CN103759829B - 基于磁光调制的光谱测量装置及光谱测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁光调制的光谱测量装置，属于光学测量技术领域。本发明光谱测量装置包括沿入射光方向依次设置的第一偏振片、磁光调制器件、第二偏振片、光探测器。本发明还公开了一种使用上述装置的光谱测量方法，首先测量在不同磁场强度下进行磁光调制时光探测器所检测到的光功率，并以得到的光功率数据作为增广矩阵，结合光谱测量装置在不同磁场强度下对不同频率入射光的探测率所组成的系数矩阵，建立线性方程组；对该线性方程组求解，得到待测入射光中各频率分量的光功率，然后对其进行线性拟合、光谱定标，得到待测入射光的光谱。本发明具有抗振动能力强、分辨率高、光谱测量范围宽等优点。

Description

基于磁光调制的光谱测量装置及光谱测量方法

技术领域

本发明涉及一种光谱测量装置及光谱测量方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

光谱仪是一种重要的光学仪器。它是将光学方法与现代电子数据处理系统相结合，通过获取所研究物质的光谱信息来精确分析物质的结构、成分和含量的基本设备。光谱仪具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点，广泛应用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护等领域，也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文探测等必不可少的遥感设备（参见文献[李全臣，蒋月娟。光谱仪器原理[M]，北京；北京理工大学出版社，1999]）。光谱技术的应用几乎覆盖了所有的科学领域，包括医药、化学、地质学、物理及天文学等，从海洋的底部到遥远的宇宙，光谱仪为我们收集周围世界的信息。

然而，随着科学技术的迅猛发展，对光谱仪提出了更高的要求。特别是在如地质矿产勘探、微流控和星载分析等一些特殊场合，需要光谱仪能抗振动干扰能力强、光谱测量分辨率高、测量的波长范围大、功耗小和能够快速、实时、直观地获取光谱信号，显然，传统的光谱仪器很难同时达到上述要求。譬如目前商用傅里叶变换光谱仪不仅体积较大、对振动敏感、测量范围主要在红外波段，而且其分辨率受动镜移动范围影响，因此不适于野外等特殊环境测量；而光栅光谱仪分辨率不高，价格也不菲（参见文献[Yang Jae-chang, et al. Micro-electro- mechanical-systems-based infrared spectrometer composed of multi-slit grating and bolometer array, Jap. J. of Appl. Phys. 47(8),6943-6948(2008)]）。

因此，对于光谱仪来说，要求其在具有抗振动的同时能够降低成本，性能上能够达到较高的光谱分辨率，结构简单并且易于制作，用现有的技术很难实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的成本较高、制作困难、对振动敏感、分辨率不高、波长测量范围较窄等技术问题，提供一种基于磁光调制的光谱测量装置及光谱测量方法。

本发明的基于磁光调制的光谱测量装置，包括沿入射光方向依次设置的第一偏振片、磁光调制器件、第二偏振片、光探测器。

进一步地，所述基于磁光调制的光谱测量装置还包括设置于第一偏振片之前的光学准直装置。

进一步地，所述基于磁光调制的光谱测量装置还包括与所述光探测器信号连接的计算处理单元。

更进一步地，所述计算处理单元与所述磁光调制器件的控制端连接，可对磁光调制器件的磁场强度进行控制。

本发明基于磁光调制的光谱测量方法，使用以上任一技术方案所述基于磁光调制的光谱测量装置，包括以下步骤：

步骤1、将所述光探测器所能探测的频率范围等分为n个频宽为Δf的频率段，n为大于10的整数，各频率段的中心频率为f ₁ , f ₂ ,…f _n  ；

步骤2、令待测入射光依次通过第一偏振片、磁光调制器件、第二偏振片，并通过所述磁光调制器件进行n个不同磁场强度的磁光调制，用这n个磁场强度下所述光探测器所探测到的值分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为P ₁ , P ₂ ,…P _n ；

步骤3、通过求解以下方程组得到待测入射光中各频率分量f ₁ , f ₂ ,…f _n 的大小P（f ₁ ）, P（f ₂ ）,…，P（f _n ）：

式中，C _ij  (i=1,2…n) (j=1,2…n) 表示在第j个磁场强度下，频率为f _i 的光在经过与不经过第一偏振片、磁光调制器件、第二偏振片情况下，光探测器所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值，通过实验预先测得；

步骤4、对P(f ₁ ), P(f ₂ ),… P(f _n )进行线性拟合，并经光谱定标，得到待测入射光的光谱。

相比现有技术，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、  本发明的光谱测量装置抗振动能力强，进行光谱测量时无需移动光学器件，因此振动对它的影响较小，性能稳定，可用于复杂环境中的实时测量。

2、  本发明的光谱测量装置易于制作，成本低廉：其所需要的磁光介质、偏振片、光探测器等都是很成熟的产品，相比于制作其他光谱仪需要复杂、昂贵的设备，制作更加简单容易。

3、  本发明的光谱测量装置分辨率高，光谱测量范围宽。

4、本发明的光谱测量装置可以消除失真，实现光谱实时测量：采用Tikhonov正则化求解大型线性方程组的方法复原光谱，可以消除失真，实现快速实时光谱复原。与此同时，由于各种原因所造成的光探测器采集到的无效数据，可以通过舍去这些无效数据的方法求解方程组，使得新的方程组满秩并符合求解条件，避免光谱复原的较大失真。

附图说明

图1为具体实施方式中所示的光学准直装置结构示意图，其中：1为入射光源，2为透镜，3为小孔光阑，4为透镜；

图2为具体实施方式中所示的光谱测量装置的结构示意图；其中：5为偏振片，6为磁光介质，7为螺旋线圈，8为驱动电源，9为偏振片，10为光探测器；

图3为本发明采用的入射光光谱频率划分方法，图中横坐标表示频率，单位是赫兹；纵坐标是归一化光谱功率，单位是瓦特每赫兹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是利用磁光调制器件对待测入射光进行磁光调制，由磁光效应改变在磁光介质中所传播光的偏振态，从而达到改变光强的目的。通过测量一组不同磁场强度下的调制光的强度，并通过求解线性方程组获得待测入射光的频谱。

磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象，包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应、科顿-穆顿效应等，其中，法拉第效应是指：当平面偏振光通过磁场作用下的某些物质时，其偏振面受到正比于外加磁场平行于传播方向分量的作用而发生偏转；也可称作法拉第旋转效应或者磁圆双折射效应。而通常所讲的磁光调制就是利用法拉第效应的光调制技术。

为了对入射光进行光学整形，本实例中首先使入射光通过一个光学准直装置，该光学准直装置的结构如图1所示，包括共焦的透镜2和透镜4，透镜2和透镜4共同的焦点处设置有小孔光阑3，入射光源1所发出的光通过该光学准直装置后即可转变为平行光。这样不仅使得只有平行光才能入射到磁光调制光谱仪，而且限定了入射光的光束宽度，有利于提高测量的准确度。

本发明的光谱测量装置的结构如图2所示，包括沿入射光方向依次设置的偏振片5、磁光调制器件、偏振片9、光探测器10。本发明中，光探测器10是用来测量照射到其表面的光功率，可采用现有的各种光探测器，例如最常见的硅探测器。为了自动实现光谱复原过程中的数值采集与计算，本实施例中还包括与光探测器10信号连接的计算处理单元（图2中未示出）。

磁光调制器件含有磁光介质6，可采用三氟化铈晶体、YIG或掺Ga的YIG等物质；螺旋线圈7，其环绕在磁光介质6上；驱动电源8。工作时，驱动电源8产生变化的电流通过螺旋线圈7就会感应出磁场。利用法拉第旋转效应，当一束线偏振光通过外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向会发生旋转，旋转角度的大小与沿着光束方向的磁场强度H和光在介质中传播的长度L之积成正比，即：

式中，V为韦尔德常数，由介质和光波频率决定，表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度。

具体地，如图2所示，当通过偏振片5的线偏振光平行于磁场方向入射到磁光调制器件中的磁光介质6的表面时，偏振光可以分解成右旋和左旋两束偏振光，对应的电矢量为E _R 和E _L ，两者旋转方向相反。这里右旋和左旋是相对于磁场方向而言。在磁场的作用下，由于磁光介质6对两者具有不同的折射率n _R 和n _L ，右旋圆偏振光的传播速度c/n _R 和左旋圆偏振光的传播速度c/n _L 不等，于是当它们通过厚度为d的磁光介质6后，产生了不同的相位延时：

式中，λ为真空中的波长。

当它们从磁光介质6出射后，两个圆偏振光的合成电矢量E的振动面相对于原来的振动面旋转了一个角度θ：

因                       

所以

 

当偏振片5和偏振片9的夹角为α角时，根据马吕斯定理，入射光依次通过偏振片5、磁光调制器件、偏振片9后的输出光强为：

式中，I _o为入射光通过偏振片5后的输出光强，n _R -n _L 正比于沿着光束方向的磁场强度H。

由上式可知，在偏振片5和偏振片9的夹角α一定时，置于偏振片9之后的光探测器10探测到的光强度与入射光的波长及磁场强度H有关。因此在相同的磁场强度下，不同频率的入射光通过偏振片5、磁光调制器件、偏振片9后，光探测器10将探测到不同的光强度；而同频率的入射光通过偏振片5、不同磁场强度下的磁光调制器件、偏振片9后，光探测器10探测到的光强度也不一样。在磁光调制器件对待测入射线偏振光进行n个不同磁场强度的磁光调制时，光探测器10就可以测得一系列的数据，将光探测器10探测到的数据分别去除环境噪声后所得到的一系列值作为增广矩阵；将光探测器10所能探测的频率范围均匀划分成n份，每一份的中心频率在入射光光谱中的大小作为未知数；事先测得光探测器10在磁光调制器件中n种不同的磁场强度下对各频率分量的探测率，并将该探测率作为系数矩阵。通过求解该矩阵方程，并将所得结果进行线性拟合、光谱定标就可以得到待测光的光谱。基于该原理即可得到本发明的光谱测量（光谱复原）方法，具体如下：

步骤1、将所述光探测器10所能探测的频率范围等分为n个频宽为Δf的频率段，n为大于10的整数，各频率段的中心频率为f ₁ , f ₂ ,…f _n  。

如图3所示，在光探测器10的测量频率范围内，将光谱曲线均匀划分成n段。整个光谱面积就被近似划分为多个细长的矩形，假设每一份的中心频率为f ₁ , f ₂ ,…f _n ，频宽为Δf，P(f _i )为频率f _i 对应的功率大小(i=1,2,…n)，入射光中每个频率段所对应的功率即为每个小矩形的面积，根据微积分原理，入射光的总功率P ₀ 可以近似为图中曲线下面各个小矩形面积的总和，即各频率分量功率的迭加。如果用数学公式表示，可表示为：

P ₀  = P(f ₁ )Δf  + P(f ₂ )Δf  + … + P(f _n )Δf

步骤2、令待测入射光依次通过偏振片5、磁光调制器件、偏振片9，通过磁光调制器件对经过偏振片5的待测入射光进行n个不同磁场强度的磁光调制，用这n个磁场强度下所述光探测器所探测到的值分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为P ₁ , P ₂ ,…P _n 。

由于测量环境中或多或少会存在噪声影响，本发明为了提高光谱测量结果的准确性，将实测得到光强数据进行校准，即减去环境噪声。对于特定的测量环境，环境噪声是唯一确定的定值，即在没有待测入射光条件下，光探测器10所探测到的测量环境中的光强数据。

在磁光调制器件中的磁场强度取第j个值的情况下，光探测器10所测到的光功率减去噪声功率后应为：

P _j  = C _1j P(f ₁ )Δf  + C _2j P(f ₂ )Δf  + … + C _nj P(f _n )Δf

其中，C _1j , C _2j ,…C _nj 分别为在第j个磁场强度下，频率为f _i 的光在经过与不经过偏振片5、磁光调制器件、偏振片9的情况下，光探测器10所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值，通过实验预先测得。

当磁光调制器件中的磁场强度取n个不同的值时，光探测器10就可以测得一系列的功率数据，将这些功率表示为如下线性方程组：

P ₁  = C ₁₁ P(f ₁ )Δf +C ₂₁ P(f ₂ )Δf + … + C _n1 P(f _n )Δf ，

P ₂  = C ₁₂ P(f ₁ )Δf +C ₂₂ P(f ₂ )Δf + … + C _n2 P(f _n )Δf ，

…

P _n  = C _1n P(f ₁ )Δf +C _2n P(f ₂ )Δf + … + C _nn P(f _n )Δf ，

其中，C _ij  (i=1,2…n) (j=1,2…n)表示在第j个磁场强度下，频率为f _i 的光在经过与不经过偏振片5、磁光调制器件、偏振片9的情况下，光探测器10所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值。当光谱测量装置制作好后，则C _ij 为一组定值，可通过实验预先测得，例如，可采用如下方法：在暗室中，先利用单色仪产生不同频率f ₁ , f ₂ ,…f _n 的入射光，用光探测器10探测不同频率入射光的光功率，假设记为；然后在光探测器10前依次放置偏振片5、磁光调制器件、偏振片9，在磁光调制器件中的磁场强度取某一值的情况下，测量由单色仪得到的不同频率f ₁ , f ₂ ,…f _n 的入射光经过偏振片5、磁光调制器件、偏振片9后，光探测器10所探测到的光功率，假设记为。则，即为频率f ₁ , f ₂ ,…f _n 的入射光在该磁场强度下对于光探测器10的探测率，其中为环境噪声，即在没有待测入射光条件下，光探测器10所探测到的测量环境中的光功率。改变磁场强度，重复上述步骤，即可得到一组探测率数据C _ij  (i=1,2…n) (j=1,2…n)。这一组数据可组成系数矩阵 C ：

   

系数矩阵 C 是光谱测量装置的固有参数，对于每个特定的光谱测量装置，该系数矩阵是唯一确定的。

步骤3、通过求解以下方程组得到待测入射光中各频率分量f ₁ , f ₂ ,…f _n 的光功率P（f ₁ ）, P（f ₂ ）,…，P（f _n ）：

如果用矩阵形式 y=Cx 表示，设 x 代表每一份的中心频率在入射光中的归一化功率的大小， C 代表探测率组成的系数矩阵，而光探测器10所接收到相应的光功率减去噪声功率后作为增广矩阵 y ，则线性方程组可表示为以上矩阵形式。求解上述线性方程组得 x ，并根据下式进一步计算：

就可以求得入射光谱中各频率分量所对应功率P(f _i )的大小。

步骤4、对P(f ₁ ), P(f ₂ ),… P(f _n )进行线性拟合，并经光谱定标，得到待测入射光的光谱。

在实际器件制作过程中，器件的尺寸、形状、材料特性等可能与最初的设计要求有一定的偏差，但是当器件做好后，光探测器10对于磁光调制器件中一定的磁场强度和一定波长的入射光，其探测率是一个固定值。只要对于不同的磁场强度和不同的波长的入射光，光探测器10的探测率不同，就可以解方程组。在求解方程组过程中，光探测器10所采集到的光功率以及对不同频率光的探测率都是测量值。由于测量误差等原因，该方程组实为病态方程组，再加上方程组中方程的数量较多，用普通方法较难求解，而采用Tikhonov正则化的方法求解该线性方程组可以消除明显失真而且求解速度快，该方程组求解后即可得入射光各频率对应的归一化光谱功率，最后进行光谱定标就得到了入射光的复原光谱。

Claims (6)

1.一种基于磁光调制的光谱测量方法，使用基于磁光调制的光谱测量装置，该光谱测量装置包括沿入射光方向依次设置的第一偏振片、磁光调制器件、第二偏振片、光探测器；其特征在于，所述光谱测量方法包括以下步骤：

步骤1、将所述光探测器所能探测的频率范围等分为n个频宽为Δf的频率段，n为大于10的整数，各频率段的中心频率为f₁,f₂,…f_n；

步骤2、令待测入射光依次通过第一偏振片、磁光调制器件、第二偏振片，并通过所述磁光调制器件进行n个不同磁场强度的磁光调制，用这n个磁场强度下所述光探测器所探测到的值分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为P₁,P₂,…P_n；

步骤3、通过求解以下方程组得到待测入射光中各频率分量f₁,f₂,…f_n的大小P(f₁),P(f₂),…，P(f_n)：

式中，C_ij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)表示在第j个磁场强度下，频率为f_i的光在经过与不经过第一偏振片、磁光调制器件、第二偏振片情况下，光探测器所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值，通过实验预先测得；

步骤4、对P(f₁),P(f₂),…P(f_n)进行线性拟合，并经光谱定标，得到待测入射光的光谱。

2.如权利要求1所述基于磁光调制的光谱测量方法，其特征在于，利用Tikhonov正则化的方法求解所述方程组。

3.如权利要求1所述基于磁光调制的光谱测量方法，其特征在于，所述光谱测量装置还包括设置于第一偏振片之前的光学准直装置。

4.如权利要求3所述基于磁光调制的光谱测量方法，其特征在于，所述光学准直装置包括两个共焦的透镜，以及设置于所述两个透镜之间共同焦点处的小孔光阑。

5.如权利要求1所述基于磁光调制的光谱测量方法，其特征在于，所述光谱测量装置还包括与所述光探测器信号连接的计算处理单元。

6.如权利要求5所述基于磁光调制的光谱测量方法，其特征在于，所述计算处理单元与所述磁光调制器件的控制端连接，对磁光调制器件的磁场强度进行控制。