專利名稱：一種無可動機(jī)械部件的傅立葉變換光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于法拉第(Faraday)旋光色散原理的傅立葉變換光譜儀。本發(fā)明在光譜分析和光譜測量方面具有特殊用途，但也可廣泛用于材料的結(jié)構(gòu)分析和光學(xué)吸收及反射測量、工業(yè)過程控制如高溫測量和氣體成分分析領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光譜分析和光譜測量是工程技術(shù)以及科學(xué)研究中普遍涉及的一個研究課題。廣泛應(yīng)用的光譜范圍是從紫外、可見至紅外光波段。紫外至可見光波范圍內(nèi)的光譜儀通常采用的是光柵和棱鏡色散分光技術(shù)，而紅外光譜儀采用的是光柵、棱鏡色散和邁克耳孫 (Michelson)干涉儀技術(shù)。但采用一套光柵系統(tǒng)或色散分光棱鏡不能完成從紫外至紅外光波段的光譜測量。先進(jìn)的光譜儀必須具備兩個優(yōu)點(diǎn)，即多路性優(yōu)點(diǎn)和高通量優(yōu)點(diǎn)。多路性優(yōu)點(diǎn)為用一個光探測器同時測量所有的光譜元，與多通道測量情況相當(dāng)。多通路的特性還有助于提高信噪比。高通量優(yōu)點(diǎn)是無須采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量靈敏度。先進(jìn)的光譜儀還必須具備高精確度、高分辨本領(lǐng)、寬光譜探測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)和高通量優(yōu)點(diǎn)。傅立葉變換光譜儀能同時將整個波長范圍內(nèi)的輻射都聚集到光探測器上，因此具備多路性和高通量優(yōu)點(diǎn)。但是基于邁克耳孫干涉儀技術(shù)的傅立葉(Rmrier)變換光譜儀的應(yīng)用只能局限于紅外波段和微波波段范圍。因此研制具有多路性和高通量優(yōu)點(diǎn)的寬頻帶(從紫外至紅外波段)光譜儀成為光譜分析和光譜測量領(lǐng)域中的重要課題。在光柵光譜儀和棱鏡色散光譜儀中，空間分散的光譜成份通過移動光探測器來分析；而在基于邁克耳孫干涉儀技術(shù)的傅立葉變換光譜儀則需要一面來回移動的反射鏡來產(chǎn)生雙光束干涉。因此在現(xiàn)有的光譜儀中均包含有可動機(jī)械部件，這一特性降低了儀器的機(jī)械可靠性和穩(wěn)定性、延長了光譜測量時間，不能對瞬變光波的光譜進(jìn)行高速測量。本發(fā)明提供的一種無可動機(jī)械部件傅立葉變換光譜儀可以克服現(xiàn)有光譜儀的局限。本發(fā)明是基于法拉第旋光色散原理平面偏振光波通過置于磁場中的透明介質(zhì)材料后不同波長的入射光波具有不同的偏振面旋轉(zhuǎn)角。平行于入射光方向的縱向交變磁場由通電螺線管產(chǎn)生。透明介質(zhì)材料置于兩偏振器之間。通過探測透射光波的光強(qiáng)和縱向磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度即可進(jìn)行光譜分析和光譜測量。本發(fā)明提供的光譜儀具有寬頻帶、重復(fù)性好、多路性和高通量的優(yōu)點(diǎn)。本技術(shù)發(fā)明人已獲授權(quán)的一種寬頻帶光譜儀(專利號200910042791. 3)，具有寬頻帶、多路性和高通量的優(yōu)點(diǎn)。平面偏振光波通過由光學(xué)活性介質(zhì)材料構(gòu)成的偏振旋轉(zhuǎn)片后不同波長的入射光波具有不同的偏振面旋轉(zhuǎn)角。通過旋轉(zhuǎn)置于偏振旋轉(zhuǎn)片與光探測器之間的偏振器并記錄透射光的強(qiáng)度和偏振器的旋轉(zhuǎn)角度即可進(jìn)行光譜分析和光譜測量。該寬頻帶光譜儀可應(yīng)用于紫外至紅外波段的光譜測量。本發(fā)明與已獲授權(quán)的寬頻帶光譜儀相比，其原理和結(jié)構(gòu)完全不同。本發(fā)明是一種基于法拉第旋光色散原理的傅立葉變換光譜儀，而已獲授權(quán)的寬頻帶光譜儀是基于光學(xué)活性色散原理；本發(fā)明所涉及的傅立葉變換光譜儀中沒有可動機(jī)械部件，而已獲授權(quán)的寬頻帶光譜儀需要旋轉(zhuǎn)偏振器才能實(shí)現(xiàn)其光譜測量功能。由于這一結(jié)構(gòu)上的完全不同，本發(fā)明與現(xiàn)有的光譜儀及光譜儀的專利技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定、重復(fù)性好、測量時間短的優(yōu)點(diǎn)。因此本發(fā)明可為高速光譜測量提供一種可靠的技術(shù)手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于法拉第旋光色散原理的傅立葉變換光譜儀。本發(fā)明的目的是通過如下途徑實(shí)現(xiàn)的一種無可動機(jī)械部件的傅立葉變換光譜儀，它包括光源、透鏡、偏振器、偏振面旋轉(zhuǎn)器、光探測器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征為在光源至光探測器的光路上依次排列安裝有光源、準(zhǔn)直透鏡、起偏振器、偏振面旋轉(zhuǎn)器、檢偏振器、 聚光透鏡及光探測器；光源置于準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)位置，光探測器置于聚光透鏡的焦點(diǎn)位置， 所述的偏振面旋轉(zhuǎn)器由透明介質(zhì)材料、帶間隙和通孔的環(huán)形鐵磁體、螺線管、交流供電器和磁傳感器組成，透明介質(zhì)材料置于環(huán)形鐵磁體的間隙位置，螺線管環(huán)繞于環(huán)形鐵磁體之上， 通電螺線管由交流供電器供電，磁傳感器置于環(huán)形鐵磁體內(nèi)用于探測鐵磁體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，入射光經(jīng)由環(huán)形鐵磁體中的通孔透過透明介質(zhì)材料，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記取光探測器的光強(qiáng)和磁傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供的一種無可動機(jī)械部件的傅立葉變換光譜儀能夠用于從紫外至紅外波段的光譜測量，具有寬頻帶、多路性和高通量的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的光譜儀以及已有光譜儀的專利技術(shù)相比，由于沒有可動機(jī)械部件，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定和重復(fù)性好的特點(diǎn)，可為高速光譜測量提供一種可靠的技術(shù)手段。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的目的和實(shí)現(xiàn)途徑作進(jìn)一步詳細(xì)說明 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明的原理示意圖； 圖3為石英玻璃維爾德(Verdet)系數(shù)的色散函數(shù)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是一種基于法拉第旋光色散原理的傅立葉變換光譜儀，如圖1所示，它包括光源1、準(zhǔn)直透鏡2、起偏振器3、偏振面旋轉(zhuǎn)器4、檢偏振器5、聚光透鏡6、光探測器7及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8 ；光源1置于準(zhǔn)直透鏡2的焦點(diǎn)位置，光探測器7置于聚光透鏡6的焦點(diǎn)位置，所述的偏振面旋轉(zhuǎn)器4由透明介質(zhì)材料9、帶間隙和通孔的環(huán)形鐵磁體10、螺線管11、交流供電器12和磁傳感器13組成，透明介質(zhì)材料9置于環(huán)形鐵磁體10的間隙位置，螺線管 11環(huán)繞于環(huán)形鐵磁體10之上，通電螺線管11由交流供電器12供電，磁傳感器13置于環(huán)形鐵磁體10內(nèi)用于探測磁感應(yīng)強(qiáng)度，入射光經(jīng)由環(huán)形鐵磁體中的通孔透過透明介質(zhì)材料9， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8記取光探測器7的光強(qiáng)和磁傳感器13的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。本發(fā)明所述偏振面旋轉(zhuǎn)器中的透明介質(zhì)材料9為一種具有較大維爾德系數(shù)的各向同性透明晶體材料，如立方晶系的釔鐵石榴石，或者為一種透明玻璃材料，如鉛玻璃、石英玻璃等；所述環(huán)形鐵磁體10由一種鐵磁材料(鐵!^，鈷Co，鎳Ni及其合金)，或者一種鐵氧體材料組成；所述起偏振器3和檢偏振器5為兩個格蘭-傅科(Glan-Foucault)起偏棱鏡，或兩個格蘭-湯普生(Glan-Thompson)起偏棱鏡，或兩個對角斜面鍍有多層介質(zhì)膜的偏振分光立方體；所述光探測器7為一光電倍增管，或一光敏電阻、或一光電池、或一光敏二極管、或一光敏三極管、或?yàn)樗銎骷膬蓚€或多個組合；所述磁傳感器13為一霍耳 (Hall)元件、或一磁敏二極管、或一磁敏三極管；所述光源1為相干光源或者非相干光源， 或者為由被測物體輻射的光波。被測光波經(jīng)由光纖傳導(dǎo)至準(zhǔn)直透鏡2的焦點(diǎn)位置。
本發(fā)明的工作原理為當(dāng)交流供電器12與螺線管11聯(lián)接后，在環(huán)形鐵磁體10內(nèi)產(chǎn)生交變感應(yīng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小為
式中μ為環(huán)形鐵磁體10的磁導(dǎo)率，k為螺線管11單位長度上的線圈匝數(shù)，J為線圈中的電流。感應(yīng)磁場的方向平行于環(huán)形鐵磁體10內(nèi)的通孔軸向及入射光的傳播方向。磁傳感器13探測環(huán)形鐵磁體10內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)環(huán)形鐵磁體10內(nèi)通孔的直徑與間隙寬度相比足夠小時，這一磁感應(yīng)強(qiáng)度等于施加于透明介質(zhì)材料9上的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由于鐵磁材料具有很大的磁導(dǎo)率，因此在相同的螺線管參數(shù)和電流條件下，環(huán)形鐵磁體相對于非鐵磁材料構(gòu)成的環(huán)體能產(chǎn)生更大的磁場，因而產(chǎn)生更大的法拉第偏振面旋轉(zhuǎn)。帶環(huán)形鐵芯的螺線管相對于直線型空心螺線管具有高磁感應(yīng)強(qiáng)度、小的磁阻和優(yōu)良的磁屏蔽性能。如圖2所示，由光源1輻射的光波經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2后通過起偏振器3，形成一束準(zhǔn)直的平面偏振光。光波的振動方向平行于起偏振器3的偏振方向P-P。平面偏振光波經(jīng)由環(huán)形鐵磁體10中的通孔透過透明介質(zhì)材料9。由于法拉第效應(yīng)，在感應(yīng)磁場的作用下入射偏振光通過透明介質(zhì)材料9后偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。由于色散效應(yīng)，不同波長λ的入射光波具有不同的偏振面旋轉(zhuǎn)角θ (λ)。在法拉第效應(yīng)中，偏振面旋轉(zhuǎn)角表示為
Θ(Λ) = F(X)Bd ,
式中d為透明介質(zhì)材料9的厚度，V為維爾德(Verdet)系數(shù)，它是入射光波長的函數(shù) V(A)0在透明波段范圍內(nèi)維爾德系數(shù)及偏振面旋轉(zhuǎn)角隨入射光波長的增加而減小，如圖2 所示。將偏振面旋轉(zhuǎn)器4置于兩偏振器3和5之間，當(dāng)檢偏振器5的偏振方向A-A與起偏振器3的偏振方向P-P間的夾角為Φ時，檢偏振器5的偏振方向A-A與波長為λ的透射光波偏振面的夾角為Φ-θ (λ)。設(shè)波長為λ的入射光波的光譜強(qiáng)度為S(X)。通過檢偏振器5后這一波長的透射光波的光譜強(qiáng)度為SU) cos2 [φ-θ (λ)],或SU)/2+SU) οο8{2[Φ-Θ (λ)]}/2。當(dāng)檢偏振器5的偏振方向A-A與起偏振器3的偏振方向P-P平行時，Φ=0。在此情況下透射光譜強(qiáng)度為SU)/2+SU)cos[2 0 (λ)]/2。根據(jù)強(qiáng)度疊加原理，光探測器7所記錄的強(qiáng)度為所有波長光譜強(qiáng)度的總和，為磁感應(yīng)強(qiáng)度B的函數(shù)I (B)， 因此I (B)可表達(dá)為如下的積分形式上式右邊的第一積分為一常數(shù)，與磁感應(yīng)強(qiáng)度無關(guān)，而第二積分隨偏振面旋轉(zhuǎn)角度變化，是磁感應(yīng)強(qiáng)度B的函數(shù)，令其為Δ I (B)/2，即
權(quán)利要求
1.一種無可動機(jī)械部件的傅立葉變換光譜儀，它包括光源(1)、準(zhǔn)直透鏡O)、起偏振器(3)、偏振面旋轉(zhuǎn)器(4)、檢偏振器( 、聚光透鏡(6)、光探測器(7)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(8)， 其特征為在光源(1)至光探測器(7)的光路上依次排列安裝有光源(1)、準(zhǔn)直透鏡O)、起偏振器(3)、偏振面旋轉(zhuǎn)器G)、檢偏振器(5)、聚光透鏡(6)及光探測器(7)；光源(1)置于準(zhǔn)直透鏡O)的焦點(diǎn)位置，光探測器(7)置于聚光透鏡(6)的焦點(diǎn)位置，所述的偏振面旋轉(zhuǎn)器⑷由透明介質(zhì)材料(9)、帶間隙和通孔的環(huán)形鐵磁體(10)、螺線管(11)、交流供電器(1 和磁傳感器(1 組成，透明介質(zhì)材料(9)置于環(huán)形鐵磁體(10)的間隙位置，螺線管(11)環(huán)繞于環(huán)形鐵磁體(10)之上，通電螺線管(11)由交流供電器(1 供電，磁傳感器 (13)置于環(huán)形鐵磁體(10)內(nèi)用于探測環(huán)形鐵磁體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，入射光經(jīng)由環(huán)形鐵磁體(10)中的通孔透過透明介質(zhì)材料(9)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)⑶記取光探測器(7)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)和磁傳感器(1 的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種無可動機(jī)械部件的傅立葉變換光譜儀，其特征為所述透明介質(zhì)材料(9)為一種各向同性的透明晶體材料，如立方晶系的釔鐵石榴石，或者一種透明玻璃材料，如鉛玻璃、石英玻璃。
3.如權(quán)利要求1所述的一種無可動機(jī)械部件的傅立葉變換光譜儀，其特征為所述帶間隙和通孔的環(huán)形鐵磁體(10)由一種鐵磁材料(鐵狗，鈷Co，鎳Ni及其合金)，或者一種鐵氧體材料組成。
4.如權(quán)利要求1所述的一種無可動機(jī)械部件的傅立葉變換光譜儀，其特征為所述光源(1)為相干光源或者非相干光源，或者為被測物體的輻射光波，被測光波經(jīng)由光纖傳導(dǎo)至準(zhǔn)直透鏡O)的焦點(diǎn)位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種傅立葉變換光譜儀，其特征為在光源至光探測器的光路上依次安裝有光源、準(zhǔn)直透鏡、起偏振器、偏振面旋轉(zhuǎn)器、檢偏振器、聚光透鏡及光探測器，所述偏振面旋轉(zhuǎn)器由透明介質(zhì)材料、帶間隙和通孔的環(huán)形鐵磁體、螺線管、交流供電器和磁傳感器組成，介質(zhì)材料置于環(huán)體的間隙位置，螺線管環(huán)繞于環(huán)體之上，通電螺線管由交流供電器供電，磁傳感器置于環(huán)體內(nèi)用于探測磁感應(yīng)強(qiáng)度，入射光經(jīng)由環(huán)體中的通孔透過介質(zhì)材料，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記取光探測器的光強(qiáng)和磁傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。本發(fā)明涉及的光譜儀中不包含可動機(jī)械部件，具有結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定、重復(fù)性好、寬頻帶、多路性和高通量的優(yōu)點(diǎn)，可為高速光譜測量提供一種可靠的技術(shù)手段。
文檔編號G01J3/28GK102313597SQ20111023063
公開日2012年1月11日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者譚成忠 申請人:譚成忠