四分之一波片消偏振光谱仪的制作方法
【专利摘要】本发明属于光谱测量仪器领域，为提供一种结构简单，体积小，又满足高分辨率要求的光谱仪器。本发明采用的技术方案是，四分之一波片消偏振光谱仪,双端口光纤阵列，离轴抛物面镜，平面衍射光栅，消色差四分之一波片组成；待测光信号从光纤阵列的上端口入射，被离轴抛物面镜准直后反射到平面衍射光栅上，平面衍射光栅的衍射光中与消色差四分之一波片垂直的衍射光会被其后表面反射原路返回到平面衍射光栅上，第二次的衍射光经过离轴抛物面镜后聚焦到双端口光纤阵列的下端口，然后进入接收光纤被探测器探测到；通过旋转消色差四分之一波片，不同衍射角的光在不同时刻分别被探测到，形成光谱扫描。本发明主要应用于光谱测量仪器的设计制造。
【专利说明】
四分之一波片消偏振光谱仪
技术领域
[0001 ]本发明属于光谱测量仪器领域，涉及微电子机械、光学元件、系统，具体涉及一种 四分之一波片消偏振光谱仪。
【背景技术】
[0002] 光谱仪作为一种重要的光学测量仪器，在空间遥感、大气探测，矿物和食品分析， 以及光通信系统检测等领域都具有广泛的应用。一般光谱仪都是采用棱镜或者光栅作为分 光元件，而由于光栅光谱仪相对于棱镜光谱仪具有分辨率高、小型化的诸多优点，已经发展 为主要的光谱分析仪器。对于光谱仪的设计和研究中，以往主要关注其成像质量和分辨率， 而对于偏振的敏感性关注较少。在实际应用过程中，无论是经过大气层散射的太阳光，矿物 质激发的荧光，还是光通信的信号光，都是具有一定偏振度的，而光谱仪中的光栅对不同偏 振光的响应是不同的，尤其是当光栅常数达到波长量级时，这种偏振敏感性表现的非常明 显。为了消除光谱仪的偏振敏感性，通常有两种做法:一是采用退偏器的方法;二是采用专 门的偏振测试装置。偏振测试装置本身也是很复杂的，而且会对待测光造成很大的衰减，因 此目前消偏振敏感性的光谱仪往往采用的还是在入射狭缝前加退偏器的方法。但退偏器会 引起双像，即不同偏振态的光发生分离，最终在像面上形成两个分离的像。双像使得系统 MTF下降，成像质量和分辨率降低。
[0003] 随着制造工艺水平的进步，消色差波片的设计和制作技术得到了快速的发展。消 色差波片在很宽的光谱范围内可以保持稳定的相位延迟量，已被广泛应用于应力测量等高 精度的偏振相关测试技术领域。
[0004] Karl Bezel等人的光谱仪的光路(美国专利:US 6690468 B1)，主要包括:入射狭 缝，准直透镜，光栅，半波片，直角棱镜，聚焦透镜，出射狭缝和机械旋转机构。这种光路结构 的可实现将待测的复色光信号分解为各单色光信号，并进行光谱扫描。工作过程是:准直元 件将从入射狭缝出射的发散复色光准直为平行光照射到光栅上半部分上，光栅将复色光分 解为单色光，各单色光被直角棱镜再次反射到光栅下半部分，并在返回到光栅的光路中加 入一个半波片，该半波片的功能是将入射光偏振态旋转90°。形成第二次分光后，只有一路 单色光被聚焦元件聚焦于出射狭缝上输出至探测电路，通过机械旋转机构带动直角棱镜和 半波片旋转完成选光功能。由于半波片只作用到棱镜反射光路，入射和反射的光路必须严 格分开。同时，两次衍射需要照射到光栅上下两部分，因此需要光栅的面积很大。
[0005] 针对上述缺陷，研制结构简单，体积小，又满足高分辨率要求的光谱仪器是十分必 要的。
【发明内容】
[0006] 为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种结构简单，体积小，又满足高分辨率 要求的光谱仪器。本发明采用的技术方案是，四分之一波片消偏振光谱仪，双端口光纤阵 列，离轴抛物面镜，平面衍射光栅，消色差四分之一波片组成;待测光信号从光纤阵列的上 端口入射，被离轴抛物面镜准直后反射到平面衍射光栅上，平面衍射光栅的衍射光中与消 色差四分之一波片垂直的衍射光会被其后表面反射原路返回到平面衍射光栅上，第二次的 衍射光经过离轴抛物面镜后聚焦到双端口光纤阵列的下端口，然后进入接收光纤被探测器 探测到;通过旋转消色差四分之一波片，不同衍射角的光在不同时刻分别被探测到，形成光 谱扫描。
[0007] 光纤出射端口后面放置高灵敏度单元探测器，在消色差四分之一波片旋转过程 中，不同波长的单色光依次以特定衍射角经光栅两次衍射分光，从而实现不同波长的单色 光在探测器上的连续扫描探测。
[0008] 准直和聚焦镜为同一离轴抛物面镜，作用是既作为准直镜，将从入射光纤端口发 出的待测信号准直为平行光，又作为聚焦镜，将返回的单色平行光聚焦到入射光纤端口上。
[0009] 准直和聚焦镜为双胶合消色差透镜。
[0010] 消色差四分之一波片，是多块主轴方向和相位延迟量不同的双折射晶体的符合 体，相位延迟精度最高可达1%波长，主轴变化量小于1°。
[0011]外部待测光信号为自由空间光信号，自由空间光信号需先耦合进光纤，然后经光 纤引入信号输入端口。
[0012] 在双端口光纤阵列内的光纤芯径较大的情况下，在入射光纤端口后附加狭缝对入 射光束进行调整。
[0013] 平面衍射光栅为平面刻划光栅或者平面全息光栅。
[0014] 本发明的特点及有益效果是：
[0015] 1、采用一个后表面镀反射膜的消色差四分之一波片进行反射，反射光相对于入射 光偏振态发生90°的旋转，可以消除光谱仪的偏振敏感性。
[0016] 2、两次衍射光路高度重合，降低了仪器的结构复杂度，减小了仪器的体积和重量， 具有明显的技术优势。
[0017] 3、经光栅两次分光，提高了此类光谱仪器的光学分辨率，使其在较宽的光谱范围 内具有较高的光谱分辨率，能够被广泛应用于各个光谱波段。
[0018] 4、本结构可以用于光谱分析仪器的各个波段，根据具体需要可以采用灵活的参数 设计。
【附图说明】：
[0019] 图1为本发明的结构原理图：图中1为双端口光纤阵列、2为离轴抛物面镜、3为平面 衍射光栅、4为消色差四分之一波片；
[0020] 图2为系统光学设计图；
[0021] 图3为扫描接收仿真图；
[0022]图4光栅衍射效率曲线；
[0023] 图5消色差四分之一波片符合主轴随波长的变化曲线；
[0024] 图6消色差四分之一波片符合相位延迟量随波长的变化曲线；
[0025] 图7四分之一波片消偏振光谱仪装置偏振敏感性曲线。
【具体实施方式】
[0026] 本发明利用将光栅衍射光二次入射光栅进行再次衍射的方法，有效增大光程差， 提高分辨率，同时在第一次衍射和第二次入射的重叠光路中，引入消色差四分之一波片，改 变二次入射光的偏振方向，达到消偏振敏感性的目的。
[0027] 本发明提供的一种四分之一波片消偏振光谱仪装置是双端口光纤阵列，离轴抛物 面镜，平面衍射光栅，消色差四分之一波片组成。待测光信号从光纤阵列的上端口入射，被 离轴抛物面镜准直后反射到平面衍射光栅上，平面衍射光栅的衍射光中与消色差四分之一 波片垂直的衍射光会被其后表面反射原路返回到平面衍射光栅上，第二次的衍射光经过离 轴抛物面镜后聚焦到双端口光纤阵列的下端口，然后进入接收光纤被探测器探测到。通过 旋转消色差四分之一波片，不同衍射角的光在不同时刻分别被探测到，形成光谱扫描。
[0028] 光纤出射端口后面放置高灵敏度单元探测器，在消色差四分之一波片旋转过程 中，不同波长的单色光依次以特定衍射角经光栅两次衍射分光，从而实现不同波长的单色 光在探测器上的连续扫描探测。
[0029] 准直和聚焦镜为同一离轴抛物面镜。
[0030] 本发明采用了新结构的光学分光系统，利用后表面镀反射膜的消色差四分之一波 片对衍射光进行第二次衍射，相对于普通单次衍射光谱仪，具有分辨率高的优势，同时消色 差四分之一波片可以实现入射光的偏振态旋转，消除光谱仪的敏感性。
[0031] 另外，本发明的光学结构也不同于传统的光栅扫描分光光谱仪，传统的光栅扫描 分光光谱仪是把光栅安装在伺服机构上，在伺服机构的带动下通过摆动光栅实现不同波长 单色光的连续探测。本发明中的光学结构后表面镀反射膜的消色差四分之一波片与平面衍 射光栅联合实现光学分光，在后表面镀反射膜的消色差四分之一波片旋转过程中实现不同 波长单色光的连续探测。此外，由于本发明的后表面镀反射膜的消色差四分之一波片只有 一个反射面，第一次的衍射光和第二次的入射光光路高度重合，利用此种光学结构所研制 的光谱仪具有结构简单、体积小、重量轻、结构紧凑等优点。
[0032] 本发明中所述的消色差四分之一波片，其实质是多块主轴方向和相位延迟量不同 的双折射晶体的复合体。相位延迟精度最高可达1%波长，主轴变化量小于1°。
[0033] 本发明中，外部待测光信号，可以为自由空间光信号，自由空间光信号需先耦合进 光纤，然后经光纤引入信号输入端口。
[0034] 本发明中，光纤连接装置既可是标准的FC端口光纤连接器，又可是标准的SMA端口 光纤连接器。
[0035] 本发明中，在光纤芯径较大的情况下，可在入射光纤端口后附加狭缝对入射光束 进行调整，以提高仪器的光谱分辨率。此处光纤为双端口光纤阵列内的光纤，分别作为入射 和接收狭缝，在芯径较大的情况下，应当在入射光纤后和接收光纤前分别加入狭缝元件，BP 在阵列端口处加入一个狭缝元件。
[0036]下面结合附图和具体实例进一步详细说明本发明。
[0037]如图2所示，所述光谱扫描器件为镀反射膜的消色差四分之一波片，置于平面衍射 光栅的衍射光路上;所述光路结构可以实现光信号的偏振方向旋转，消除了光谱仪的偏振 敏感性;待测光信号被平面衍射光栅衍射两次，有效提高了光谱仪的分辨率;光路的准直和 聚焦采用同一离轴抛物面镜，简化了光路；
[0038]所述的双端口光纤阵列（1)具有上下两个端口，分别作为光谱仪的入射和出射狭 缝，两个端口关于离轴抛物面镜的焦点上下对称，实现收发信号的光路径分离。
[0039] 所述的准直与聚焦镜(2)为离轴抛物面镜，作用是既作为准直镜，将从入射光纤端 口发出的待测信号准直为平行光，又作为聚焦镜，将返回的单色平行光聚焦到入射光纤端 口上，该镜也可以为双胶合消色差透镜。
[0040] 所述的光栅(3)为平面刻划光栅或者平面全息光栅。
[0041] 所述的消色差四分之一波片(4)将垂直入射的衍射光按原光路反射回光栅，形成 第二次衍射，同时将待测光的偏振态进行了旋转，光栅对于入射光的s分量和P分量两次衍 射的总效率相同，消除了光谱仪的偏振敏感性。
[0042] 消色差四分之一波片(4)，可在其驱动器的控制下进行精密的旋转，筛选出满足不 同衍射角的波长的光，完成光谱扫描功能。
[0043] 如图2所示，所用双端口光纤阵列间距为0.25mm，光纤芯径为9μπι。离轴抛物面镜母 焦距为20mm，y轴离轴量9.5mm。所用光栅为1050线/mm的平面衍射光栅，其衍射效率曲线见 图4。所用消色差四分之一波片是选取1250nm - 1650nm光通信波段，进行三元设计所得，所 用材料无石英晶体，其双折射引起的相位延迟可用下式表示：
[0044] ne-no = 0 · 01436-2 · 63111 X 10-5λ+5 · 62427 X 10-8λ2
[0045] -6 · 73725 X 10-ηλ3+4 · 75388 X 10-14λ4-1 · 96809
[0046] X 10-17λ5+4 · 41564 X 10-21λ6-4 · 14135 X 10-25λ7
[0047] &为晶体e光折射率，η。为晶体ο光折射率，λ为通过晶体的光信号的某一波长。设第 一块和第三块石英晶体的相位延迟量为~，其主轴与X轴平行;第二块石英晶体的主轴与第 一块石英晶体的主轴成β角，相位延迟量为&。则复合相位延迟器的延迟量δ和等效主轴方 位角Φ可以表示为：
[0048] 5 = 2arccos[cos5icos(52/2)-sin5isin(52/2)cos2P]
[0049] φ = l/2arccot{csc2P[sin5icot(52/2)+cos5icos2P]}
[0050] 这是一个多参数求最优解的过程，最后设计结果为：
。根据晶 体双折射相位延迟量随波长的不同，可以得到整个波段内复合相位延迟量和等效方位角随 波长的变化，见图5和图6。最终所设计四分之一消偏振光谱仪装置的偏振敏感性曲线见图 7〇
【主权项】
1. 一种四分之一波片消偏振光谱仪，其特征是，由双端口光纤阵列，离轴抛物面镜，平 面衍射光栅，消色差四分之一波片组成;待测光信号从光纤阵列的上端口入射，被离轴抛物 面镜准直后反射到平面衍射光栅上，平面衍射光栅的衍射光中与消色差四分之一波片垂直 的衍射光会被其后表面反射原路返回到平面衍射光栅上，第二次的衍射光经过离轴抛物面 镜后聚焦到双端口光纤阵列的下端口，然后进入接收光纤被探测器探测到;通过旋转消色 差四分之一波片，不同衍射角的光在不同时刻分别被探测到，形成光谱扫描。2. 如权利要求1所述的四分之一波片消偏振光谱仪，其特征是，光纤出射端口后面放置 高灵敏度单元探测器，在消色差四分之一波片旋转过程中，不同波长的单色光依次以特定 衍射角经光栅两次衍射分光，从而实现不同波长的单色光在探测器上的连续扫描探测。3. 如权利要求1所述的四分之一波片消偏振光谱仪，其特征是，准直和聚焦镜为同一离 轴抛物面镜，作用是既作为准直镜，将从入射光纤端口发出的待测信号准直为平行光，又作 为聚焦镜，将返回的单色平行光聚焦到入射光纤端口上。4. 如权利要求1所述的四分之一波片消偏振光谱仪，其特征是，准直和聚焦镜为双胶合 消色差透镜。5. 如权利要求1所述的四分之一波片消偏振光谱仪，其特征是，消色差四分之一波片， 是多块主轴方向和相位延迟量不同的双折射晶体的复合体，相位延迟精度最高可达1 %波 长，主轴变化量小于1°。6. 如权利要求1所述的四分之一波片消偏振光谱仪，其特征是，外部待测光信号为自由 空间光信号，自由空间光信号需先耦合进光纤，然后经光纤引入信号输入端口。7. 如权利要求1所述的四分之一波片消偏振光谱仪，其特征是，在双端口光纤阵列内的 光纤芯径较大的情况下，在入射光纤端口后附加狭缝对入射光束进行调整。8. 如权利要求1所述的四分之一波片消偏振光谱仪，其特征是，平面衍射光栅为平面刻 划光栅或者平面全息光栅。
【文档编号】G01J3/42GK106017682SQ201610309088
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】张尹馨, 庞亚军, 黄战华, 赵健, 盖叶
【申请人】天津大学