电光调制傅里叶干涉仪光谱分析及软件实现

引　言

在物质分析、浓度定性定量等领域采用光谱分析已十分普遍,以迈克尔逊干涉仪为基础的光谱仪[1]在目前应用最为广泛,相应的光谱分析软件也主要是针对机械扫描的。虽然传统干涉具分辨率高,但其结构相对复杂、稳定性不高,所以在静态干涉具的基础上研究电光调制增大光程差是非常有必要的。文章的出发点就是在原有傅里叶干涉仪[2,3]基础上改进,提高整个干涉具可调谐的光程差范围,由此提出电光调制的方法。

针对方法的特点需要研究与之对应的光谱分析软件,现有的光谱分析软件主要出自美国和欧洲,例如M21(美国)环境监测系统[4]中有用于静态干涉条纹数据处理的光谱分析平台。国内也有部分同类产品,但如上所述基本上都是用于扫描式迈克尔逊干涉仪[5]的,对于国内未见产品的电光调制傅里叶干涉仪必须采用特有的光谱分析算法及软件。本文在研究电光调制傅里叶干涉仪的基础上设计了特定的光谱分析算法,并在Visual Studio[6]平台下开发了相应的光谱分析软件。

1　系统设计

1.1　基本原理

整个系统如图1所示,由调制电路控制电压产生周期变化的信号驱动换能器实现调制过程,使加载在干涉具A、B上的两个信号相位相反,从而使其通过折射率变化在一个周期内对光程差实现静态扫描。线阵CCD采集由调制干涉具得到的干涉条纹,在分析调制干涉形成原理的基础上,设计光谱分析算法对CCD采集得到的数据进行处理,并在相应的平台上编写成光谱分析软件,最终在PC机上运行显示光谱探测结果。

干涉具由电光调制晶体制成,在分束面两侧加载相位相反调制信号。采用电压调制电路控制换能器,在三角镜A上加载一个Asin(x)信号,在三角镜B上加载一个Asin(x+π)的信号,相反的相位可以提供晶体折射率的最大变化值,即可产生最大光程差。其中CCD相机单个象元尺寸14μm×14μm,则其整个光敏面的有效长度为2.687 2 cm。当干涉具不引入电光调制时,由几何光学可以求解出随着x的变化而变化的光程差函数为:

其中,n为折射率,x为x轴上任意位置,α为干涉具中的倾斜角。

当采用电光调制干涉具时,引入相位相反的信号可以有效地增大光程差,随x变化的光程差函数为:

其中,a为电光调制干涉具的尺寸,根据光敏面长度为2.687 cm将a定为2.6 cm,x为x轴方向上任意位置,α为干涉具中的倾斜角。

以折射率为2.236的LiNbO3晶体作为干涉具的材料时,通过标准激光器探测可得出射晶体偏转的角度θ,吸收系数ε、衍射效率η,则光程差函数为: