[發明專利]一種激光干涉儀光程差定位方法及系統

有效

• 申請號: 201310025499.7
• 申請日: 2013-01-22
• 公開（公告）號: CN103076090A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 李劍平
• 申請（專利權）人: 李劍平
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G01J3/06
• 代理公司: 濟南舜源專利事務所有限公司 37205
• 代理人: 閆曉燕

技術領域

?本發明為一種激光干涉儀光程差定位方法及系統。

背景技術

相比于色散型分光光譜儀，傅里葉變換光譜儀在長波紅外波段具有如下明顯的固有光學特性優點：1多通道(Multiplex)；2高光通量(Throughput)；3高光譜測量精度?(Connes)；4?寬測量波段；5高/可調諧光譜分辨率；6全波段分辨率一致。因此，傅里葉變換光譜儀被廣泛的應用在紅外吸收譜的測量中，且被更廣泛的稱作傅里葉紅外光譜儀。傅里葉紅外光譜儀可以對樣品進行定性和定量分析，具有信噪比高、重現性好和掃描速度快等特點，被廣泛應用于醫藥化工、地礦、石油、煤炭、環保、海關、寶石鑒定、刑偵鑒定等領域。

若不考慮吸收譜的測量，更為廣義的傅里葉變換光譜儀主要由光源、光闌、干涉儀（分束器、動鏡、定鏡）、探測器以及各種反射鏡、激光器、控制電路板和電源組成。其基本結構及原理如圖1所示。

待測光源發出的入射光經準直后被干涉儀的分束器（半透半反鏡）分為兩束，一束經透射到達動鏡，另一束經反射到達定鏡；兩束光分別經定鏡和動鏡反射后再回到分束器。動鏡以一恒定速度在零光程差附近作連續直線往復運動，因而經分束器分束后的兩束光形成光程差，產生干涉。干涉光在分束器會合后到達探測器，探測器完成光電信號轉換，產生連續的干涉圖樣電信號。傅里葉光譜儀的主控計算機所配備的模數轉換卡對連續干涉圖樣進行采樣，得到離散的數字干涉圖樣。然后通過計算機對離散干涉信號進行快速離散傅里葉變換處理，最終得到光源發出光信號的光譜。

若對連續干涉圖樣的采樣可以精確地以等光程差間隔的方式進行，則所實現的傅里葉光譜測量具有光譜測量精度極高(Connes)的優點。這在商品化的傅里葉紅外光譜儀當中通常是通過采用一個632.8納米波長氦氖激光器驅動的干涉儀實現的。其原理如圖2所示。

傅里葉紅外光譜儀的光譜測量主干涉儀和光程差定位輔助干涉儀的動鏡共享同一個驅動平移臺。因為兩個干涉儀處于空間上高度局域化的環境中，因此當兩個動鏡同時掃描時會產生幾乎完全關聯的光程差變化。由于輔助干涉儀的驅動激光采用了波長穩定性和準確度極佳的632.8納米氦氖激光，當掃描時，輔助干涉儀的干涉信號可以寫為：

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其中I（x）是干涉信號光強隨動鏡位移x的函數，I₀是輔助干涉儀的入射光強。此時輔助干涉儀的探測器將會精確地產生一個光程半周期為316.4納米的正弦波電信號；此信號經過一個過零點檢測電路，在所有正弦波的過零點處產生一連串脈沖信號；該脈沖信號同時觸發計算機的模數轉換卡對主干涉儀探測器此時產生的干涉信號進行采樣。這就等效于傅里葉紅外光譜儀精確地以316.4納米光程差間隔對干涉圖樣進行采樣，從而可以在波長大于632.8納米的近紅外及更長波長的波段獲得精度極高的紅外光譜。可以說傅里葉變換紅外光譜儀的高光譜精度優點并不是傅里葉光譜儀所固有的，而是由于引入了可以實現等光程差采樣的氦氖激光驅動干涉儀而帶來的。但是這一優點為光譜儀的實際應用帶來了很多操作上的方便。

根據恩奎斯特采樣定律（即采樣頻率至少為信號頻率的兩倍或以上，傅里葉變換才可以獲得沒有混疊的準確光譜），傅里葉光譜儀的光程差采樣間隔必須小于等于可測得最短波長的1/2；若欲測最短波長為400納米，則光程差采樣間隔至少為200納米；而因為光路被動鏡反射一次，這就意味著動鏡的機械運動路程定位精度需達到100納米。很顯然這對動鏡的光程差定位提出了極高的精度要求，而若想使傅里葉變換光譜儀可以測量到波長更短的近紫外光波段，這一要求就變得更加苛刻；這是為什么傅里葉變換光譜儀被更多地應用于紅外長波長測量的主要原因之一。