旋转光栅调制傅里叶变换频谱仪

　　1　引　言

　　频谱探测技术在监测大气污染、化学药品、微电子产品以及表面形貌分析等许多领域有着广泛的应用[1~3]。现代工业的发展对光谱测量的抗干扰能力、测量分辨率和测量灵敏度等提出了更高的要求。傅里叶变换光谱仪(FTS)因为其对入射光的充分利用、高信噪比而在近年得到普遍重视[3~6]。对微弱信号进行探测以及在红外、近红外领域探测器噪声成为决定性因素时,需要傅里叶变换光谱仪具有更高的测量灵敏度,而外差调制则能很好地解决这一问题[6,7]。

　　我们已研制出基于声光调制和平面光栅调制的傅里叶变换光谱仪并在工业中得到了应用[8,9]。但将声光调制方法用于红外区域时,因为透射元件难以制造而受到限制;平面光栅调制则有由于光栅往返移动使调制信号中断而无法实现连续测量的缺陷。为此,本文提出了基于圆盘旋转光栅调制[10]的傅里叶变换光谱仪,可以同时实现测量灵敏度的倍增和连续调制。

　　2　工作原理

　　基于旋转光栅调制的傅里叶变换光谱仪如图1所示。白光光源为卤素灯(MHF-150F),经照相机镜头准直后成为平行光束,再由消色差透镜Lens2汇聚到光栅表面。采用了反射式相位光栅获得±1级衍射主极大,衍射光由两个对称分布的球面镜反射返回。其中球面镜1固定不动,球面镜2装在由压电陶瓷(PZT)驱动的工作台上,沿衍射光方向作扫描产生光程差,由球面镜1,2反射返回的光经过光栅第二次衍射后组合光形成测量信号,得到白光干涉图。

　　为了便于找到白光零光程差的位置,借助了波长633 nm的He-Ne激光器和波长670 nm的LD抽运固体激光器(CL-1001)。两者调成共路后经透镜Lens1扩束,由分束器BS1反射与白光光束共路。另外,还使用了532 nm的YAG激光器(DPSS532),也调成与另两路激光共路,经光栅衍射后由两个固定不动的球面镜3和4反射返回,作为参考信号。参考光和测量光经过透镜Lens2后由分束器BS2反射,再通过分色镜Dichroic Mirror分开测量光和参考光,经探测器接收后送入锁相放大器(NF5610B),输出由八通道数字示波器(DL708)记录干涉图。由于参考信号也直接由光栅调制产生,与内置的固定频率的参考信号相比可以完全抵消光栅由于振动和栅距不均匀等带来的误差。

　　圆盘光栅由旋转工作台PH566-A驱动绕圆心旋转,旋转的角速度为ω。所以光束透射点处光栅的线速度v = r~ω,其中r为圆盘光栅的半径。

　　于是,光栅转动的调制频率f为

　　对于特定波长的单频光,其干涉图为一正弦曲线,设光波长为λ,则对应干涉图的频率为,其中vm为动镜的移动速度。动镜由具有伺服反馈的压电陶瓷工作台驱动,在可见光和近红外区域其干涉图的频率在几十赫兹范围内。而光栅调制的频率可以达到几千赫兹,有效地避开了工频干扰和其他低频噪声。