基于f-p标准具的瞬态高分辨率光谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于标准具的串接多通技术而设计的瞬态高分辨率光谱仪，主要 应用于布里渊散射等高分辨率光谱测量领域。
【背景技术】
[0002] 光谱分析一直是物理、化学、生物、材料等各个学科中最基本的分析测试方法之 一，而超高分辨率光谱技术则是这个领域最前沿最尖端的技术。
[0003] 现有的光谱分析技术中，一类是主要通过FP干涉仪实现高分辨率光谱的扫描 干涉仪，比如Burleigh公司研发的扫描FP干涉仪、JRS科学仪器公司研发的串接3+3布 里渊散射光谱仪，这类仪器现在已经可以实现分辨率W = ^ >1〇6,锐度>90,对比度> ΔΑ 10000的分辨条件。由于它所具有的3+3串接多通系统，极大地提高了光谱的对比度。虽 然扫描光谱仪可以实现< IOMHz的扫描精度，但却无法实现实时测量，无法测量脉冲信号 (I-IOOns);除此之外，波长计作为一种高分辨率光谱测量仪器，在国内外也得到了广泛的 使用。波长计一般可以得到IOMHz的分辨率，然而一般时间响应都比较"慢"（微秒以上）， 仍然无法进行瞬态测量，并且波长计往往只给出一个波长，无法给出光谱，当其中存在多个 模式或者激光器有跳模时波长计便无法满足测量要求。
[0004] 另一类光谱仪可进行单脉冲瞬态光谱的测量，它可应用于自旋动力波的研究，包 括载波调控和非线性效应等瞬态效应的研究，同时它也可应用于受激光调制的海洋激光雷 达系统、大部分在脉冲激光栗浦条件下工作的随机激光系统和纳米激光器系统。其中，对 于激光雷达这种在复杂环境下工作的系统而言，不能实时测量更意味着工作效率的极大降 低，扫描对稳定性要求太高，甚至导致仪器失去现场测量能力。因此能同时实现实时测量和 超精细光谱测量的光谱仪能在类似领域发挥巨大的作用。
[0005] 2007年，法国科学家在Nature Photonics上发表了一篇文章，提出了一种非常紧 凑的傅里叶变换布里渊散射光谱仪结构。这种光谱仪探测光波导倏逝波，然后通过傅里叶 变换得到光谱，原则上可以实现瞬态测量，但是其最大的问题是灵敏度比较低，信噪比要求 很高；同时，其光谱分辨率只能到几百MHz量级，限制了它的应用范围。除此之外，近年来迅 速发展的光纤光谱仪可以实现动态光谱和瞬态光谱的测量，但受CCD或其他光敏阵列元件 的限制，其光谱分辨率较低，同样不能满足需要高分辨率光谱测量的场合。
【发明内容】
[0006] 针对上述现有技术中高分辨率光谱和瞬态光谱测量不能兼得的缺陷，本发明所要 解决的技术问题是提供一种能在获得高分辨率的同时，大幅度提高灵敏度的，且能测量单 脉冲瞬态光谱的光谱仪。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种高分辨率光谱仪，其特征在于，由信 号入射端起依次包括光束变换器，偏振棱镜，1/2波片，分光系统，三个反射镜呈环形串接， 其中偏振棱镜，1/2波片以及三个呈环形串接的反射镜构成环形腔系统。最终信号回射入偏 振棱镜，f彡〇. 8m的长焦定焦透镜，CXD ((XD可以是IC⑶或者EMCCD，根据实际需要）。所 述光束变换器由信号输入端起依次包括透镜，光阑，透镜，柱面透镜。所述分光系统由一个 或多个标准具组成，多个标准具指的是两个及以上的标准具，多个标准具的自由光谱范围 要求必须满足整数比例关系。比如我们可以将一个定腔长标准具和一个可变腔长标准具串 接。透出柱面镜的信号依次经过定腔长标准具，可变光学腔长标准具，二者位置可互换。
[0008] 本发明解决技术问题的方案是：入射信号首先经过光束变换器中的准直系统变为 平行光，然后通过柱透镜后变成柱面波，柱面波入射到偏振棱镜上，其中P分量经1/2波片 后变为s分量，接着进入由定腔长标准具+可变光学腔长标准具所组成的分光系统，分光后 的光线顺时针经过环形腔系统后会再次被偏振棱镜反射进入1/2波片，这时s分量经1/2 波片后又重新变为P分量，再次顺时针通过环形腔系统。最终透过偏振棱镜到达聚焦元件， 通过聚焦元件的聚焦使不同波长的光在透镜的后焦面上将形成分离的点状光谱，最后使用 CCD在透镜的后焦面对信号进行成像，完成光谱的测量；而最初的s分量被任意光学表面反 射后逆时针经环形腔系统射出系统。
[0009] 本发明的技术优势如下：利用本发明提供的瞬态高分辨率光谱仪，由于使用了柱 透镜和法布里-珀罗标准具组成的光谱仪，出射信号只在X方向有空间频率，y方向仍然保 持平面波特性，因此这种光谱仪使得原本等倾干涉条纹每一级光谱中，原来分散在圆环上 的信号的能量集中在两个点上，增强了信号的强度和信噪比，显著提高了信号的强度以及 接收系统的数据传输速度，从而提高了系统对弱信号的探测灵敏度；又由于采用标准具的 空间角度分光替代了扫描干涉仪的腔长扫描分光，因此可以满足大多数瞬态光谱的测量； 同时又开发了标准具的串接多通技术，因此如果两块标准具的厚度为整数倍关系，则厚标 准具的级次是薄标准具的m倍，最终主极大的位置由薄标准具决定；同时，主极大的宽度则 由厚标准具决定。最终使得串接标准具系统在保持其瞬态信号分光能力的同时还实现了大 的自由光谱范围（FSR)和窄的谱线宽度。同理，多通技术实际上等价于两个全同标准具的 串接，FSR没有明显变化，但是谱线宽度会被进一步压缩。
[0010] 因此分光系统中定腔长标准具+可变光学腔长标准具的光路配置方案既可以调 节至两标准具厚度成倍数关系，用于分辨率要求不是非常高，但是自由光谱要求比较宽的 情况；也可以调节至两标准具等厚，用于小自由光谱范围精细光谱的测量