一种傅里叶变换光谱仪的制作方法

本申请涉及光谱仪技术领域，特别涉及一种傅里叶变换光谱仪。

背景技术：

红外光谱对样品的适用性相当广泛，固态、液态或气态样品都能应用，无机、有机、高分子化合物都可检测。此外，红外光谱还具有测试迅速，操作方便，重复性好，灵敏度高，试样用量少，仪器结构简单等特点，因此，它已成为现代结构化学和分析化学最常用和不可缺少的工具。此外，红外光谱在高聚物的构型构象、力学性质的研究以及物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域也有广泛的应用。红外光谱仪是分析红外光谱的仪器，按照工作原理主要分为以下两类：

1.色散型，主要包括棱镜和光栅光谱仪

色散型光谱仪的色散元件器为棱镜光栅，属单通道测量，即每次只测量一个窄波段的光谱元。转动棱镜或光栅，逐点改变其方位后，可测得光源的光谱分布。随着信息技术和电子计算机的发展，出现了以多通道测量为特点的新型红外光谱仪，即在一次测量中，探测器就可同时测出光源中各个光谱元的信息，例如，在哈德曼变换光谱仪中就是在光栅光谱仪的基础上用编码模板代替入射或出射狭缝，然后用计算机处理探测器所测得的信号。与光栅光谱仪相比，哈德曼变换光谱仪的信噪比要高些。

2.干涉型，主要包括傅里叶变换红外光谱仪（简称ftir,下文同）

它是非色散型的，核心部分是一台双光束干涉仪，常用的是迈克耳孙干涉仪。当动镜移动时，经过干涉仪的两束相干光间的光程差就改变，探测器所测得的光强也随之变化，从而得到干涉图。傅里叶变换光谱仪的核心原理是采用迈克尔逊干涉仪对入射的光谱信息进行干涉采样。迈克尔逊干涉仪的两臂通过移动反射镜的方式产生相对位相差，相对位相差的大小和采样精度决定了ftir的光谱测量精度和测量范围。

经过傅里叶变换的数学运算后，就可得到入射光的光谱。

傅里叶变换光谱仪的主要优点是：

(1)测量速度快。动镜扫描一次的时间约1s，也就是1s内即可完成所设定光谱范围内的扫描，计算机即时进行傅里叶变换形成ftir谱，这一速度比色散型或光栅型红外光谱仪的测量速度快几百倍。可以在线监测色谱分离的样品，使色谱与红外光谱联用成为可能，可以有效跟踪快速的原位化学反应等，这些工作是色散型或光栅型红外光谱仪无法实现的。

(2)分辨率高。根据ftir仪的工作原理，ftir的分辨率近似等于最大光程差的倒数，也就是动镜移动有效距离2倍的倒数，理论上只要动镜移动有效距离越长，就可得到越高的分辨率，而色散型或光栅型红外光谱仪的分辨率与其光谱狭缝宽度成反比，但是光谱狭缝宽度越窄，光通量就越小，结果会牺牲光谱的灵敏度和信噪比，因此色散型或光栅型红外光谱仪的分辨率不可能很高。

(3)信噪比好。ftir仪测量的原始数据是一整束混合光的干涉图，未经过光谱狭缝，因此信号强度大、信噪比优，同时由于样品的吸收信号是一个确定的值，而噪声在一定范围内是随机的，因此可通过增加ftir仪扫描次数，降低平均噪声信号，又可达到提高信噪比效果的目的。

(4)波数准确度及重复性好。ftir仪对谱峰位置的精确校准是由其内置的激光器完成的，激光器发出的单一波长光非常稳定，由它监测确定的干涉仪动镜位置非常准确，所以用它得到的数据确定光源发出的红外光频率也是非常准确的，不同时间测量结果都是一样，因此波数准确度及重复性都很好。

(5)测定范围宽。许多ftir仪只要更换合适的分束器、光源、检测器，就可测量近、中、远整个红外区的光谱。

但是，迈克尔逊干涉仪是一种非常精密的设备，容易受到外界环境的干扰，例如振动、温度等变化的影响。采用移动镜片方式对两臂位相进行调整不可避免的引入由于镜片运动带来的各种噪声，因此机械动镜型的ftir一般体积较大，放置于隔振的光学平台上进行使用。为了降低环境干扰、减小仪器尺寸，人们采用了各种方法，比如专利cn109405973a公布了一种傅里叶变换光谱仪用干涉仪，采用对称型的两个角镜构成干涉动臂；专利cn108180997a公布了一种基于dlp技术的傅里叶变换光谱仪，采用dlp作为微动元件产生位相调制。

更为有效的方法是避免在ftir中引入运动部件，将位相调制元件变为静态型元件。例如专利cn109738066a公布了一种用于静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜，通过微阶梯产生位相调制；专利cn108593110a提出了一种基于pzt相位调制的全光纤傅里叶变换光谱仪，通过pzt产生位相调制；专利cn103884425b提出了一种herriott型多次反射弹光调制干涉具，通过herriott型弹光调制干涉具产生位相调制。《电光调制型静态傅里叶光谱仪的研究及其软件开发》（博士论文，中北大学，扬正民)研究了采用电光晶体光调制器在ftir中的调制效果。《集成光波导静态傅里叶变换微光谱仪分辨率倍增方法》（李金洋等，物理学报，vol64,no.11,2015）研究了采用电光晶体波导的微型ftir。

但是，上述静态型ftir的主要问题是分辨率较低。这是因为ftir的分辨率由两臂最大光程差决定，光程差越大，分辨率越高。静态型ftir由于采用光弹效应或电光效应，受元器件尺寸约束，无法产生足够大的光程差。例如《集成光波导静态傅里叶变换微光谱仪分辨率倍增方法》中报道的电光调制器尽管采用了增强的双程方式，在1550nm的分辨率仍然在百纳米以上（115nm），这在许多光谱分析应用中无法获得有效结果。

技术实现要素：

本申请要解决的技术问题为提供一种傅里叶变换光谱仪，该光谱仪的结构设计能够一方面能够使得两臂的最大光程差获得提升，另一方面能够保持结构紧凑和工作稳定性。

为解决上述技术问题，本申请提供一种傅里叶变换光谱仪，所述傅里叶变换光谱仪包括：

分束器，将待测光谱形成的线偏振光通过所述分束器分为能量相等的第一光束和第二光束；

电光晶体单晶光纤，所述第一光束进入该电光晶体单晶光纤；

电压驱动器，所述电压驱动器驱动所述电光晶体单晶光纤折射率变化，以便所述第一光束的光程发生变化；

光纤环，所述第二光束进入所述光纤环，并发生位相延迟；

合束器，由所述电光晶体单晶光纤射出的第一光束和由所述光纤环射出的第二光束在所述合束器里进行合束干涉；

光电探测器，所述光电探测器探测发生合束干涉的第一光束和第二光束，形成合束干涉探测信号；

信号处理器，所述信号处理器收集所述合束干涉探测信号，并收集所述电压驱动器的电压驱动信息，基于预定的处理策略，计算出目标光谱。

可选的，所述电光晶体单晶光纤为一根电光晶体单晶光纤形成的环状构件。

可选的，所述电压驱动器包括正电极和负电极，所述正电极为置于所述环状构件的外部、并与所述环状构件同心的环状电极；所述负电极为置于所述环状构件的内部、并与所述环状构件同心的环状电极。

可选的，所述电压驱动器包括正电极和负电极，所述正电极设置于所述环状构件所在水平面的上方，所述负电极设置于所述环状构件所在的水平面的下方。

可选的，所述电压驱动器包括正电极和负电极；所述电光晶体单晶光纤的圆周外壁上具有金属镀膜，所述金属镀膜的上环层形成所述正电极，所述金属镀膜的下环层形成所述负电极；所述上环层与所述下环层之间设有隔离切缝。

可选的，所述环状构件包括同心且半径不相等的同心环。

可选的，所述同心环螺旋缠绕，形成多层螺旋同心环结构。

可选的，所述电压驱动器包括正电极和负电极；所述正电极和所述负电极均为多层螺旋结构，一者沿所述多层螺旋同心环结构的内部缠绕延伸，一者沿所述多层螺旋同心环结构的外部缠绕延伸。

此外，为解决上述技术问题，本申请还提供一种傅里叶变换光谱仪，所述傅里叶变换光谱仪包括：

光谱采集器，用于输入光谱信号；

分束器，所述光谱采集器输入的光谱信号通过所述光纤分束器，分为能量相等的第一光束和第二光束；

第一电晶光纤环，所述第一光束进入所述第一电晶光纤环；

第一电压驱动器，用于给所述第一电晶光纤环施加正向电场；

第二电晶光纤环，所述第二光束进入所述第二电晶光纤环；

第二电压驱动器，用于给所述第二电晶光纤环施加负向电场；

第一电晶光纤环路反射器，设于所述第一电晶光纤环的输出端，用于将输出的第一光束反射，使其沿原路返回；

第二电晶光纤环路反射器，设于所述第二电晶光纤环的输出端，用于将输出的第二光束反射，使其沿原路返回；

合束器，用于接收沿原路返回的第一光束和第二光束，并使其发生合束干涉；

光电探测器，设于所述合束器的输出端，用于探测发生合束干涉的第一光束和第二光束，并发出合束干涉探测信号；

信号处理器，所述信号处理器收集所述合束干涉探测信号，并收集所述电压驱动器的电压驱动信息，基于预定的处理策略，计算出目标光谱。

可选的，所述分束器和所述合束器为同一个具有分束和合束功能的光学元件。

下边说明本申请所提供的的技术方案的技术效果：

待测光谱可以首先由光学收集装置经过汇聚、准直后进入偏振选择器，选择出线偏振光，然后进入分束器，该分束器为50%分束器，从而分成能量相等的两束光：第一光束和第二光束。其中第一光束进入电光晶体单晶光纤，第二光束进入与之相对应的光纤环。光纤环的作用是产生位相延迟，使ftir的两臂的相位差相等。电光晶体单晶光纤在电压驱动器的驱动下，产生由电光效应导致的折射率变换，使此路的光程变化。然后将光纤环和电光晶体单晶光纤出射的两束光进行合束干涉，并由光电探测器进行探测。探测到的信号输入到信号处理器中。同时信号处理器获得电压驱动信息。将光电探测器的采集信号作为幅值（纵坐标），将电压驱动信号作为横坐标，进行傅里叶变换，计算出目标光谱。

由此可知，该光谱仪的结构设计能够一方面能够使得两臂的最大光程差获得提升，另一方面能够保持结构紧凑和工作稳定性。

附图说明

图1为本申请一种示例性实施例示出的傅里叶变换光谱仪的原理框图；

图2为图1中傅里叶变换光谱仪的电光晶体单晶光纤的结构示意图；

图3为图2中电光晶体单晶光纤施加电场后的原理示意图；

图4为图2的电光晶体单晶光纤形成环状构件并施加第一种电场的结构示意图；

图5为图2的电光晶体单晶光纤形成环状构件并施加第二种电场的结构示意图；

图6为图2的电光晶体单晶光纤形成环状构件并施加第三种电场的结构示意图；

图7为图2中电光晶体单晶光纤缠绕形成多层螺旋同心环的结构示意图；

图8位本申请另一种示例性实施例示出的傅里叶变换光谱仪的结构示意图；

图9为图8中示出的傅里叶变换光谱仪第一电晶光纤环和第二电晶光纤环的结构示意图。

其中，图1至图9中部件名称与附图标记之间的对应关系为：

分束器101；电光晶体单晶光纤102；芯层1021；包层1022；电压驱动器103；正电极1031；负电极1032；光纤环104；合束器105；光电探测器106；信号采集模块107；傅里叶变换模块108；多层螺旋同心环结构109；

光谱采集器201；第一电晶光纤环202；第一电压驱动器；第二电晶光纤环204；第二电压驱动器；第一电晶光纤环路反射器206；第二电晶光纤环路反射器207；光纤分-合束器208。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

请参考图1，图1为本申请一种示例性实施例示出的傅里叶变换光谱仪的原理框图。

在本申请的一种实施例中，所提供的傅里叶变换光谱仪包括：分束器101，将待测光谱形成的线偏振光通过分束器101分为能量相等的第一光束和第二光束；电光晶体单晶光纤102，第一光束进入该电光晶体单晶光纤102；电压驱动器103，电压驱动器103驱动电光晶体单晶光纤102折射率变化，以便第一光束的光程发生变化；光纤环104，第二光束进入光纤环104，并发生位相延迟；合束器105，由电光晶体单晶光纤102射出的第一光束和由光纤环104射出的第二光束在合束器105里进行合束干涉；光电探测器106，光电探测器106探测发生合束干涉的第一光束和第二光束，形成合束干涉探测信号；信号处理器，信号处理器收集合束干涉探测信号，并收集电压驱动器103的电压驱动信息，基于预定的处理策略，计算出目标光谱。

如图1所示，待测光谱可以首先由光学收集装置经过汇聚、准直后进入偏振选择器，选择出线偏振光，然后进入分束器101，该分束器101为50%分束器101，从而分成能量相等的两束光：第一光束和第二光束。其中第一光束进入电光晶体单晶光纤102，第二光束进入与之相对应的光纤环104。光纤环104的作用是产生位相延迟，使ftir的两臂的相位差相等。电光晶体单晶光纤102在电压驱动器103的驱动下，产生由电光效应导致的折射率变换，使此路的光程变化。然后将光纤环104和电光晶体单晶光纤102出射的两束光进行合束干涉，并由光电探测器106进行探测。探测到的信号输入到信号处理器中。同时信号处理器获得电压驱动信息。将光电探测器106的采集信号作为幅值（纵坐标），将电压驱动信号作为横坐标，进行傅里叶变换，计算出目标光谱。

由此可知，该光谱仪的结构设计能够一方面能够使得两臂的最大光程差获得提升，另一方面能够保持结构紧凑和工作稳定性。

在上述实施例中，需要说明的是信号处理器可以包括信号采集模块107和傅里叶变换模块108，光电探测器106发出的合束干涉探测信号发送给给信号采集模块107，同时该信号采集模块107接收电压驱动器103的电压驱动信息，然后将该两种数据发送给傅里叶变换模块108，由该傅里叶变换模块108将光电探测器106的采集信号作为幅值（纵坐标），将电压驱动信号作为横坐标，进行傅里叶变换，计算出目标光谱。

此外，还需要说明的是，上述实施例中提到的光纤环104没有施加电光，也就是没有加电压驱动。其作用为：产生相位延迟，使得电光晶体单晶光纤102在未施加电压时和该光纤环104没有相位差。从而，当电光晶体单晶光纤102在施加电压时，第一光束和第二光束通过合束器105才有相位差。

下边对电光晶体单晶光纤102的结构及电光效应的原理做出介绍。具体的，请参考图2和图3，图2为图1中傅里叶变换光谱仪的电光晶体单晶光纤102的结构示意图；图3为图2中电光晶体单晶光纤102施加电场后的原理示意图。

本发明采用电光晶体单晶光纤102构成位相延迟器。单晶光纤也称纤维单晶或晶体纤维，是将晶体材料生长成为纤维状的单晶体，直径在几微米到数百微米。单晶光纤可以从各种不同的晶体材料中生长出来，各自具有不同的功能，其中具有光电效应的单晶光纤称为电光晶体单晶光纤102。如图1所示，电光晶体单晶光纤102与普通光纤类似，具有包层1022和芯层1021两层结构。光传输方向为a轴方向，单晶的晶轴为c轴。芯层1021的折射率按照偏振方向分别为沿c轴和b轴分别为和；包层1022中的折射率同样定义为和。根据电光效应，当在晶体的c轴方向加上直流电场，折射率的变化为：

公式一：

其中，△表示光沿着c轴偏振方向芯层1021变化的折射率；表示光沿着c轴偏振方向芯层1021折射率；表示晶体沿着c轴线性电光系数。

公式二：

其中，△表示光沿着b轴偏振方向芯层1021变化的折射率；表示光沿着b轴偏振方向芯层1021折射率；表示晶体沿着b轴的线性电光系数。

如图3所示，将单晶光纤沿c轴方向排布两根电极，电极间距为d，分别加正电压和负电压，则单晶光纤内部将具有电场。电场的大小为：

入射光方向的偏振态平行于c轴或b轴方向。当入射光偏振方向平行于c轴方向时，折射率将按照公式1形式变化；当入射光偏振方向平行于b轴时，折射率将按照公式2变化。

在上述实施例中，还可以电光晶体单晶光纤102的形状及其施加的电场做出进一步设计。比如，请参考图4、图5和图6，图4为图2的电光晶体单晶光纤形成环状构件并施加第一种电场的结构示意图；图5为图2的电光晶体单晶光纤形成环状构件并施加第二种电场的结构示意图；图6为图2的电光晶体单晶光纤形成环状构件并施加第三种电场的结构示意图。

比如，如图4所示，电光晶体单晶光纤102为一根电光晶体单晶光纤102形成的环状构件。在此基础上，电压驱动器103包括正电极1031和负电极1032，正电极1031为置于环状构件的外部、并与环状构件同心的环状电极；负电极1032为置于环状构件的内部、并与环状构件同心的环状电极。

在上述结构中，将单晶光纤弯曲盘绕称为环状，可使长度增加，如图3所示。将正电极1031和负电极1032分别放置于环形单晶光纤的内外两侧，形成径向的电场，同时晶体的a轴平行环形的轴线方向。

此外，如图5所示，可设计另一种电场施加方式。正电极1031设置于环状构件所在水平面的上方，负电极1032设置于环状构件所在的水平面的下方。

当然，可以再设计一种电场的施加机构，如图6所示，电光晶体单晶光纤102的圆周外壁上具有金属镀膜，金属镀膜的上环层形成正电极1031，金属镀膜的下环层形成负电极1032；上环层与下环层之间设有隔离切缝。

进一步的，还可以单晶光纤形成的环状构件做出改进设计。请参考图7，图7为图2中电光晶体单晶光纤102缠绕形成多层螺旋同心环的结构示意图。

在该种结构设计，如图7所示，环状构件包括同心且半径不相等的同心环。并且，同心环螺旋缠绕，形成多层螺旋同心环结构109。在该种结构中，可以增加同心环光纤的数量及相应环形电极的数量，形成多层排列，进一步增加光纤的长度。可以增加环形光纤的上下排布层数，形成螺旋形光纤，同时电极也具有多层结构，进一步增加光纤的长度。还可将上述两种排列方法进行组合，形成上下多层、多个同心螺旋形状的光纤形状。在此基础上，从而能够进一步提高两臂的光程差，提高分辨率。

此外，在本申请的上述实施例中，偏振选择器可采用双折射棱镜、偏振片、偏振镀膜的镜片等，使得光的偏振方向成为线偏振，并于电光晶体单晶光纤102的a轴平行。50%分束器101可采用镀膜的偏振镜或者光纤分束器101。

此外，光纤环104也可选择采用电光晶体单晶光纤102，与另外一束形成镜像对称形式，并施加同样序列的电压信号，但两者电压方向相反，造成一路折射率升高，一路折射率降低，形成推挽型延迟，从而增加等效光程差。该种技术方案也就是接下来要介绍的本申请的另外一种实施例。请参考图8和图9，图8位本申请另一种示例性实施例示出的傅里叶变换光谱仪的结构示意图；图9为图8中示出的傅里叶变换光谱仪第一电晶光纤环和第二电晶光纤环的结构示意图。

如图8所示，在该另一种实施例中，该傅里叶变换光谱仪包括

光谱采集器201，用于输入光谱信号；

分束器101，光谱采集器201输入的光谱信号通过光纤分束器101，分为能量相等的第一光束和第二光束；

第一电晶光纤环202，第一光束进入第一电晶光纤环202；

第一电压驱动器，用于给第一电晶光纤环202施加正向电场；

第二电晶光纤环204，第二光束进入第二电晶光纤环204；

第二电压驱动器，用于给第二电晶光纤环204施加负向电场；

第一电晶光纤环路反射器206，设于第一电晶光纤环202的输出端，用于将输出的第一光束反射，使其沿原路返回；

第二电晶光纤环路反射器207，设于第二电晶光纤环204的输出端，用于将输出的第二光束反射，使其沿原路返回；

合束器105，用于接收沿原路返回的第一光束和第二光束，并使其发生合束干涉；

光电探测器106，设于合束器105的输出端，用于探测发生合束干涉的第一光束和第二光束，并发出合束干涉探测信号；

信号处理器，信号处理器收集合束干涉探测信号，并收集电压驱动器103的电压驱动信息，基于预定的处理策略，计算出目标光谱。

进一步的，如图8所示，分束器和合束器可以为同一个具有分束和合束功能的光学元件，该光学元件可以定位为光纤分-合束器208。

上述全光纤的电光晶体单晶光纤102傅里叶变换光谱仪，采用完全镜像方式构成ftir的两个干涉臂，由两个完全一致的电光晶体单晶光纤102环构成位相延迟器，其中一个使光程增加，一个使光程缩减，形成推挽型结构。电光晶体单晶光纤102环具有两个端口，其中一个是输入和输出口，另外一个连接光纤环104路反射镜，使光纤环104中的光原路返回。两束从光纤环104中返回的光通过合束器105进入光电探测。这种方式构成的ftir具有完全镜像的结构，镜像的ftir两臂在受到振动、热扰动等环境影响时对光的位相产生一致的影响，从而对最终输出结果没有影响，最大限度的保证了ftir工作的稳定性。

如图9所示，可以通过施加相反的电极，从而在一个电晶光纤环上施加正电场，一个电晶光纤环上施加负电场。

具体的，电光晶体单晶光纤选用铌酸锂晶体（linbo3），也可选用钽酸锂等其他电光晶体。本实例以铌酸锂晶体为例。首先通过导模法、毛细管固化法或激光加热基座法等工艺生长铌酸锂单晶光纤，然后通过镁离子扩散法、质子交换法或离子注入法获得单晶光纤包层1022。制备的单晶光纤芯径为5μm，包层1022外径为20μm。将铌酸锂单晶光纤进行缠绕后形成如图7所示的多层螺旋形结构，具有两个端口。在多层螺旋形结构之间插入电极，如图9所示。图9是两个镜像型结构，铌酸锂单晶光纤盘绕成为上下10层的双螺旋结构，其中外层螺旋的半径为50mm，内层螺旋的半径为40mm，一个双螺旋结构的单晶光纤长度为5.6m,往返长度为11.2m。两层电极之间的距离。铌酸锂晶体的折射率,电光系数，根据上述参数和公式一，铌酸锂单晶光纤在电极电压为时产生的折射率变化。由两个铌酸锂单晶光纤调制器构成的推挽型延迟期造成的最大等效延迟距离为。根据ftir的分辨率公式(为波数)：，本装置的分辨率为。在1.5μm波段，本ftir的分辨率可达到0.15nm。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。