专利名称：一种无可动机械部件的傅立叶变换光谱仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于法拉第(Faraday)旋光色散原理的傅立叶变换光谱仪。 本实用新型在光谱分析和光谱测量方面具有特殊用途，但也可广泛用于材料的结构分析和光学吸收及反射测量、工业过程控制如高温测量和气体成分分析领域。
背景技术：
光谱分析和光谱测量是工程技术以及科学研究中普遍涉及的一个研究课题。广泛应用的光谱范围是从紫外、可见至红外光波段。紫外至可见光波范围内的光谱仪通常采用的是光栅和棱镜色散分光技术，而红外光谱仪采用的是光栅、棱镜色散和迈克耳孙 (Michelson)干涉仪技术。但采用一套光栅系统或色散分光棱镜不能完成从紫外至红外光波段的光谱测量。先进的光谱仪必须具备两个优点，即多路性优点和高通量优点。多路性优点为用一个光探测器同时测量所有的光谱元，与多通道测量情况相当。多通路的特性还有助于提高信噪比。高通量优点是无须采用通常色散型仪器上要用到的狭缝，因此具有更大的辐射通量和更高的测量灵敏度。先进的光谱仪还必须具备高精确度、高分辨本领、宽光谱探测范围和低杂散辐射的特点。光栅和棱镜色散分光技术不具备多路性优点和高通量优点。傅立叶变换光谱仪能同时将整个波长范围内的辐射都聚集到光探测器上，因此具备多路性和高通量优点。但是基于迈克耳孙干涉仪技术的傅立叶(Rmrier)变换光谱仪的应用只能局限于红外波段和微波波段范围。因此研制具有多路性和高通量优点的宽频带(从紫外至红外波段)光谱仪成为光谱分析和光谱测量领域中的重要课题。在光栅光谱仪和棱镜色散光谱仪中，空间分散的光谱成份通过移动光探测器来分析；而在基于迈克耳孙干涉仪技术的傅立叶变换光谱仪则需要一面来回移动的反射镜来产生双光束干涉。因此在现有的光谱仪中均包含有可动机械部件，这一特性降低了仪器的机械可靠性和稳定性、延长了光谱测量时间，不能对瞬变光波的光谱进行高速测量。本实用新型提供的一种无可动机械部件傅立叶变换光谱仪可以克服现有光谱仪的局限。本实用新型是基于法拉第旋光色散原理平面偏振光波通过置于磁场中的透明介质材料后不同波长的入射光波具有不同的偏振面旋转角。平行于入射光方向的纵向交变磁场由通电螺线管产生。透明介质材料置于两偏振器之间。通过探测透射光波的光强和纵向磁场的磁感应强度即可进行光谱分析和光谱测量。本实用新型提供的光谱仪具有宽频带、 重复性好、多路性和高通量的优点。本技术发明人已获授权的一种宽频带光谱仪(专利号200910042791. 3)，具有宽频带、多路性和高通量的优点。平面偏振光波通过由光学活性介质材料构成的偏振旋转片后不同波长的入射光波具有不同的偏振面旋转角。通过旋转置于偏振旋转片与光探测器之间的偏振器并记录透射光的强度和偏振器的旋转角度即可进行光谱分析和光谱测量。该宽频带光谱仪可应用于紫外至红外波段的光谱测量。本实用新型与已获授权的宽频带光谱仪相比，其原理和结构完全不同。本实用新型是一种基于法拉第旋光色散原理的傅立叶变换光谱仪，而已获授权的宽频带光谱仪是基于光学活性色散原理；本实用新型所涉及的傅立叶变换光谱仪中没有可动机械部件，而已获授权的宽频带光谱仪需要旋转偏振器才能实现其光谱测量功能。由于这一结构上的完全不同，本实用新型与现有的光谱仪及光谱仪的专利技术相比，具有结构简单稳定、重复性好、测量时间短的优点。因此本实用新型可为高速光谱测量提供一种可靠的技术手段。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种基于法拉第旋光色散原理的傅立叶变换光谱仪。本实用新型的目的是通过如下途径实现的一种无可动机械部件的傅立叶变换光谱仪，它包括光源、透镜、偏振器、偏振面旋转器、光探测器和数据采集系统，其特征为在光源至光探测器的光路上依次排列安装有光源、准直透镜、起偏振器、偏振面旋转器、检偏振器、聚光透镜及光探测器；光源置于准直透镜的焦点位置，光探测器置于聚光透镜的焦点位置，所述的偏振面旋转器由透明介质材料、带间隙和通孔的环形铁磁体、螺线管、交流供电器和磁传感器组成，透明介质材料置于环形铁磁体的间隙位置，螺线管环绕于环形铁磁体之上，通电螺线管由交流供电器供电，磁传感器置于环形铁磁体内用于探测铁磁体内的磁感应强度，入射光经由环形铁磁体中的通孔透过透明介质材料，数据采集系统记取光探测器的光强和磁传感器的磁感应强度数据。本实用新型提供的一种无可动机械部件的傅立叶变换光谱仪能够用于从紫外至红外波段的光谱测量，具有宽频带、多路性和高通量的优点。与传统的光谱仪以及已有光谱仪的专利技术相比，由于没有可动机械部件，本实用新型具有结构简单稳定和重复性好的特点，可为高速光谱测量提供一种可靠的技术手段。
以下结合附图对本实用新型的目的和实现途径作进一步详细说明
图1为本实用新型的结构示意图；图2为本实用新型的原理示意图；图3为石英玻璃维尔德(Verdet)系数的色散函数。
具体实施方式
本实用新型是一种基于法拉第旋光色散原理的傅立叶变换光谱仪，如图1所示， 它包括光源1、准直透镜2、起偏振器3、偏振面旋转器4、检偏振器5、聚光透镜6、光探测器 7及数据采集系统8 ；光源1置于准直透镜2的焦点位置，光探测器7置于聚光透镜6的焦点位置，所述的偏振面旋转器4由透明介质材料9、带间隙和通孔的环形铁磁体10、螺线管 11、交流供电器12和磁传感器13组成，透明介质材料9置于环形铁磁体10的间隙位置，螺线管11环绕于环形铁磁体10之上，通电螺线管11由交流供电器12供电，磁传感器13置于环形铁磁体10内用于探测磁感应强度，入射光经由环形铁磁体中的通孔透过透明介质材料9，数据采集系统8记取光探测器7的光强和磁传感器13的磁感应强度数据。本实用新型所述偏振面旋转器中的透明介质材料9为一种具有较大维尔德系数的各向同性透明晶体材料，如立方晶系的钇铁石榴石，或者为一种透明玻璃材料，如铅玻璃、石英玻璃等；所述环形铁磁体10由一种铁磁材料(铁狗，钴Co，镍Ni及其合金)，或者一种铁氧体材料组成；所述起偏振器3和检偏振器5为两个格兰-傅科(Glan-Foucault) 起偏棱镜，或两个格兰-汤普生(Glan-Thompson)起偏棱镜，或两个对角斜面镀有多层介质膜的偏振分光立方体；所述光探测器7为一光电倍增管，或一光敏电阻、或一光电池、或一光敏二极管、或一光敏三极管、或为所述器件的两个或多个组合；所述磁传感器13为一霍耳(Hall)元件、或一磁敏二极管、或一磁敏三极管；所述光源1为相干光源或者非相干光源，或者为由被测物体辐射的光波。被测光波经由光纤传导至准直透镜2的焦点位置。本实用新型的工作原理为当交流供电器12与螺线管11联接后，在环形铁磁体10 内产生交变感应磁场，磁感应强度B的大小为B= /AJ，式中μ为环形铁磁体10的磁导率，k为螺线管11单位长度上的线圈匝数，J为线圈中的电流。感应磁场的方向平行于环形铁磁体10内的通孔轴向及入射光的传播方向。 磁传感器13探测环形铁磁体10内的磁感应强度。当环形铁磁体10内通孔的直径与间隙宽度相比足够小时，这一磁感应强度等于施加于透明介质材料9上的磁感应强度。由于铁磁材料具有很大的磁导率，因此在相同的螺线管参数和电流条件下，环形铁磁体相对于非铁磁材料构成的环体能产生更大的磁场，因而产生更大的法拉第偏振面旋转。带环形铁芯的螺线管相对于直线型空心螺线管具有高磁感应强度、小的磁阻和优良的磁屏蔽性能。如图2所示，由光源1辐射的光波经准直透镜2后通过起偏振器3，形成一束准直的平面偏振光。光波的振动方向平行于起偏振器3的偏振方向P-P。平面偏振光波经由环形铁磁体10中的通孔透过透明介质材料9。由于法拉第效应，在感应磁场的作用下入射偏振光通过透明介质材料9后偏振面发生旋转。由于色散效应，不同波长λ的入射光波具有不同的偏振面旋转角θ (λ)。在法拉第效应中，偏振面旋转角表示为_ = F(A)Bd ,式中d为透明介质材料9的厚度，V为维尔德(Verdet)系数，它是入射光波长的函数V ( λ )。在透明波段范围内维尔德系数及偏振面旋转角随入射光波长的增加而减小，如图2所示。将偏振面旋转器4置于两偏振器3和5之间，当检偏振器5的偏振方向A-A与起偏振器3的偏振方向P-P间的夹角为Φ时，检偏振器5的偏振方向A-A与波长为λ的透射光波偏振面的夹角为φ-θ (λ)。设波长为λ的入射光波的光谱强度为S(X)。通过检偏振器5后这一波长的透射光波的光谱强度为SU) cos2 [φ-θ (λ)],或SU)/2+SU) οο8{2[Φ-Θ (λ)]}/2。当检偏振器5的偏振方向A-A与起偏振器3的偏振方向P-P平行时，Φ=0。在此情况下透射光谱强度为SU)/2+SU)cos[2 0 (λ)]/2。根据强度叠加原理，光探测器7所记录的强度为所有波长光谱强度的总和，为磁感应强度B的函数I (B)， 因此I (B)可表达为如下的积分形式
1mι mI(B) = -js(A)dA-h-j S(A) cos[20(l)]dA。
2ο2 0上式右边的第一积分为一常数，与磁感应强度无关，而第二积分随偏振面旋转角度变化，是磁感应强度B的函数，令其为Δ I (B)/2，即
ωAl(B) = \ S(I) cos[ 2θ(Χ)] Λ。[0025]在给定磁感应强度B和透明介质材料厚度d的条件下，偏振面旋转角度是波长的单调递减函数。令X = -F(A),
π其量纲为Γ1，或特斯拉―1。偏振面旋转角θ ( λ )与变量χ的关系为0(A) = TlBx。变量χ也是波长λ的单调递减函数。波长λ对应于这一单调递减函数的反函数， 即λζχ-Υλ)。由此我们有微分关系式 = —dx。
dx作此变换之后，Δ I⑶转化为M(B) = J — S(X) cos(2iSx)dx ,
a ^x式中a和b代表在整个光谱范围内变量χ的最大值和最小值。由此可见Δ I⑶ 为S(X)cU/dX的有限傅立叶变换。入射光谱强度作为χ的函数S(X)可以通过对Δ I (B) 的傅立叶变换求得S(x) = — Γ M(B) ζο${27βχ) Β ,式中Bs和&为测量过程中磁传感器13所记录的磁感应强度的起始值和终止值。 变量χ是波长λ的单调递减函数。通过该函数的反函数λ =^1(X)，每一个χ的值对应一个波长值λ。因此由S(X)我们可以进一步获得与波长对应的入射光谱强度S(X)。透明介质材料9必须具有大的维尔德系数。为了避免双折射和圆双折射对透射光波偏振态的影响，所选介质材料9应为各向同性的透明介质材料，且没有光学活性，立方晶系的钇铁石榴石以及铅玻璃、石英玻璃等具备这些特点。下面以石英玻璃作为偏振面旋转器4中的透明介质材料9，对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细说明石英玻璃是一种常用的光学材料，其物理化学性能稳定，在紫外至红外波段范围内，石英玻璃具有极低的能量吸收。在可见光波段范围内，石英玻璃维尔德系数的色散函数 V(A)如图3所示。实验确定的维尔德系数色散函数的拟合结果如下
Γ_οο Τ" 、WU 0.02943 0.01159 6^52682x10^= 0.04596 + ——Γ~ + ——；~ —---,
Ia/I4M6式中V的单位为deg./(T mm),即度/(特斯拉X毫米)，λ的单位为微米(μπι)。 通过这一实验关系式，X对λ的导数表示为
ax d{ 0.5886 0.04636 0.00392)-TT = -~^~ + ~5 ~，
π ν. Λ ΛΛ J而χ(λ)的反函数X=X1(X)可由维尔德系数色散函数拟合为, = 0.21242+ 0.1 H49f 1)-0.01 IOlfi) +6.38774 χ ICr4 —1。
\ ST J、/IX J\Μ)[0043]在给定介质厚度d的条件下，通过对Δ I (B)的傅立叶变换并结合以上两式并可求出入射光谱强度函数S(X)。由以上具体实施方式
可以看出，本实用新型是一种基于法拉第旋光色散原理的傅立叶变换光谱仪，它具有宽频带、多路性和高通量的优点。与传统基于迈克耳孙干涉仪技术的傅立叶变换光谱仪相比，本实用新型所涉及的傅立叶变换光谱仪中没有任何可动机械部件，它具有结构简单稳定的优点。这一特点能够保证测量结果的准确性和光谱仪长时期的
重复性。在交流供电器12的驱动下，作用于透明介质材料9的磁场为快速变化的交变磁场。结合高速数据采集系统8，本实用新型可为高速光谱测量提供一种可靠的技术手段，能够对瞬变光波的光谱进行快速光谱测量。
权利要求1.一种无可动机械部件的傅立叶变换光谱仪，它包括光源(1)、准直透镜O)、起偏振器(3)、偏振面旋转器(4)、检偏振器( 、聚光透镜(6)、光探测器(7)及数据采集系统(8)， 其特征为在光源(1)至光探测器(7)的光路上依次排列安装有光源(1)、准直透镜O)、起偏振器(3)、偏振面旋转器G)、检偏振器(5)、聚光透镜(6)及光探测器(7)；光源(1)置于准直透镜O)的焦点位置，光探测器(7)置于聚光透镜(6)的焦点位置，所述的偏振面旋转器⑷由透明介质材料(9)、带间隙和通孔的环形铁磁体(10)、螺线管(11)、交流供电器(1 和磁传感器(1 组成，透明介质材料(9)置于环形铁磁体(10)的间隙位置，螺线管(11)环绕于环形铁磁体(10)之上，通电螺线管(11)由交流供电器(1 供电，磁传感器 (13)置于环形铁磁体(10)内用于探测环形铁磁体内的磁感应强度，入射光经由环形铁磁体(10)中的通孔透过透明介质材料(9)，数据采集系统⑶记取光探测器(7)的光强数据和磁传感器(1 的磁感应强度数据。
2.如权利要求1所述的一种无可动机械部件的傅立叶变换光谱仪，其特征为所述透明介质材料(9)为一种各向同性的透明晶体材料。
3.如权利要求1所述的一种无可动机械部件的傅立叶变换光谱仪，其特征为所述透明介质材料(9)为一种透明玻璃材料。
4.如权利要求1所述的一种无可动机械部件的傅立叶变换光谱仪，其特征为所述带间隙和通孔的环形铁磁体(10)由一种铁磁材料，或者一种铁氧体材料组成。
5.如权利要求1所述的一种无可动机械部件的傅立叶变换光谱仪，其特征为所述光源(1)为相干光源或者非相干光源，或者为被测物体的辐射光波，被测光波经由光纤传导至准直透镜O)的焦点位置。
专利摘要本实用新型涉及一种傅立叶变换光谱仪，其特征为在光源至光探测器的光路上依次安装有光源、准直透镜、起偏振器、偏振面旋转器、检偏振器、聚光透镜及光探测器，所述偏振面旋转器由透明介质材料、带间隙和通孔的环形铁磁体、螺线管、交流供电器和磁传感器组成，介质材料置于环体的间隙位置，螺线管环绕于环体之上，通电螺线管由交流供电器供电，磁传感器置于环体内用于探测磁感应强度，入射光经由环体中的通孔透过介质材料，数据采集系统记取光探测器的光强和磁传感器的磁感应强度数据。本实用新型涉及的光谱仪中不包含可动机械部件，具有结构简单稳定、重复性好、宽频带、多路性和高通量的优点，可为高速光谱测量提供一种可靠的技术手段。
文档编号G01J3/28GK202195882SQ20112029224
公开日2012年4月18日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者谭成忠 申请人:谭成忠