CN103076090B - 一种激光干涉仪光程差定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构简单、紧凑的光路折叠激光干涉仪系统，用于傅里叶变换光谱仪动镜、定镜两路光程差精确定位。通过采用空间上布局紧凑的角锥回射器和反射镜组合，激光干涉仪的动臂光路被折叠4次，干涉仪产生的干涉图样周期缩短4倍。通过过零点检测电路的光电转换，可产生小于100纳米的等光程差间隔脉冲信号，用于触发傅里叶变换光谱仪的探测器对待测信号干涉图样的采样。本发明提出的激光干涉仪系统不仅可以将傅里叶变换光谱仪的工作光谱范围向短波段拓展至近紫外(~350纳米)，还同时保持了傅里叶变换光谱仪的高测量精度(Connes)优点。据此实现的紫外-可见光傅里叶变换光谱仪可在化学、生物、医药、材料、光学等诸多领域得到广泛应用。
Description
技术领域
本发明为一种激光干涉仪光程差定位方法及系统。
背景技术
相比于色散型分光光谱仪，傅里叶变换光谱仪在长波红外波段具有如下明显的固有光学特性优点：1多通道(Multiplex)；2高光通量(Throughput)；3高光谱测量精度 (Connes)；4 宽测量波段；5高/可调谐光谱分辨率；6全波段分辨率一致。因此，傅里叶变换光谱仪被广泛的应用在红外吸收谱的测量中，且被更广泛的称作傅里叶红外光谱仪。傅里叶红外光谱仪可以对样品进行定性和定量分析，具有信噪比高、重现性好和扫描速度快等特点，被广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。
若不考虑吸收谱的测量，更为广义的傅里叶变换光谱仪主要由光源、光阑、干涉仪（分束器、动镜、定镜）、探测器以及各种反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。其基本结构及原理如图1所示。
待测光源发出的入射光经准直后被干涉仪的分束器（半透半反镜）分为两束，一束经透射到达动镜，另一束经反射到达定镜；两束光分别经定镜和动镜反射后再回到分束器。动镜以一恒定速度在零光程差附近作连续直线往复运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉。干涉光在分束器会合后到达探测器，探测器完成光电信号转换，产生连续的干涉图样电信号。傅里叶光谱仪的主控计算机所配备的模数转换卡对连续干涉图样进行采样，得到离散的数字干涉图样。然后通过计算机对离散干涉信号进行快速离散傅里叶变换处理，最终得到光源发出光信号的光谱。
若对连续干涉图样的采样可以精确地以等光程差间隔的方式进行，则所实现的傅里叶光谱测量具有光谱测量精度极高(Connes)的优点。这在商品化的傅里叶红外光谱仪当中通常是通过采用一个632.8纳米波长氦氖激光器驱动的干涉仪实现的。其原理如图2所示。
傅里叶红外光谱仪的光谱测量主干涉仪和光程差定位辅助干涉仪的动镜共享同一个驱动平移台。因为两个干涉仪处于空间上高度局域化的环境中，因此当两个动镜同时扫描时会产生几乎完全关联的光程差变化。由于辅助干涉仪的驱动激光采用了波长稳定性和准确度极佳的632.8纳米氦氖激光，当扫描时，辅助干涉仪的干涉信号可以写为：
（1.1）
其中I（x）是干涉信号光强随动镜位移x的函数，I0是辅助干涉仪的入射光强。此时辅助干涉仪的探测器将会精确地产生一个光程半周期为316.4纳米的正弦波电信号；此信号经过一个过零点检测电路，在所有正弦波的过零点处产生一连串脉冲信号；该脉冲信号同时触发计算机的模数转换卡对主干涉仪探测器此时产生的干涉信号进行采样。这就等效于傅里叶红外光谱仪精确地以316.4纳米光程差间隔对干涉图样进行采样，从而可以在波长大于632.8纳米的近红外及更长波长的波段获得精度极高的红外光谱。可以说傅里叶变换红外光谱仪的高光谱精度优点并不是傅里叶光谱仪所固有的，而是由于引入了可以实现等光程差采样的氦氖激光驱动干涉仪而带来的。但是这一优点为光谱仪的实际应用带来了很多操作上的方便。
根据恩奎斯特采样定律（即采样频率至少为信号频率的两倍或以上，傅里叶变换才可以获得没有混叠的准确光谱），傅里叶光谱仪的光程差采样间隔必须小于等于可测得最短波长的1/2；若欲测最短波长为400纳米，则光程差采样间隔至少为200纳米；而因为光路被动镜反射一次，这就意味着动镜的机械运动路程定位精度需达到100纳米。很显然这对动镜的光程差定位提出了极高的精度要求，而若想使傅里叶变换光谱仪可以测量到波长更短的近紫外光波段，这一要求就变得更加苛刻；这是为什么傅里叶变换光谱仪被更多地应用于红外长波长测量的主要原因之一。
尽管理论上傅里叶光谱仪在近紫外至可见光短波长波段工作时会失去其多通道的优点，但是其他几项傅里叶变换光谱仪固有的优点可被继承。倘若可以同时保留傅里叶红外光谱仪的高精度优点，则所实现的短波傅里叶变换光谱仪就将具有十分吸引人的应用价值。决定傅里叶变换光谱仪在短波长波段工作时能否具有上述优点的因素主要包括：1、傅里叶光谱仪内光学器件的光谱特性2、探测器的光谱响应范围3、长距离扫描中高精度等光程差干涉图样采样。针对因素1和2，目前都已有相关的器件和产品足以胜任，不在本文讨论之列。针对因素3，人们曾经尝试采用过多种不同原理的方法试图解决，例如均匀时间间隔采样法，线性可变差动变压器定位法，干涉扫描光栅定位法，电容位置传感器定位法，外差激光干涉仪法等等。但是这些方法都有一些无法容忍的缺点，例如：无法实现等光程差高精度采样；只能在极短距离上实现高精度定位；对温度、压强等环境因素要求苛刻；成本太过昂贵，不适宜常规仪器化等等。
发明内容
为了克服上述方法的弊端，以简单低成本的方式实现傅里叶变换光谱仪的工作波段向短波长扩展，同时保留傅里叶光谱仪的诸多独一无二的优点，本发明提出的一种激光干涉仪光程差定位方法及系统，用以实现上述目的。
本发明是通过如下技术方案实现的：来自激光器的准直光束射向立方体分束器，被立方体分束器反射的反射光射向定镜，经过定镜垂直反射后回到所述立方体分束器；所述准直光束透过立方体分束器的部分光束射向运动的大角锥回射器后被回射向固定不动的小角锥回射器；被小角锥回射器回射后再次射向运动大角锥回射器；然后再次被大角锥回射器回射向固定平面反射镜；最后被固定不动的平面反射镜反射沿入射光路原路返回；所述被平面反射镜反射沿入射光路原路返回的透射光束和被定镜垂直反射的反射光束在所述立方体分束器会合并发生干涉，干涉光信号通过光电二极管探测并完成光电转换；其中，所述大角锥回射器沿入射光平行方向做直线往复扫描运动。
本方法的具体特点还有，从垂直于所述大角锥回射器口径面上看进去，圆形口径被对称分成了大小相等的六个扇形区域，旋转调整角锥回射器，使得入射光、出射光均处于所述六个扇形区域中的对称的一对扇形区域内。
本方法的具体特点还有，上述小角锥回射器和/或大角锥回射器为实心玻璃角锥回射器，所述实心玻璃角锥回射器的正入射面加镀增透膜。
本方法的具体特点还有，上述小角锥回射器和大角锥回射器的正入射面与光轴垂直面之间的夹角θ1、θ2为1-2度。
本发明还提供了一种激光干涉仪光程差定位系统，包括一个激光器、一个立方体分束器、一个作为定镜的平面反射镜、一个小角锥回射器、一个大角锥回射器、一个平面反射镜、一个直线平移台和一个光电二极管；所述立方体分束器位于所述激光器的出射光路上，所述作为定镜的平面反射镜位于所述立方体分束器反射光路上，所述小角锥回射器位于所述立方体分束器的透射光路上且锥角朝向所述立体分束器，所述大角锥回射器位于所述小角锥回射器的透射光路上且锥角背向所述立体分束器，所述大角锥回射器的直线往复扫描运动由其所处的直线平移台驱动，所述平面反射镜的反射面垂直所述大角锥回射器的回射光路，所述光电二极管位于所述立方体分束器出射光路上。
本系统的具体特点还有，从垂直于所述大角锥回射器口径面上看进去，圆形口径被对称分成了大小相等的六个扇形区域，旋转调整角锥回射器，使得入射光、出射光均处于所述六个扇形区域中的对称的一对扇形区域内。
本系统的具体特点还有，上述小角锥回射器和/或大角锥回射器为为实心玻璃角锥回射器，所述实心玻璃角锥回射器的正入射面加镀增透膜。
本系统的具体特点还有，上述小角锥回射器和大角锥回射器的正入射面与光轴垂直面之间的夹角θ1、θ2为1-2度。
本发明的有益效果为：不仅为傅里叶变换光谱仪的光谱工作范围向近紫外和可见光短波长波段的拓展提供了一种简单便宜的实现方法，还同时保持了傅里叶变换光谱仪的高测量精度(Connes)优点，其本身紧凑的结构也十分利于采用该方法的傅里叶光谱仪仪器自身的小型化和紧凑化。通过该方法实现的紫外-可见光傅里叶变换光谱仪可在化学、生物、医药、材料、光学等诸多领域得到广泛应用。
附图说明
图1、图2为本发明背景技术中的原理示意图。
图3、图6均为本发明具体实施方式中激光干涉仪光程差定位系统的结构示意图。
图4为图3的P向结构示意图。
图5中在示波器中显示的上面两个波形对比了传统傅里叶光谱仪中氦氖激光干涉仪和本发明的激光干涉仪光程差定位系统的正弦波干涉图样，最下面的方波是由本发明所述激光干涉仪产生的正弦波干涉信号经过零点检测电路产生的光程差定位信号。
图中，1、激光器，2、立方体分束器，3、平面反射镜，4、小角锥回射器，5、大角锥回射器，6、光电二极管,7、衰减片，8、直线平移台。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，对本方案进行阐述。
如附图，一种激光干涉仪光程差定位方法，来自激光器的准直光束射向立方体分束器，被立方体分束器反射的反射光射向定镜，经过定镜垂直反射后回到所述立方体分束器；所述准直光束透过立方体分束器的部分光束射向运动的大角锥回射器后被回射向固定不动的小角锥回射器；被小角锥回射器回射后再次射向运动大角锥回射器；然后再次被大角锥回射器回射向固定平面反射镜；最后被固定不动的平面反射镜反射沿入射光路原路返回。所述被平面反射镜反射沿入射光路原路返回的透射光束和被定镜垂直反射的反射光束在所述立方体分束器会合并发生干涉，干涉光信号通过光电二极管探测并完成光电转换；其中，所述大角锥回射器沿入射光平行方向做直线往复扫描运动。本发明利用了角锥回射器反射光的特点：即任意入射光束只要其入射点与回射器口径圆心不重合，反射光束均会以一定位移被角锥回射器回射，且出射光束与入射光束保持平行；入射点、原点和出射点处于同一条直径上，且入射点与出射点相对圆心对称。工作时，大口径角锥回射器沿入射光平行方向作直线往复扫描运动，与被定镜垂直反射的反射光束产生光程差形成干涉，干涉光信号可由一个光电二极管探测并完成光电转换，所得到的干涉正弦波信号可以表达为：
（1.3）
其中I(x)是干涉信号光强随动镜位移x的函数，I0是辅助干涉仪的入射光强，λ0是驱动激光波长。
则图5中在示波器中显示的上面两个波形对比了传统傅里叶光谱仪中氦氖激光干涉仪和本发明的激光干涉仪光程差定位系统的正弦波干涉图样。从输出波形上可以明显的看出采用光路折叠的氦氖激光干涉仪产生的正弦干涉信号的周期是传统氦氖激光干涉仪的四分之一，因此其产生的光程差定位脉冲分辨率相应的提高四倍。此电信号进入跟傅里叶红外光谱仪同样的过零点检测电路，可产生光程差定位脉冲信号；最下面是光路折叠氦氖激光干涉仪输出信号经过零点检测电路后产生的方波信号，那么此干涉仪的光程差定位精度就可以达到79.1纳米。根据恩奎斯特采样定律，采用了本发明所描述光程差定位方法的傅里叶光谱仪理论上可以测量的最短波长能够达到158.2纳米。假如驱动激光选择由氩离子激光器发出的波长更短的488纳米的话，则根据本发明工作原理的干涉仪系统定位精度还可以进一步提升至61纳米，对应的傅里叶光谱仪的最短可测波长可降至122纳米。
本发明所提出的激光干涉仪光程差定位系统的结构实现充分利用的角锥回射器的三维空间对称结构，因此其最终实现结构非常紧凑，有助于实现傅里叶光谱仪的仪器小型化。角锥回射器具有三个相互垂直的反射面，三个面中任意两个面的接缝会成像在第三个面上，因此，从垂直于所述大角锥回射器口径面上看进去，圆形口径被对称分成了大小相等的六个扇形区域，旋转调整角锥回射器，使得入射光、出射光均处于所述六个扇形区域中的对称的一对扇形区域内，这样能够避免入射、反射光打在两个面的接缝处损失光和影响反射光束质量。
采用空心角锥回射器较易实现本发明所述结构，因为入射、反射光束在空心角锥中传播时所经历的媒介是空气，折射率近似为1。但是高精度的空心角锥回射器生产加工难度较大，因此价格较为昂贵。本发明所述结构亦可采用成本较低的实心玻璃角锥回射器实现，这样可以使构成的激光干涉仪成本大大降低。但是玻璃角锥回射器的正入射面会带来额外的反射，不仅损失了能量，而且会带来寄生的干涉噪声，十分不利于高精度的光程差定位。在实际实施时，一方面可以在玻璃角锥回射器的正入射面加镀对应激光波长的增透膜，减少光损失；另一方面，可调整两个玻璃角锥回射器的空间方位，使得其正入射面与光轴垂直面保持一较小（约1-2度即可）的夹角θ1和θ2，如图5所示。采用了这样的实施布置之后，在两个玻璃角锥回射器正入射面产生的反射光束将以两倍于夹角的更大角度被反射偏离光轴，因而避免了垂直反射所带来的寄生干涉噪声。为了平衡两路干涉信号的光强，可以在反射光路中增加适当的光强衰减片，以获得最大衬比度的输出干涉正弦波条纹。整个激光干涉仪系统的固定元器件如图3、图6中虚线框所示，结构相对紧凑，有利于系统的小型化。
一种激光干涉仪光程差定位系统，包括一个激光器、一个立方体分束器、一个作为定镜的平面反射镜、一个小角锥回射器、一个大角锥回射器、一个平面反射镜、一个直线平移台和一个光电二极管；所述立方体分束器位于所述激光器的出射光路上，所述作为定镜的平面反射镜位于所述立方体分束器反射光路上，所述小角锥回射器位于所述立方体分束器的透射光路上且锥角朝向所述立体分束器，所述大角锥回射器位于所述小角锥回射器的透射光路上且锥角背向所述立体分束器，所述大角锥回射器的直线往复扫描运动由其所处的直线平移台驱动，所述平面反射镜的反射面垂直所述大角锥回射器的回射光路，所述光电二极管位于所述立方体分束器出射光路上。从垂直于所述大角锥回射器口径面上看进去，圆形口径被对称分成了大小相等的六个扇形区域，旋转调整角锥回射器，使得入射光、出射光均处于所述六个扇形区域中的对称的一对扇形区域内。其中，小角锥回射器和/或大角锥回射器最好采用空心角锥回射器。采用空心角锥回射器较易实现本发明所述结构，因为入射、反射光束在空心角锥中传播时所经历的媒介是空气，折射率近似为1。但是高精度的空心角锥回射器生产加工难度较大，因此价格较为昂贵。本发明所述结构亦可采用成本较低的实心玻璃角锥回射器实现，这样可以使构成的激光干涉仪成本大大降低。小角锥回射器和/或大角锥回射器如果采用实心玻璃角锥回射器的话，可以在实心玻璃角锥回射器的正入射面加镀增透膜，使实心玻璃角锥回射器的正入射面与光轴垂直面之间的夹角θ1、θ2为1-2度， 1-2度夹角以避免多次反射造成噪声。
本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种激光干涉仪光程差定位方法，其特征是，来自激光器的准直光束射向立方体分束器，被立方体分束器反射的反射光射向定镜，经过定镜垂直反射后回到所述立方体分束器；所述准直光束透过立方体分束器的部分光束射向运动的大角锥回射器后被回射向固定不动的小角锥回射器；被小角锥回射器回射后再次射向运动大角锥回射器；然后再次被大角锥回射器回射向固定平面反射镜；最后被固定不动的平面反射镜反射沿入射光路原路返回；所述被平面反射镜反射沿入射光路原路返回的透射光束和被定镜垂直反射的反射光束在所述立方体分束器会合并发生干涉，干涉光信号通过光电二极管探测并完成光电转换；其中，所述大角锥回射器沿入射光平行方向做直线往复扫描运动。
2.根据权利要求1所述的激光干涉仪光程差定位方法，其特征是，从垂直于所述大角锥回射器口径面上看进去，圆形口径被对称分成了大小相等的六个扇形区域，旋转调整角锥回射器，使得入射光、出射光均处于所述六个扇形区域中的对称的一对扇形区域内。
3.根据权利要求1或2所述的激光干涉仪光程差定位方法，其特征是，所述小角锥回射器和/或大角锥回射器为实心玻璃角锥回射器，所述实心玻璃角锥回射器的正入射面加镀增透膜。
4.根据权利要求3所述的激光干涉仪光程差定位方法，其特征是，所述小角锥回射器和大角锥回射器的正入射面与光轴垂直面之间的夹角θ1、θ2为1-2度。
5.根据权利要求1或2所述的激光干涉仪光程差定位方法，其特征是，所述大角锥回射器和小角锥回射器为空心角锥回射器。
6.一种实现权利要求1或2或3或4所述方法的激光干涉仪光程差定位系统，其特征是，包括一个激光器、一个立方体分束器、一个作为定镜的平面反射镜、一个小角锥回射器、一个大角锥回射器、一个平面反射镜、一个直线平移台和一个光电二极管；所述立方体分束器位于所述激光器的出射光路上，所述作为定镜的平面反射镜位于所述立方体分束器反射光路上，所述小角锥回射器位于所述立方体分束器的透射光路上且锥角朝向所述立体分束器，所述大角锥回射器位于所述小角锥回射器的透射光路上且锥角背向所述立体分束器，所述大角锥回射器的直线往复扫描运动由其所处的直线平移台驱动，所述平面反射镜的反射面垂直所述大角锥回射器的回射光路，所述光电二极管位于所述立方体分束器出射光路上。
7.根据权利要求6所述的激光干涉仪光程差定位系统，其特征是，从垂直于所述大角锥回射器口径面上看进去，圆形口径被对称分成了大小相等的六个扇形区域，旋转调整角锥回射器，使得入射光、出射光均处于所述六个扇形区域中的对称的一对扇形区域内。
8.根据权利要求6所述的激光干涉仪光程差定位方法，其特征是，所述小角锥回射器和/或大角锥回射器为实心玻璃角锥回射器，所述实心玻璃角锥回射器的的正入射面加镀增透膜。
9.根据权利要求8所述的激光干涉仪光程差定位方法，其特征是，所述小角锥回射器和大角锥回射器的正入射面与光轴垂直面之间的夹角θ1、θ2为1-2度。
10.根据权利要求6所述的激光干涉仪光程差定位方法，其特征是，所述大角锥回射器和小角锥回射器为空心角锥回射器。
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