Wollaston棱镜阵列干涉光谱仪的研制及其光通量的分析

　　0　引　言

　　光谱仪是利用特征光谱达到目标识别的仪器。由于物体的发射光谱和吸收光谱都与辐射本身以及被测样品的物质组成有直接关系,因此,通过分析发射光谱或吸收光谱的特征就能了解物质内部的结构。传统的傅里叶变换光谱仪是利用迈克尔逊(Michelson)干涉仪的原理制成的,在工业和科研中的应用很普遍。它的优点是有很高的光谱分辨率,但是机械振动和空气扰动等干扰因素对它影响较大,而且实时性不好。此外,精确控制动镜移动的成本高、技术难度大。为了解决上述问题,90年代以来,随着面阵探测器的飞速发展国际上出现了“空间调制干涉光谱技术”,具有代表性的方案主要有变型Sagnac干涉仪和双折射晶体两种,它的主要优点是:没有运动部件,实时性好,原理简单,成本低。本文讨论利用Wol-laston棱镜做分光器件的傅里叶变换光谱仪。它的优点是没有光线反射回光源,光程差由双折射现象产生。另外,由于它属于共光路干涉仪,对机械震动和空气扰动抗干扰能力较强。

　　1　原　理

　　如图1所示,渥拉斯顿(Wollaston)棱镜由两个相同的光楔组成,它们胶合在一起组成一个平行平板。两个光楔中的光轴与外表面平行且彼此垂直。渥拉斯顿棱镜将入射光分成两条沿不同方向行进的光线,两光束间的光程差随光线离渥拉斯顿棱镜中心光轴y-y′的距离不同而不同。其角裂距α为

　　式中θ是棱镜的楔角;no和ne分别是寻常光和异常光的折射率。从与渥拉斯顿棱镜的光轴y- y′相距x处出射的oe光线与eo光线间的光程差为

　　沿y- y′轴出射的光线的光程差为0。光程差随增大而线性增大,它的大小取决于能利用的Wollaston棱镜的大小和楔角。由于光谱分辨率由最大光程差决定[3],所以提高光谱分辨率可以从渥拉斯顿棱镜的尺寸和楔角入手。

　　如图2所示是基于Wollaston棱镜的光谱仪的光路系统,a是光束的半径,L是Wollaston棱镜的纵向尺寸,将其放在两个取向合适的偏振镜之间,Wollaston棱镜内部的箭头表示棱镜的光轴方向,光源发出的光经过准直镜准直,经过起偏器后变成与双折射晶体的光轴成45°的线偏振光,再经过Wollaston棱镜在其内部的胶合面上分成两个振动方向相互垂直的寻常光(o光)和非寻常光(e光),检偏器的偏振化方向与双折射晶体的光轴成45°(与起偏器的偏振化方向成90°),条纹间距x0为

　　从公式(3)可以看出,条纹间距只与双折射率和楔角以及光源的波长有关[3]。接收到干涉条纹的方法有两种:第一种是用透镜将位于Wollaston棱镜镜内胶合面附近的干涉条纹成像于探测器上。还有一种方法是在Wollaston棱镜后放置第二个Wollaston棱镜,它的作用就相当于成像镜的作用。这里我们采用第一种方法。