構(gòu)成環(huán)形腔系統(tǒng)。最終信號(hào)回射入偏 振棱鏡，f彡〇. 8m的長(zhǎng)焦定焦透鏡，CXD ((XD可以是IC⑶或者EMCCD，根據(jù)實(shí)際需要）。所 述光束變換器由信號(hào)輸入端起依次包括透鏡，光闌，透鏡，柱面透鏡。所述分光系統(tǒng)由一個(gè) 或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具組成，多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具指的是兩個(gè)及以上的標(biāo)準(zhǔn)具，多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜范圍 要求必須滿足整數(shù)比例關(guān)系。比如我們可以將一個(gè)定腔長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具和一個(gè)可變腔長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具串 接。透出柱面鏡的信號(hào)依次經(jīng)過(guò)定腔長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具，可變光學(xué)腔長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具，二者位置可互換。
[0008] 本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題的方案是：入射信號(hào)首先經(jīng)過(guò)光束變換器中的準(zhǔn)直系統(tǒng)變?yōu)?平行光，然后通過(guò)柱透鏡后變成柱面波，柱面波入射到偏振棱鏡上，其中P分量經(jīng)1/2波片 后變?yōu)閟分量，接著進(jìn)入由定腔長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具+可變光學(xué)腔長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具所組成的分光系統(tǒng)，分光后 的光線順時(shí)針經(jīng)過(guò)環(huán)形腔系統(tǒng)后會(huì)再次被偏振棱鏡反射進(jìn)入1/2波片，這時(shí)s分量經(jīng)1/2 波片后又重新變?yōu)镻分量，再次順時(shí)針通過(guò)環(huán)形腔系統(tǒng)。最終透過(guò)偏振棱鏡到達(dá)聚焦元件， 通過(guò)聚焦元件的聚焦使不同波長(zhǎng)的光在透鏡的后焦面上將形成分離的點(diǎn)狀光譜，最后使用 CCD在透鏡的后焦面對(duì)信號(hào)進(jìn)行成像，完成光譜的測(cè)量；而最初的s分量被任意光學(xué)表面反 射后逆時(shí)針經(jīng)環(huán)形腔系統(tǒng)射出系統(tǒng)。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：利用本發(fā)明提供的瞬態(tài)高分辨率光譜儀，由于使用了柱 透鏡和法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具組成的光譜儀，出射信號(hào)只在X方向有空間頻率，y方向仍然保 持平面波特性，因此這種光譜儀使得原本等傾干涉條紋每一級(jí)光譜中，原來(lái)分散在圓環(huán)上 的信號(hào)的能量集中在兩個(gè)點(diǎn)上，增強(qiáng)了信號(hào)的強(qiáng)度和信噪比，顯著提高了信號(hào)的強(qiáng)度以及 接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度，從而提高了系統(tǒng)對(duì)弱信號(hào)的探測(cè)靈敏度；又由于采用標(biāo)準(zhǔn)具的 空間角度分光替代了掃描干涉儀的腔長(zhǎng)掃描分光，因此可以滿足大多數(shù)瞬態(tài)光譜的測(cè)量； 同時(shí)又開(kāi)發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)具的串接多通技術(shù)，因此如果兩塊標(biāo)準(zhǔn)具的厚度為整數(shù)倍關(guān)系，則厚標(biāo) 準(zhǔn)具的級(jí)次是薄標(biāo)準(zhǔn)具的m倍，最終主極大的位置由薄標(biāo)準(zhǔn)具決定；同時(shí)，主極大的寬度則 由厚標(biāo)準(zhǔn)具決定。最終使得串接標(biāo)準(zhǔn)具系統(tǒng)在保持其瞬態(tài)信號(hào)分光能力的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了大 的自由光譜范圍（FSR)和窄的譜線寬度。同理，多通技術(shù)實(shí)際上等價(jià)于兩個(gè)全同標(biāo)準(zhǔn)具的 串接，F(xiàn)SR沒(méi)有明顯變化，但是譜線寬度會(huì)被進(jìn)一步壓縮。
[0010] 因此分光系統(tǒng)中定腔長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具+可變光學(xué)腔長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具的光路配置方案既可以調(diào) 節(jié)至兩標(biāo)準(zhǔn)具厚度成倍數(shù)關(guān)系，用于分辨率要求不是非常高，但是自由光譜要求比較寬的 情況；也可以調(diào)節(jié)至兩標(biāo)準(zhǔn)具等厚，用于小自由光譜范圍精細(xì)光譜的測(cè)量