可测温漂的偏振透反射分光光度计的设计

　　分光光度计作为一种光谱分析仪器,广泛地应用于各种研究、制造和分析领域.但是现有的商用分光光度计并非是专门为光学薄膜的测量而设计的,商用仪器常常无法满足特殊的测量要求^[1-4].对于在特殊使用环境下的光学薄膜器件,要求其透射率或反射率的光谱特性在几百度温度下具有很小的漂移^[5-8],或要求测量不同入射角下的透射率和反射率,更有甚者,许多场合要求分别测量其偏振特性^[9-12],对此现有的许多分光光度计显得无能为力.

　　本文设计了一种多功能分光光度计,不仅可以在常规条件下测量透射率和反射率,而且可以满足许多特殊的要求,包括精确测量室温至300℃光学薄膜的分光特性及温度漂移和任意角度、任意偏振态的光谱透反射率自动测量.

　　1　系统测量原理

　　1.1　光学系统及透反射测量原理

　　系统采用单光路测量,首先进行基线校正,即测出无样品时的入射光强I0,然后放入样品,在透射或反射方向处测得光强I1,则样品的透(反)射率

　　T(R)=I^₁/I^₀.

　　在光学系统设计中,为减少色散以及像差的影响,采用反射镜替代透镜.采用平行光束以免样品放置位置影响光斑形状,导致光束在探测器上的散焦,并消除光线入射角度对光学薄膜特性的影响.测量流程如图1所示.

　　1.2　电路控制系统与数据采集系统

　　1.2.1　机构控制部分　采用光电耦合方式,探测器与单色仪都设计了最大位置限位,与单片机软件配合解决脱轨现象.步进电机驱动采用细分驱动模式以提高位置精度.

　　1.2.2　数据采集部分　采用光电隔离器增强系统的抗干扰性能;为提高光谱二端的光电灵敏度,使用D/A控制高压值,配合16位并行接口A/D采集芯片及单片机数字滤波技术保证测量精度.每次测量先将滤光片转至挡光位置测得背景光信号,实际测量获得信号再时均减去此值.样品池采用发黑处理,以削弱杂散光的影响.

　　1.3　偏振自动校准

　　采用步进电机驱动偏振分束器在垂直平面内旋转来获得P或S偏振光.为了获得精确的P和S光的偏振方向,采用偏振方向自动校正的方法.根据马吕斯定律:

　　式中:α为2块偏振分束器光轴之间的夹角.在样品池中放置校准用的偏振分束器,通过改变偏振分束器光轴间的夹角,每旋转一定角度后均测量一次接收到的能量.根据式(1),测得的能量与偏振角之间的关系呈余弦分布,则其光强最小值的位置即是S光位置.设齿轮传动比为1∶100,则步进电机每一步的角度为360/51 200,约等于0.007°.如果按每10步进行扫描,则其扫描误差为0.07°.假设是理想偏振棱镜,经过自动偏振校准后,其消光比为cos²0.07°/cos²89.93°=6.70×10⁵,可以满足大多数测量的需求.原理如图2所示.