基于AOFT的便携式近红外光谱测量仪

　　1　引　言

　　近红外光谱分析技术主要是利用分光光度法对样品进行定性或定量分析。它依据的原理是物质对光的选择性吸收。分光系统是这项技术的关键。传统的分光技术有滤波片分光、光栅分光、傅立叶变换分光,这类分光系统的共同特点是采用机械扫描和狭缝可调机构,其体积庞大,结构复杂。新型的分光元件—声光可调滤光器(AOFT)不同于通常分光器件,采用声光调制产生单色光。即通过超声射频的变化实现光谱扫描。光学系统无移动部件、重现性好、扫描速度快而且波长切换快且可利用程序快速控制。它的这些优点使它很适合作在线或便携式测量仪器。

　　2　AOFT的工作原理

　　AOFT是利用声波和光波在声光介质中的相互作用来工作的。该声光介质是具有较高声光品质因素和较低声衰减的双折射晶体。AOFT原理图如图1示。

　　AOFT由三部分组成[1]:声光介质、换能器阵列和吸声体。当射频信号加到换能器上时,激励出声波并耦合到声光介质。为了防止声波反射,透过介质的声波被吸声体吸收。当复色光以一定角度入射到声光介质后,经声光相作用,对应某个声频率,入射光被超声波衍射成两束正交偏振的单色光,一束为e光,一束为o光,分别位于零级光的两层。如图1所示。

　　要实现声光衍射必须满足以下动量匹配条件[2]:

　　式中,ni和nd分别代表入射光和衍射光的折射率;λ0是衍射光在真空中的波长;f是超声驱动频率; v是指声波在声光介质中的传播速度。对于各向异性声光介质,能满足动量匹配条件的衍射光波长λ0与声速v、声频f、入射光及晶体晶轴的夹角θi之间有如下关系:

　　其中,△n=|ne-n0|,n0、ne为o光和e光的轴向折射率。(5)式为超声频率与调制波长的调谐关系。

　　当改变声波频率时,满足动量匹配条件的衍射光波长也将相应改变,连续改变超声频率就能实现衍射光波长的快速扫描。

　　3　光谱测量系统的结构

　　光谱测量系统包括:采样系统、光学系统和控制及数据处理系统。系统框图如图2。

　　虚框内是采样系统、光学系统部分和控制系统,框外是数据处理系统部分。采样及光学系统设计示意图如图3示。

　　光学系统主要由光源(卤钨灯)、声光可调滤光器和光电探测器组成。光经过准直镜耦合后进入样品池,从样品池出射的带有样品信息的光束经声光可调滤光器调制被分解成单色光,投射到光电探测器上。控制系统主要包括射频控制电路、信号放大电路和A/D转换电路。光信号经光电探测器变为电信号,并经A/D转换器转换,送入单片机进行信号处理。