CN113804646B - 近红外傅里叶变换偏振光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种近红外傅里叶变换偏振光谱仪，包括：激光干涉子系统及其探测单元、白光干涉子系统及其探测单元；所述激光干涉子系统及其探测单元包括激光器、分束器、动镜、探测器和传感器；所述白光干涉子系统及其探测单元包括光源、滤波片、斩波器、光阑、偏振器、补偿器、曲面反射镜、聚焦组件和锁相放大器。本发明使用偏振器，进行各向异性特征样品的红外光谱测量。在光路中加入精密针孔，限制光斑尺寸，滤去杂散光，探测光再经聚焦于探测器时可获得高对比度干涉图。

Description

近红外傅里叶变换偏振光谱仪

技术领域

本发明涉及近红外光谱领域，特别涉及一种近红外傅里叶变换偏振光谱仪。

背景技术

红外光谱是确定分子组成和结构的有力工具，其中近红外光区主要是含氢基团(如0-H、N-H、C-H)伸缩振动的倍频及组合频吸收产生的吸收带。目前，传统的近红外傅里叶变换光谱仪在加入锁相放大器后可以实现对微弱信号的探测，但仍然是测量样品辐射的强度，无法区分辐射强度相同但偏振性不同的样品。对于各向异性特征样品来说，无法得到其振动基团在空间的取向，也就不能推断样品中分子的空间构象。

另外，对于目前的近红外傅里叶变换光谱仪来说，由于白光光源发出大孔径和大视场探测光，且扩束和聚焦元件通光孔径有限，因此易产生杂散光降低干涉条纹对比度。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种近红外傅里叶变换偏振光谱仪，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种近红外傅里叶变换偏振光谱仪，包括：激光干涉子系统及其探测单元、白光干涉子系统及其探测单元；

所述激光干涉子系统及其探测单元包括激光器、分束器、动镜、探测器和传感器；其中，激光器产生的激光通过分束器被分成两路，一路为反射激光，一路为透射激光，调整动镜位置改变两光束的光程差，通过探测器获取两激光光束的干涉图，并可得到动镜在移动过程中的倾斜位置信息，把位置信息传递给传感器，从而对动镜进行实时运动反馈调节，使动镜平面与光轴保持垂直状态；

所述白光干涉子系统及其探测单元包括光源、滤波片、斩波器、光阑、偏振器、补偿器、曲面反射镜、聚焦组件和锁相放大器，其中，光源发出的探测光经滤波片滤波为近红外光，再经过斩波器把光调制为高频，然后光经过光阑到达曲面反射镜，出射平行光，经第一偏振器和第一补偿器使所述平行光的偏振状态改变并使调整后的偏振光透射通过；这时，偏振光通过分束器被分成两路，一路为反射光作为参考光，一路为透射光作为探测光；探测光到达样品，与样品发生相互作用，光谱和偏振状态发生改变，携带样品信息的探测光的反射光、透射光或散射光由后续光学系统收集，经曲面反射镜扩束后经分束镜与参考光会聚成一路，调整动镜位置使两路光发生干涉，经第二补偿器和第二偏振器调整该干涉光的偏振状态并使调整后的平行光透射通过，再利用曲面反射镜把光聚集在焦点上，在聚焦的位置放置精密针孔；之后光通过聚焦组件聚焦，在该位置放置探测器；探测器的输出接口与锁相放大器的输入信号接口相连，斩波器的频率输出接口和锁相放大器的参考信号接口相连；此时，输入信号由于受到斩波器的调制与参考信号同频；锁相放大器对得到的信号进行解调，得到白光干涉图，对其进行傅里叶逆变换计算，从而得到近红外光谱，计算获得各向异性特征样品的结构和光学性质。

其中，所述激光干涉子系统中的激光器是氦氖激光器、二氧化碳激光器、固体激光器或半导体激光器。

其中，所述激光干涉子系统中的激光探测器能够反映光斑中心位置变化，是四象限探测器或CCD探测器。

其中，所述分束器能够将一束光分成相互垂直的两束光，是介质膜分束器、金属膜分束器、立方体分束器或平板分束器。

其中，所述白光干涉子系统中的光源是钨灯、卤素灯或激光驱动白光光源，波段包括近红外部分的光源。

其中，所述白光干涉子系统中的曲面反射镜是离轴抛物面镜或超环面反射镜。

其中，所述白光干涉子系统中的聚焦组件是单个透镜或透镜组，或者是单个曲面反射镜或曲面反射镜组。

其中，所述白光干涉子系统中的偏振器是沃拉斯顿棱镜偏振器、洛匈棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器、格兰激光偏振器、格兰汤普森棱镜偏振器或薄膜偏振器，能够把光变为线偏振光的元件。

其中，所述白光干涉子系统中的补偿器是波片或光弹相位补偿元件，能够改变光的偏振状态的元件。

所述白光干涉子系统中的探测器是PbSe探测器、Ge探测器、InSb探测器或InGaAs探测器。

基于上述技术方案可知，本发明的近红外傅里叶变换偏振光谱仪相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

1.使用偏振器，进行各向异性特征样品的红外光谱测量。在传统的近红外傅里叶变换光谱仪中引入偏振光测量，将近红外光干涉、傅里叶变换和偏振光测定技术相结合，在传统近红外傅里叶变换光谱仪获取被测样品光谱信息的基础上，还可通过测量探测光的偏振参数，求取被测样品更多光学常数(如厚度、折射率、消光系数等)。

2.由于白光光源发出大孔径和大视场探测光，扩束和聚焦元件通光孔径有限，易产生杂散光降低干涉条纹对比度。在光路中加入精密针孔，限制光斑尺寸，滤去杂散光，探测光再经聚焦于探测器时可获得高对比度干涉图。

附图说明

图1为反射式近红外傅里叶变换光谱仪系统示意图；

图2为透射式近红外傅里叶变换光谱仪系统示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种近红外傅里叶变换偏振光谱仪。该傅里叶变换光谱仪包含至少一个激光器，至少一个滤波片，至少一个斩波器，至少两个偏振器，至少两个补偿器，至少三个曲面反射元件，至少一个平面反射元件，至少一个分束器，至少一个精密针孔，至少一个聚焦透镜，至少一个红外探测器，至少一个四象限探测器，至少一个锁相放大器。近红外傅里叶变换光谱仪利用了迈克耳逊干涉，并加入斩波器把光源调制成高频，通过锁相放大器把微弱信号进行放大。本发明的傅里叶变换光谱仪，利用红外光谱对各向异性特征样品的结构和光学性质(n，k或介电常数)进行测量。

具体的，本发明公开了一种近红外傅里叶变换偏振光谱仪包括：激光干涉子系统及其探测单元、白光干涉子系统及其探测单元；

所述激光干涉子系统及其探测单元：激光器产生的激光通过分束器被分成两路，一路为反射激光，一路为透射激光，调整动镜位置改变两光束的光程差，通过四象限探测器获取两激光光束的干涉图，并可得到动镜在移动过程中的倾斜位置信息，把位置信息传递给压电陶瓷传感器，从而对动镜进行实时运动反馈调节，使动镜平面与光轴保持垂直状态，从而达到更好的白光干涉的目的。

所述白光干涉子系统及其探测单元：白光光源发出的探测光经滤波片滤波为近红外光，再经过斩波器把光调制为高频，然后光经过孔径光阑到达曲面反射镜，出射平行光，经第一偏振器和第一补偿器使所述平行光的偏振状态改变并使调整后的偏振光透射通过；这时，偏振光通过分束器被分成两路，一路为反射光(参考光)，一路为透射光(探测光)。探测光到达样品，与样品发生相互作用，光谱和偏振状态发生改变，携带样品信息的探测光的反射光、透射光或散射光由后续光学系统收集，经曲面反射镜扩束后经分束镜与参考光会聚成一路，调整动镜位置使两路光发生干涉，经第二补偿器和第二偏振器调整该干涉光的偏振状态并使调整后的平行光透射通过，再利用曲面反射镜把光聚集在焦点上，在聚焦的位置放置精密针孔，对光源的光斑尺寸进行限制，提高干涉条纹对比度，同时还可达到光斑连续可调的目的；之后光通过聚焦组件聚焦，在该位置放置探测器；探测器的输出接口与锁相放大器的输入信号接口相连，斩波器的频率输出接口和锁相放大器的参考信号接口相连。此时，输入信号由于受到斩波器的调制与参考信号同频，这样经锁相放大器可大幅度抑制低频噪声，提高检测信噪比。锁相放大器对得到的信号进行解调，得到白光干涉图，对其进行傅里叶逆变换计算，从而得到近红外光谱，计算获得各向异性特征样品的结构和光学性质(n，k或介电常数)。

可选的，所述激光干涉子系统中的激光器可以是氦氖激光器、二氧化碳激光器、固体激光器、半导体激光器等。

可选的，所述激光干涉子系统中的激光探测器可以是四象限探测器、CCD探测器等可以反映光斑中心位置变化的探测器。

可选的，所述分束器可以是介质膜分束器、金属膜分束器、立方体分束器、平板分束器等可将一束光分成相互垂直的两束光的元件。

可选的，所述白光干涉子系统中的光源可以是钨灯、卤素灯、激光驱动白光光源等波段包括近红外部分的光源。

可选的，所述白光干涉子系统中的曲面反射镜可以是离轴抛物面镜、超环面反射镜等。

可选的，所述白光干涉子系统中的聚焦组件可以是单个透镜或透镜组，也可以是单个曲面反射镜或曲面反射镜组等。

可选的，所述白光干涉子系统中的偏振器可以是沃拉斯顿棱镜偏振器、洛匈棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器、格兰激光偏振器、格兰汤普森棱镜偏振器、薄膜偏振器等可把光变为线偏振光的元件。

可选的，所述白光干涉子系统中的补偿器可以是波片、光弹相位补偿元件等可以改变光的偏振状态的元件。

可选的，所述白光干涉子系统中的探测器可以是PbSe探测器、Ge探测器、InSb探测器或者InGaAs探测器等。

可选的，对样品的入射角度可从0度到180度。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，为反射式近红外傅里叶变换偏振光谱仪系统示意图。其中包括：激光干涉子系统及其探测单元、白光干涉子系统及其探测单元。

所述激光干涉子系统及其探测单元，包括激光器、一个平面反射镜(动镜)、第二离轴抛物面镜、分束器、压电陶瓷传感器、四象限探测器，其中：

首先，激光器产生的激光通过分束器被分成两路，一路为反射激光，一路为透射激光，反射光经动镜反射返回到分束器，透射光经第二离轴抛物面镜反射聚焦在样品上，再经样品表面反射沿原路返回到分束器，分束器把这两路光汇成一路光，调整动镜位置改变两光束的光程差，通过四象限探测器获取两激光光束的干涉图，并得到动镜在移动过程中的倾斜位置信息，把位置信息传递给压电陶瓷传感器，从而对动镜进行实时运动反馈调节，使动镜平面与光轴保持垂直状态，从而达到更好的白光干涉的目的。

所述白光干涉子系统及其探测单元，包括白光光源、滤光片、斩波器、第一离轴抛物面镜、第一偏振器、第一补偿器(波片)、一个平面反射镜(动镜)、第二离轴抛物面镜、分束器、第二补偿器、第二偏振器、第三离轴抛物面镜、精密针孔、双凸透镜、InGaAs探测器、锁相放大器，其中：

首先，白光光源发出的探测光经滤波片滤波为近红外光，再经过斩波器把光调制为高频，然后光经过孔径光阑到达第一离轴抛物面镜，出射平行光，经第一偏振器和第一补偿器使所述平行光的偏振状态改变并使调整后的偏振光透射通过；这时，偏振光通过分束器被分成两路，一路为反射光，一路为透射光，反射光经动镜反射返回到分束器，透射光经第二离轴抛物面镜反射聚焦在样品上，与样品发生相互作用后，探测光的光谱和偏振状态发生改变，携带样品信息的光沿原路返回到分束器，分束器把这两路光汇成一路光，调整动镜位置使两路光发生干涉；经第二补偿器和第二偏振器调整该干涉光的偏振状态并使调整后的平行光透射通过，再利用第三离轴抛物面镜把光聚集在焦点上，在聚焦的位置放置精密针孔；之后光通过双凸透镜聚焦，在该位置放置InGaAs探测器；InGaAs探测器的输出接口与锁相放大器的输入信号接口相连，斩波器的频率输出接口和锁相放大器的参考信号接口相连。此时，输入信号由于受到斩波器的调制与参考信号同频，这样经锁相放大器可大幅度抑制低频噪声，提高检测信噪比。锁相放大器对得到的信号进行解调，得到白光干涉图，对其进行傅里叶逆变换计算，从而得到近红外光谱，计算获得各向异性特征样品的结构和光学性质(n，k或介电常数)。

实施案例二：

如图2所示，为透射式近红外傅里叶变换光谱仪系统示意图。其中包括：激光干涉子系统及其探测单元、白光干涉子系统及其探测单元。

所述激光干涉子系统及其探测单元，包括激光器、第一分束器、第二离轴抛物面镜、第三离轴抛物面镜、第二分束器、一个平面反射镜(动镜)、压电陶瓷传感器、四象限探测器，其中：

首先，激光器产生的激光通过分束器被分成两路，其中一路透射光经第二离轴抛物面镜和第三离轴抛物面镜直接透射第二分束器，另一路反射光经第二分束器在动镜平面发生反射，再经反射经过第二分束器，这两路光汇成一路光，调整动镜位置改变两光束的光程差，通过四象限探测器获取两激光光束的干涉图，并得到动镜在移动过程中的倾斜位置信息，把位置信息传递给压电陶瓷传感器，从而对动镜进行实时运动反馈调节，使动镜平面与光轴保持垂直状态，从而达到更好的白光干涉的目的。

所述白光干涉子系统及其探测单元，包括白光光源、滤光片、斩波器、第一离轴抛物面镜、第一偏振器、第一补偿器(波片)、第一分束器、第二离轴抛物面镜、第三离轴抛物面镜、第二分束器、一个平面反射镜(动镜)、第二补偿器、第二偏振器、第四离轴抛物面镜、精密针孔、双凸透镜、InGaAs探测器、锁相放大器，其中：

首先，白光光源发出的探测光经滤波片滤波为近红外光，再经过斩波器把光调制为高频，然后光经过孔径光阑到达第一离轴抛物面镜，出射平行光，经第一偏振器和第一补偿器使所述平行光的偏振状态改变并使调整后的偏振光透射通过；其中一路透射光经第二离轴抛物面镜、样品和第三离轴抛物面镜直接透射第二分束器，与样品发生相互作用后，探测光的光谱和偏振状态发生改变。另一路反射光经第二分束器在动镜平面发生反射，再经反射经过第二分束器，这两路光汇成一路光，调整动镜位置使两路光发生干涉；经第二补偿器和第二偏振器调整该干涉光的偏振状态并使调整后的平行光透射通过，再利用第四离轴抛物面镜把光聚集在焦点上，在聚焦的位置放置精密针孔；之后光通过双凸透镜聚焦，在该位置放置InGaAs探测器；InGaAs探测器的输出接口与锁相放大器的输入信号接口相连，斩波器的频率输出接口和锁相放大器的参考信号接口相连此时，输入信号由于受到斩波器的调制与参考信号同频，这样经锁相放大器可大幅度抑制低频噪声，提高检测信噪比。锁相放大器对得到的信号进行解调，得到白光干涉图，对其进行傅里叶逆变换计算，从而得到近红外光谱，计算获得各向异性特征样品的结构和光学性质(n，k或介电常数)。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种近红外傅里叶变换偏振光谱仪，其特征在于，包括：激光干涉子系统及其探测单元、白光干涉子系统及其探测单元；

所述激光干涉子系统及其探测单元包括激光器、分束器、动镜、探测器和传感器；其中，激光器产生的激光通过分束器被分成两路，一路为反射激光，一路为透射激光，调整动镜位置改变两光束的光程差，通过探测器获取两激光光束的干涉图，并可得到动镜在移动过程中的倾斜位置信息，把位置信息传递给传感器，从而对动镜进行实时运动反馈调节，使动镜平面与光轴保持垂直状态；

所述白光干涉子系统及其探测单元包括光源、滤波片、斩波器、光阑、偏振器、补偿器、曲面反射镜、聚焦组件和锁相放大器，其中，光源发出的探测光经滤波片滤波为近红外光，再经过斩波器把光调制为高频，然后光经过光阑到达曲面反射镜，出射平行光，经第一偏振器和第一补偿器使所述平行光的偏振状态改变并使调整后的偏振光透射通过；这时，偏振光通过分束器被分成两路，一路为反射光作为参考光，一路为透射光作为探测光；探测光到达样品，与样品发生相互作用，光谱和偏振状态发生改变，携带样品信息的探测光的反射光、透射光或散射光由后续光学系统收集，经曲面反射镜扩束后经分束镜与参考光会聚成一路，调整动镜位置使两路光发生干涉，经第二补偿器和第二偏振器调整该干涉光的偏振状态并使调整后的平行光透射通过，再利用曲面反射镜把光聚集在焦点上，在聚焦的位置放置精密针孔；之后光通过聚焦组件聚焦，在该位置放置探测器；探测器的输出接口与锁相放大器的输入信号接口相连，斩波器的频率输出接口和锁相放大器的参考信号接口相连；此时，输入信号由于受到斩波器的调制与参考信号同频；锁相放大器对得到的信号进行解调，得到白光干涉图，对其进行傅里叶逆变换计算，从而得到近红外光谱，计算获得各向异性特征样品的结构和光学性质。

2.如权利要求1所述的近红外傅里叶变换偏振光谱仪，其特征在于，所述激光干涉子系统中的激光器是氦氖激光器、二氧化碳激光器、固体激光器或半导体激光器。

3.如权利要求1所述的近红外傅里叶变换偏振光谱仪，其特征在于，所述激光干涉子系统中的激光探测器能够反映光斑中心位置变化，是四象限探测器或CCD探测器。

4.如权利要求1所述的近红外傅里叶变换偏振光谱仪，其特征在于，所述分束器能够将一束光分成相互垂直的两束光，是介质膜分束器、金属膜分束器、立方体分束器或平板分束器。

5.如权利要求1所述的近红外傅里叶变换偏振光谱仪，其特征在于，所述白光干涉子系统中的光源是钨灯、卤素灯或激光驱动白光光源，波段包括近红外部分的光源。

6.如权利要求1所述的近红外傅里叶变换偏振光谱仪，其特征在于，所述白光干涉子系统中的曲面反射镜是离轴抛物面镜或超环面反射镜。

7.如权利要求1所述的近红外傅里叶变换偏振光谱仪，其特征在于，所述白光干涉子系统中的聚焦组件是单个透镜或透镜组，或者是单个曲面反射镜或曲面反射镜组。

8.如权利要求1所述的近红外傅里叶变换偏振光谱仪，其特征在于，所述白光干涉子系统中的偏振器是沃拉斯顿棱镜偏振器、洛匈棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器、格兰激光偏振器、格兰汤普森棱镜偏振器或薄膜偏振器，能够把光变为线偏振光的元件。

9.如权利要求1所述的近红外傅里叶变换偏振光谱仪，其特征在于，所述白光干涉子系统中的补偿器是波片或光弹相位补偿元件，能够改变光的偏振状态的元件；

所述白光干涉子系统中的探测器是PbSe探测器、Ge探测器、InSb探测器或InGaAs探测器。

10.如权利要求1所述的近红外傅里叶变换偏振光谱仪，其特征在于，对样品的入射角度范围为0度到180度。