專利名稱：一種寬頻帶光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于光學(xué)活性色散原理的寬頻帶光譜儀，主要應(yīng)用在光 譜分析和光譜測(cè)量方面，也可用于材料的結(jié)構(gòu)分析和光學(xué)吸收及反射測(cè)量、工 業(yè)過(guò)程控制如高溫測(cè)量和氣體成份分析領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光譜分析和光譜測(cè)量是工程技術(shù)以及科學(xué)研究中廣泛涉及的一個(gè)研究課 題。廣泛應(yīng)用的光譜范圍是從紫外、可見(jiàn)至紅外光波。紫外至可見(jiàn)光波范圍內(nèi) 的光譜儀釆用的是光柵和棱鏡色散分光技術(shù)，而紅外光譜儀釆用的是光柵、棱
鏡色散和邁克耳孫(Michelson)干涉儀技術(shù)(傅立葉變換光譜儀)。但釆用 一套光 柵系統(tǒng)或鏡色散分光技術(shù)不能滿足從紫外至紅外光波的光譜測(cè)量。先進(jìn)的光譜 儀須要具備兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即多路性優(yōu)點(diǎn)和高通量?jī)?yōu)點(diǎn)。多路性優(yōu)點(diǎn)為用一個(gè)探測(cè) 器同時(shí)測(cè)量所有的光譜元，與多通道測(cè)量情況相當(dāng)。多通路的特性還有助于提 高信噪比。高通量?jī)?yōu)點(diǎn)是無(wú)須釆用通常色散型儀器上要用到的狹縫，因此具有 更大的輻射通量和更高的測(cè)量靈敏度。先進(jìn)的光譜儀還須具備高準(zhǔn)確度、高分 辨本領(lǐng)、寬光譜范圍和低雜散輻射的特點(diǎn)。光柵和棱鏡色散分光技術(shù)不具備多 路性優(yōu)點(diǎn)和高通量?jī)?yōu)點(diǎn)。傅立葉變換光譜儀能同時(shí)將整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射都 送到探測(cè)器上，因此具備多路性和髙通量?jī)?yōu)點(diǎn)。但是基于邁克耳孫干涉儀技術(shù) 的傅立葉變換光譜儀只能局限于紅外波段范圍。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于光學(xué)活性色散原理的寬頻帶光譜儀。 本實(shí)用新型的目的是通過(guò)如下途徑實(shí)現(xiàn)的 一種寬頻帶光譜儀，它包括光源、光源準(zhǔn)直系統(tǒng)、起偏振器、光學(xué)活性物質(zhì)構(gòu)成的偏振旋轉(zhuǎn)片、檢偏振器、 探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，光源準(zhǔn)直系統(tǒng)由兩個(gè)棱鏡組成，在光源至探測(cè)器 的光路上依次排列安裝有光源、光源準(zhǔn)直系統(tǒng)、起偏振器、光學(xué)活性物質(zhì)構(gòu)成 的偏振旋轉(zhuǎn)片、檢偏振器、聚光棱鏡及探測(cè)器；樣品池中心部位設(shè)于兩個(gè)棱鏡 的焦面位置，探測(cè)器置于聚光棱鏡的焦點(diǎn)位置，所述的檢偏振器由偏振器、步 進(jìn)電機(jī)及碼盤構(gòu)成，計(jì)算機(jī)控制旋轉(zhuǎn)偏振器的角度掃描速度和步長(zhǎng)并記取探測(cè) 器的光強(qiáng)。
所述的光譜儀具有兩種調(diào)節(jié)操作形式， 一種是起偏振器固定，檢偏振器旋
轉(zhuǎn)；另一種是起偏振器旋轉(zhuǎn)，檢偏振器固定。光源采用非相干光源或相干光源。
探測(cè)器釆用光電倍增管或光敏二極管。
本實(shí)用新型寬頻帶光譜儀是一種能夠用于紫外至紅外光波段的寬頻帶光譜 測(cè)量的傅立葉變換光譜儀。與傳統(tǒng)棱鏡色散技術(shù)相比本實(shí)用新型無(wú)須釆用色散 型儀器上要用到的狹縫，因此具有大的輻射通量和高的測(cè)量靈敏度。它具有寬 頻帶、高分辯率、多路性和高通量的優(yōu)點(diǎn)。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的目的和實(shí)現(xiàn)途徑作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明
圖i為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本實(shí)用新型的原理示意圖； 圖3為本實(shí)用新型的另 一個(gè)原理示意圖； 圖4為a-石英旋光率的色散函數(shù)。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型為一種基于光學(xué)活性色散原理的寬頻帶光譜儀，如

圖1所示， 它包括光源l、光源準(zhǔn)直系統(tǒng)、起偏振器4、光學(xué)活性物質(zhì)構(gòu)成的偏振旋轉(zhuǎn)片5、檢偏振器6、探測(cè)器8和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)9，光源準(zhǔn)直系統(tǒng)由兩棱鏡2組成， 其特征在于在光源1至探測(cè)器8的光路上依次排列安裝有光源1、光源準(zhǔn)直系 統(tǒng)、起偏振器4、光學(xué)活性物質(zhì)構(gòu)成的偏振旋轉(zhuǎn)片5、檢偏振器6、聚光棱鏡7 及探測(cè)器8;樣品池3中心部位設(shè)于兩棱鏡2的焦面位置，所述的探測(cè)器8置于 聚光棱鏡7的焦點(diǎn)位置，所述的檢偏振器6由偏振器ll、步進(jìn)電機(jī)及碼盤10構(gòu) 成，計(jì)算機(jī)9控制旋轉(zhuǎn)偏振器6的角度掃描速度和步長(zhǎng)并記取探測(cè)器8的光強(qiáng)。
探測(cè)器8釆用光電倍增管或光敏二極管。光源1釆用非相干光源或相干光 源即激光。
本實(shí)用新型提供一種寬頻帶光譜儀，其工作原理是由光源1輻射的光波經(jīng) 準(zhǔn)直系統(tǒng)后通過(guò)起偏振器4形成平面偏振光波，平面偏振光波通過(guò)由光學(xué)活性 材料構(gòu)成的偏振旋轉(zhuǎn)片5后不同波長(zhǎng)的入射光波具有不同的偏振面旋轉(zhuǎn)角，通 過(guò)旋轉(zhuǎn)置于偏振旋轉(zhuǎn)片5與探測(cè)器8之間的檢偏振器6并記錄透射光的強(qiáng)度和 檢偏振器6的旋轉(zhuǎn)角度即可進(jìn)行光譜測(cè)量和光譜分析。
如圖2、圖3所示，通過(guò)起偏振器4后，光波的振動(dòng)方向平行于起偏振器4 的偏振方向，平面偏振光波通過(guò)由透明光學(xué)活性材料構(gòu)成的偏振旋轉(zhuǎn)片5，設(shè)偏 振旋轉(zhuǎn)片5的厚度為d,偏振旋轉(zhuǎn)片5的法向平行于光學(xué)活性材料的光軸方向， 透過(guò)偏振旋轉(zhuǎn)片5后透射偏振光波的偏振面相對(duì)于入射光波的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。 由于光學(xué)活性的色散效應(yīng)，不同波長(zhǎng)A的入射光波具有不同的偏振面旋轉(zhuǎn)角e， 表示為e=P(A)d,式中p為旋光率，是入射光波長(zhǎng)的函數(shù)。將一可控制旋轉(zhuǎn) 的檢偏振器6置于光路中的偏振旋轉(zhuǎn)片5與探測(cè)器8之間。當(dāng)檢偏振器6的偏 振方向與起偏振器4的偏振方向間的夾角為cp時(shí)，檢偏振器6的偏振方向與透
射光偏振面的夾角為cp-e。設(shè)波長(zhǎng)為a的入射光的光強(qiáng)為i。(e)。通過(guò)檢偏振 器 6 后這一波長(zhǎng)的透射光的強(qiáng)度為 iQ(e)C0S2((p-e)， 或i。(e) [1+園2(9-e)]/2。根據(jù)強(qiáng)度疊加原理，探測(cè)器8記錄的強(qiáng)度為所有波長(zhǎng)
光強(qiáng)的總和，為夾角cp的函數(shù)I ((p)。因此I 可表達(dá)為如下的卷積形式
<formula>formula see original document page 6</formula>
對(duì)上兩邊取傅立葉變換得到
F[cos…)]
通過(guò)旋轉(zhuǎn)檢偏振器6并記錄角度cp和透射光的強(qiáng)度可由上式計(jì)算光譜的傅立葉 變換函數(shù)F[I。(cp)]。對(duì)F[I。((p)]進(jìn)行傅立葉變換的反演即可得到與偏振面旋轉(zhuǎn)
角e相關(guān)的光譜i。(e),即io(e)=F-i[i。(d))]。旋轉(zhuǎn)角e是波長(zhǎng)入的單值 函數(shù)。通過(guò)旋光率的色散函數(shù)p (人)及偏振旋轉(zhuǎn)片5的厚度值d可計(jì)算與旋轉(zhuǎn)
角9=p (A)d對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)相關(guān)的光譜函數(shù)1。(入)。a-石英a-Si02是一種常用 的光學(xué)活性晶體材料，其旋光率色散函數(shù)p (入)如圖4所示。根據(jù)a-石英的
旋光率色散函數(shù)p (入)，可求得波長(zhǎng)a與旋轉(zhuǎn)角e之間的函數(shù)關(guān)系，如下式
所示
0.03896 + 0.13637
2.74129x10—
+ 4.39723xl0—7
3 " -3.3064x10—m
乂
式中波長(zhǎng)a的單位為微米，旋轉(zhuǎn)角e的單位為度，偏振旋轉(zhuǎn)片5的厚度d的 單位為毫米。
通過(guò)上述分析可以看出本實(shí)用新型是一種傅立葉變換光譜儀?；诠鈱W(xué)活 性色散原理的寬頻帶光譜儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示?？尚D(zhuǎn)檢偏振器由偏振器、 步進(jìn)電機(jī)和碼盤構(gòu)成，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制檢偏振器6的角度掃描速度和步長(zhǎng)。
構(gòu)成偏振旋轉(zhuǎn)片5的材料為固態(tài)光學(xué)活性物質(zhì)和液態(tài)光學(xué)活性物質(zhì)；所述 的固態(tài)光學(xué)活性物質(zhì)是指a-石英a-Si02、碘酸鋰LiIO" a -碘酸a-HI03、辰砂HgS、碲Te中任意一種，所述的液態(tài)光學(xué)活性物質(zhì)是指液晶和蔗糖溶液中任 意一種。液態(tài)光學(xué)活性物質(zhì)被放入透明玻璃器皿中構(gòu)成偏振旋轉(zhuǎn)片5。
基于光學(xué)活性色散原理的寬頻帶光譜儀的探測(cè)頻帶寬度取決于光源的輻射 光譜范圍、棱鏡2及偏振器11的工作波長(zhǎng)范圍、光學(xué)活性材料的厚度及透明波 長(zhǎng)范圍、探測(cè)器8的探測(cè)波段范圍。對(duì)于常用的ci-石英晶體,其透明波長(zhǎng)范圍 為O. 18至3.6微米。本實(shí)用新型的分辨率取決于檢偏振器旋轉(zhuǎn)的步長(zhǎng)值。如果 采用步進(jìn)電機(jī)和24位的碼盤10,旋轉(zhuǎn)角度的分辨率可達(dá)4X10-5度。步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)的檢偏振器的角度掃描范圍為360度。通過(guò)改變光學(xué)活性材料的厚度d也 可改變本實(shí)用新型的分辨率。
所述的光譜儀具有兩種調(diào)節(jié)操作形式， 一種是起偏振器4固定，檢偏振器6 旋轉(zhuǎn)；另一種起偏振器4旋轉(zhuǎn)，檢偏振器6固定。釆用邁克耳孫干涉儀技術(shù)的 傅立葉變換光譜儀是基于光學(xué)干涉原理，而本實(shí)用新型是基于光學(xué)活性色散原 理。本實(shí)用新型中的旋轉(zhuǎn)檢偏振器6替代基于邁克耳孫干涉儀技術(shù)的傅立葉變 換光譜儀中的動(dòng)鏡。與傳統(tǒng)棱鏡色散技術(shù)相比本實(shí)用新型無(wú)須釆用色散型儀器 上要用到的狹縫，因此具有大的輻射通量和高的測(cè)量靈敏度。寬頻帶光譜儀具 有寬頻帶、多路性和高通量的優(yōu)點(diǎn)。釆用步進(jìn)電機(jī)和碼盤10技術(shù)，本實(shí)用新型 可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制和高速測(cè)量。
權(quán)利要求1.一種寬頻帶光譜儀，它包括光源(1)、光源準(zhǔn)直系統(tǒng)、起偏振器(4)、光學(xué)活性物質(zhì)構(gòu)成的偏振旋轉(zhuǎn)片(5)、檢偏振器(6)、探測(cè)器(8)和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)(9)，光源準(zhǔn)直系統(tǒng)由兩個(gè)棱鏡(2)組成，其特征在于在光源(1)至探測(cè)器(8)的光路上依次排列安裝有光源(1)、光源準(zhǔn)直系統(tǒng)、起偏振器(4)、光學(xué)活性物質(zhì)構(gòu)成的偏振旋轉(zhuǎn)片(5)、檢偏振器(6)、聚光棱鏡(7)及探測(cè)器(8)；樣品池(3)中心部位設(shè)于兩個(gè)棱鏡(2)的焦面位置，探測(cè)器(8)置于聚光棱鏡(7)的焦點(diǎn)位置，所述的檢偏振器(6)由偏振器(11)、步進(jìn)電機(jī)及碼盤(10)構(gòu)成，計(jì)算機(jī)(9)控制旋轉(zhuǎn)偏振器(6)的角度掃描速度和步長(zhǎng)并記取探測(cè)器(8)的光強(qiáng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶光譜儀，其特征在于所述的光譜儀具 有兩種調(diào)節(jié)操作形式， 一種是起偏振器(4)固定，檢偏振器(6)旋轉(zhuǎn)；另一種是 起偏振器(4)旋轉(zhuǎn)，檢偏振器(6)固定。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶光譜儀，其特征在于光源(l)釆用非 相干光源或相干光源。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶光譜儀，其特征在于探測(cè)器(8)釆用 光電倍增管或光敏二極管。
專利摘要本實(shí)用新型寬頻帶光譜儀主要應(yīng)用在光譜分析和光譜測(cè)量方面，也可用于材料的結(jié)構(gòu)分析和光學(xué)吸收及反射測(cè)量、工業(yè)過(guò)程控制如高溫測(cè)量和氣體成份分析領(lǐng)域。它包括光源(1)、光源準(zhǔn)直系統(tǒng)、起偏振器(4)、光學(xué)活性物質(zhì)構(gòu)成的偏振旋轉(zhuǎn)片(5)、檢偏振器(6)、探測(cè)器(8)和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)(9)，光源準(zhǔn)直系統(tǒng)由兩棱鏡(2)組成，其特征在于在光源(1)至探測(cè)器(8)的光路上依次排列安裝有光源(1)、光源準(zhǔn)直系統(tǒng)、起偏振器(4)、光學(xué)活性物質(zhì)構(gòu)成的偏振旋轉(zhuǎn)片(5)、檢偏振器(6)、聚光棱鏡(7)及探測(cè)器(8)。本實(shí)用新型寬頻帶光譜儀它具有寬頻帶、多路性和高通量的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J3/28GK201368771SQ20092006349
公開(kāi)日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月5日
發(fā)明者譚成忠 申請(qǐng)人:譚成忠