专利名称：等效低温高灵敏度红外光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种红外光谱仪，具体为一种等效低温高灵敏度红外光谱仪。
背景技术：
红外光谱是一种重要的分析方法，其广泛应用于物理、化学、生物和医药的基本研究和检测，应用于天文观测、各种工业生产过程和大气环境污染状况的检测与控制，还应用于同位素分析、等离子体热核反应温度测量等方面。随着科学技术的迅猛发展，人们在红外光谱分析方面的要求也越来越高，常规的光电探测技术已经难以满足需求，因而急需高灵敏度探测技术的突破。红外探测器探测率的限制因素来源于两个方面，一是探测器本身，其中最主要的是暗电流噪声；另一方面是照射到探测器表面的室温黑体辐射背景光子涨落。在不同的背景光强和工作温度状态，分别有一种限制因素起到主导作用。对于一个典型的红外探测器，其探测率-温度依赖曲线上存在一个重要的温度点，为背景限制温度(也称BLIP温度)。当工作温度大于BLIP温度时，探测器工作于器件噪声限制状态，此时，通过降低工作温度会使得暗电流以及暗电流噪声迅速减小，从而快速提高探测率。在红外光谱测量的实际应用中，人们常常利用制冷设备对光发射源和红外探测器进行制冷来提高红外探测的性能，例如，可以将红外探测器置于杜瓦之中。以量子阱红外探测器(QWIP)为例QWIP暗电流I与温度T之间满足I ^ exp (-EA/kBT)的关系(对于一个典型的中红外QWIP，其中Ea Γ250 meV)为激发能，4为波尔兹曼常数)，将器件的工作温度由300K室温降低至77K，则器件的暗电流将降为300K时的万分之一，相应的，器件噪声将降为原来的100万分之一，则器件信噪比将提高1000倍。但是，一旦工作温度低于BLIP温度，继续降低工作温度就不会再有效果，因为此时探测器位于BLIP状态，即探测器的噪声主要来源决定于环境背景中的光子涨落，而与探测器本身的性能无关。为了获得更高的器件性能，提高红外探测器的探测率，就必须降低背景辐射所导致的光子涨落，通过计算可以知道，通过将背景辐射温度从300 K降低至液氮温度77K，可以将中红外波段的背景辐射强度降低至原来的万分之一以下，相应的，背景辐射所导致的噪声也大大降低，而器件的探测率将提高100倍。若将背景辐射温度降至液氦温度，那么器件的信噪比将进一步显著提高。具体分析如下
任何物体都不断地辐射电磁波，具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，被称之为热辐射。普朗克辐射定律(Planck)给出了黑体辐射的具体谱分布，在一定温度下，单位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波长间隔内辐射出的能量为
2Ac3 I
) - ~=--
Aa cap (AcZliI)-I
其中λ为辐射波长，Γ为黑体绝对温度，c为光速，A为普朗克常数，々为波尔兹曼常数。以一个5微米截止波长的QWIP为例，根据目前的技术水平，其BLIP温度约为110K，该工作温度下和300K的背景辐射温度下，探测率为IO11琼斯水平。将该器件置于77K的液氮杜瓦中，其探测率也和IlOK时相同。若将背景辐射温度由300K降低至77 K (液氮温度)，根据黑体辐射公式，5微米处的背景辐射强度就降为原来的5万分之一，器件的噪声也降至原来的万分之一以下，器件的探测率将提高100倍以上，达到IO13琼斯水平。相应的，红外光谱仪的信噪比也比常规情况提高100倍以上。为了提高红外光谱仪灵敏度，需要降低背景辐射温度，一个方案是全低温红外光谱仪，将光谱仪各个部分(红外光源、红外探测器、各类透镜、反射镜、光谱仪扫描光机设备等)都置于低温下。而该解决方案的缺陷在于很难将光机扫描设备全部置于低温杜瓦之中，同时很难对其实现精确控制
发明内容
本发明目的在于提供一种等效低温高灵敏度红外光谱仪，以解决现有技术中为了提高红外光谱仪灵敏度，需要降低背景辐射温度，从而需要将光谱仪各个部分(红外光源、红外探测器、各类透镜、反射镜、光谱仪扫描光机设备等)都置于低温下，而该解决方案的缺陷在于很难将光机扫描设备全部置于低温杜瓦之中，并且很难实现对各组件的精确控制的技术性问题。本发明目的通过以下技术方案实现
一种等效低温高灵敏度红外光谱仪，包括
低温杜瓦一，用于给红外光源降温；
红外光源，用于发射红外光，位于所述低温杜瓦一的焦点处；
抛物线反射镜一，用于将所述红外光源所发出的光汇聚成为平行光；
可移动分离反射镜，用于将所述平行光反射成两束红外光，所述两束红外光之间具备不同的光程，相互干涉；
抛物反射镜二，用于对所述两束红外光进行汇聚；
红外探测器，用于探测红外光，位于所述抛物反射镜二的焦点处；
低温杜瓦二，用于对所述红外探测器进行制冷。优选地，所述低温杜瓦一和所述低温杜瓦二可选自液氮杜瓦、液氦杜瓦或循环制冷机杜瓦的一种。优选地，所述红外光源包括红外点光源或红外类点光源。优选地，所述红外类点光源包括量子级联激光器。优选地，所述可移动分离反射镜包括固定反射镜和可移动反射镜。与现有技术相比，本发明有以下优点
1、本发明的等效低温高灵敏度红外光谱仪，只需要对红外探测器和红外光源这两个部分进行制冷，其他组件尤其是需要移动的组件都无需制冷，操作非常方便；
2、本发明的等效低温高灵敏度红外光谱仪能够将红外探测器所接收到的背景辐射由300K降低为液氦或者液氮温度，红外探测器的探测率因此大大提高，可达到IO13琼斯甚至更高水平，比室温背景辐射下的性能提高两个数量级以上，相应的，该红外光谱仪的灵敏度也比常规的红外光谱仪高两个数量级以上；
3、在本发明的等效低温高灵敏度红外光谱仪中没有光学透镜，只有光学反射镜，在光学反射镜为理想反射镜面时，镜面不会产生黑体辐射，因此，红外探测器不会受到室温黑体辐射的干扰，从而大大提高探测率；
4、本发明的等效低温高灵敏度红外光谱仪的灵敏度显著高于现有红外光谱仪，同时，本发明的等效低温高灵敏度红外光谱仪的大部分组件无需置于低温之下，解决了全低温高灵敏度红外光谱仪的种种弊端。
图I为本发明的等效低温高灵敏度红外光谱仪的原理示意图。
具体实施例方式
·
以下结合附图，具体说明本发明。现有技术中，为了提高红外光谱仪灵敏度，需要降低背景辐射温度，从而需要将光谱仪各个部分(红外光源、红外探测器、各类透镜、反射镜、光谱仪扫描光机设备等)都置于低温下，该解决方案的困难在于很难将光机扫描设备全部置于低温杜瓦之中，并且很难实现对各组件的精确控制。而本发明的等效低温高灵敏度红外光谱仪，只需要对红外探测器和红外光源这两个部分进行制冷，其他组件尤其是需要移动的组件都无需制冷，操作非常方便。本发明的等效低温高灵敏度红外光谱仪能够将红外探测器所接收的背景辐射由300K降低为液氦或者液氮温度，红外探测器的探测率因此大大提高，可达到IO13琼斯甚至更高水平，比室温背景辐射下的性能提高两个数量级以上，相应的，该红外光谱仪的灵敏度也比常规的红外光谱仪高两个数量级以上。请参阅图1，本发明的等效低温高灵敏度红外光谱仪，包括低温杜瓦一 I、红外光源2、抛物线反射镜一 3、可移动分离反射镜4、抛物反射镜二 5、红外探测器7和低温杜瓦二6。其中，低温杜瓦一 I可选自液氮杜瓦、液氦杜瓦或循环制冷机杜瓦的一种，低温杜瓦一 I用于给红外光源2降温。红外光源2可为红外点光源或红外类点光源，用于发射红外光，在本实例中，红外光源采用量子级联激光器，该激光器设置在低温杜瓦一的焦点处。抛物线反射镜一 3，用于将红外光源2所发出的光汇聚成为平行光。可移动分离反射镜4包括固定反射镜和可移动反射镜，固定反射镜固定不动，可移动反射镜可移动以将入射的平行光反射成两束红外光，该两束红外光之间具备不同的光程，相互干涉。抛物反射镜二 5，用于对两束红外光进行汇聚。红外探测器7，用于探测红外光，位于抛物反射镜二 5的焦点处。低温杜瓦二 6可选自液氮杜瓦、液氦杜瓦或循环制冷机杜瓦的一种，用于对红外探测器7进行制冷。使用时，红外光源2发出红外光，低温杜瓦一 I给红外光源2降温，红外光源2发出的光由抛物线反射镜一 3汇成平行光，经可移动分离反射镜4反射后，形成两束具有一定光程差的相干光，这两束相干平行光经抛物反射镜二 5汇聚之后，为红外探测器7所探测，低温杜瓦二 6对红外探测器7进行制冷。在本发明中，只有红外探测器和红外光源这两个部分需要制冷，其他组件包括抛物反射镜、可移动分离反射镜等都不需要置于低温之中，该方案易于实现，且操作方便。并且，由于系统中不用到分束片、透镜等透射型光学器件，在反射镜为理想镜面的情况下，探测器不会接收到300 K的背景辐射，只能够接收到低温的背景辐射，从而大大提高探测率。以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。·
权利要求
1.一种等效低温高灵敏度红外光谱仪，其特征在于，包括 低温杜瓦一，用于给红外光源降温； 红外光源，用于发射红外光，位于所述低温杜瓦一的焦点处； 抛物线反射镜一，用于将所述红外光源所发出的光汇聚成为平行光； 可移动分离反射镜，用于将所述平行光反射成两束红外光，所述两束红外光之间具备不同的光程，相互干涉； 抛物反射镜二，用于对所述两束红外光进行汇聚； 红外探测器，用于探测红外光，位于所述抛物反射镜二的焦点处； 低温杜瓦二，用于对所述红外探测器进行制冷。
2.如权利要求I所述的一种等效低温高灵敏度红外光谱仪，其特征在于，所述低温杜瓦一和所述低温杜瓦二可选自液氮杜瓦、液氦杜瓦或循环制冷机杜瓦的一种。
3.如权利要求I所述的一种等效低温高灵敏度红外光谱仪，其特征在于，所述红外光源包括红外点光源或红外类点光源。
4.如权利要求3所述的一种等效低温高灵敏度红外光谱仪，其特征在于，所述红外类点光源包括量子级联激光器。
5.如权利要求I所述的一种等效低温高灵敏度红外光谱仪，其特征在于，所述可移动分离反射镜包括固定反射镜和可移动反射镜。
全文摘要
本发明的等效低温高灵敏度红外光谱仪，包括低温杜瓦一、红外光源、抛物线反射镜一、可移动分离反射镜、抛物反射镜二、红外探测器和低温杜瓦二。与现有技术相比，本发明有以下优点1、本发明的等效低温高灵敏度红外光谱仪，只需要对红外探测器和红外光源这两个部分进行制冷，其他组件尤其是需要移动的组件都无需制冷，操作非常方便；2、本发明的等效低温高灵敏度红外光谱仪能够将红外探测器所接收到的背景辐射由300K降低为液氦或者液氮温度，红外探测器的探测率因此大大提高，比室温背景辐射下的性能提高两个数量级以上，相应的，该红外光谱仪的灵敏度也比常规的红外光谱仪高两个数量级以上。
文档编号G01J3/28GK102818632SQ20121028589
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月13日 优先权日2012年8月13日
发明者刘惠春, 杨耀 申请人:上海交通大学