專利名稱：等效低溫高靈敏度紅外光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外光譜儀，具體為一種等效低溫高靈敏度紅外光譜儀。
背景技術(shù)：
紅外光譜是一種重要的分析方法，其廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物和醫(yī)藥的基本研究和檢測，應(yīng)用于天文觀測、各種工業(yè)生產(chǎn)過程和大氣環(huán)境污染狀況的檢測與控制，還應(yīng)用于同位素分析、等離子體熱核反應(yīng)溫度測量等方面。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們在紅外光譜分析方面的要求也越來越高，常規(guī)的光電探測技術(shù)已經(jīng)難以滿足需求，因而急需高靈敏度探測技術(shù)的突破。紅外探測器探測率的限制因素來源于兩個方面，一是探測器本身，其中最主要的是暗電流噪聲；另一方面是照射到探測器表面的室溫黑體輻射背景光子漲落。在不同的背景光強(qiáng)和工作溫度狀態(tài)，分別有一種限制因素起到主導(dǎo)作用。對于一個典型的紅外探測器，其探測率-溫度依賴曲線上存在一個重要的溫度點(diǎn)，為背景限制溫度(也稱BLIP溫度)。當(dāng)工作溫度大于BLIP溫度時，探測器工作于器件噪聲限制狀態(tài)，此時，通過降低工作溫度會使得暗電流以及暗電流噪聲迅速減小，從而快速提高探測率。在紅外光譜測量的實(shí)際應(yīng)用中，人們常常利用制冷設(shè)備對光發(fā)射源和紅外探測器進(jìn)行制冷來提高紅外探測的性能，例如，可以將紅外探測器置于杜瓦之中。以量子阱紅外探測器(QWIP)為例QWIP暗電流I與溫度T之間滿足I ^ exp (-EA/kBT)的關(guān)系(對于一個典型的中紅外QWIP，其中Ea Γ250 meV)為激發(fā)能，4為波爾茲曼常數(shù))，將器件的工作溫度由300K室溫降低至77K，則器件的暗電流將降為300K時的萬分之一，相應(yīng)的，器件噪聲將降為原來的100萬分之一，則器件信噪比將提高1000倍。但是，一旦工作溫度低于BLIP溫度，繼續(xù)降低工作溫度就不會再有效果，因?yàn)榇藭r探測器位于BLIP狀態(tài)，即探測器的噪聲主要來源決定于環(huán)境背景中的光子漲落，而與探測器本身的性能無關(guān)。為了獲得更高的器件性能，提高紅外探測器的探測率，就必須降低背景輻射所導(dǎo)致的光子漲落，通過計算可以知道，通過將背景輻射溫度從300 K降低至液氮溫度77K，可以將中紅外波段的背景輻射強(qiáng)度降低至原來的萬分之一以下，相應(yīng)的，背景輻射所導(dǎo)致的噪聲也大大降低，而器件的探測率將提高100倍。若將背景輻射溫度降至液氦溫度，那么器件的信噪比將進(jìn)一步顯著提高。具體分析如下
任何物體都不斷地輻射電磁波，具有一定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān)，被稱之為熱輻射。普朗克輻射定律(Planck)給出了黑體輻射的具體譜分布，在一定溫度下，單位面積的黑體在單位時間、單位立體角內(nèi)和單位波長間隔內(nèi)輻射出的能量為
2Ac3 I
) - ~=--
Aa cap (AcZliI)-I
其中λ為輻射波長，Γ為黑體絕對溫度，c為光速，A為普朗克常數(shù)，々為波爾茲曼常數(shù)。以一個5微米截止波長的QWIP為例，根據(jù)目前的技術(shù)水平，其BLIP溫度約為110K，該工作溫度下和300K的背景輻射溫度下，探測率為IO11瓊斯水平。將該器件置于77K的液氮杜瓦中，其探測率也和IlOK時相同。若將背景輻射溫度由300K降低至77 K (液氮溫度)，根據(jù)黑體輻射公式，5微米處的背景輻射強(qiáng)度就降為原來的5萬分之一，器件的噪聲也降至原來的萬分之一以下，器件的探測率將提高100倍以上，達(dá)到IO13瓊斯水平。相應(yīng)的，紅外光譜儀的信噪比也比常規(guī)情況提高100倍以上。為了提高紅外光譜儀靈敏度，需要降低背景輻射溫度，一個方案是全低溫紅外光譜儀，將光譜儀各個部分(紅外光源、紅外探測器、各類透鏡、反射鏡、光譜儀掃描光機(jī)設(shè)備等)都置于低溫下。而該解決方案的缺陷在于很難將光機(jī)掃描設(shè)備全部置于低溫杜瓦之中，同時很難對其實(shí)現(xiàn)精確控制
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種等效低溫高靈敏度紅外光譜儀，以解決現(xiàn)有技術(shù)中為了提高紅外光譜儀靈敏度，需要降低背景輻射溫度，從而需要將光譜儀各個部分(紅外光源、紅外探測器、各類透鏡、反射鏡、光譜儀掃描光機(jī)設(shè)備等)都置于低溫下，而該解決方案的缺陷在于很難將光機(jī)掃描設(shè)備全部置于低溫杜瓦之中，并且很難實(shí)現(xiàn)對各組件的精確控制的技術(shù)性問題。本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種等效低溫高靈敏度紅外光譜儀，包括
低溫杜瓦一，用于給紅外光源降溫；
紅外光源，用于發(fā)射紅外光，位于所述低溫杜瓦一的焦點(diǎn)處；
拋物線反射鏡一，用于將所述紅外光源所發(fā)出的光匯聚成為平行光；
可移動分離反射鏡，用于將所述平行光反射成兩束紅外光，所述兩束紅外光之間具備不同的光程，相互干涉；
拋物反射鏡二，用于對所述兩束紅外光進(jìn)行匯聚；
紅外探測器，用于探測紅外光，位于所述拋物反射鏡二的焦點(diǎn)處；
低溫杜瓦二，用于對所述紅外探測器進(jìn)行制冷。優(yōu)選地，所述低溫杜瓦一和所述低溫杜瓦二可選自液氮杜瓦、液氦杜瓦或循環(huán)制冷機(jī)杜瓦的一種。優(yōu)選地，所述紅外光源包括紅外點(diǎn)光源或紅外類點(diǎn)光源。優(yōu)選地，所述紅外類點(diǎn)光源包括量子級聯(lián)激光器。優(yōu)選地，所述可移動分離反射鏡包括固定反射鏡和可移動反射鏡。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)
1、本發(fā)明的等效低溫高靈敏度紅外光譜儀，只需要對紅外探測器和紅外光源這兩個部分進(jìn)行制冷，其他組件尤其是需要移動的組件都無需制冷，操作非常方便；
2、本發(fā)明的等效低溫高靈敏度紅外光譜儀能夠?qū)⒓t外探測器所接收到的背景輻射由300K降低為液氦或者液氮溫度，紅外探測器的探測率因此大大提高，可達(dá)到IO13瓊斯甚至更高水平，比室溫背景輻射下的性能提高兩個數(shù)量級以上，相應(yīng)的，該紅外光譜儀的靈敏度也比常規(guī)的紅外光譜儀高兩個數(shù)量級以上；
3、在本發(fā)明的等效低溫高靈敏度紅外光譜儀中沒有光學(xué)透鏡，只有光學(xué)反射鏡，在光學(xué)反射鏡為理想反射鏡面時，鏡面不會產(chǎn)生黑體輻射，因此，紅外探測器不會受到室溫黑體輻射的干擾，從而大大提高探測率；
4、本發(fā)明的等效低溫高靈敏度紅外光譜儀的靈敏度顯著高于現(xiàn)有紅外光譜儀，同時，本發(fā)明的等效低溫高靈敏度紅外光譜儀的大部分組件無需置于低溫之下，解決了全低溫高靈敏度紅外光譜儀的種種弊端。


圖I為本發(fā)明的等效低溫高靈敏度紅外光譜儀的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
·
以下結(jié)合附圖，具體說明本發(fā)明?，F(xiàn)有技術(shù)中，為了提高紅外光譜儀靈敏度，需要降低背景輻射溫度，從而需要將光譜儀各個部分(紅外光源、紅外探測器、各類透鏡、反射鏡、光譜儀掃描光機(jī)設(shè)備等)都置于低溫下，該解決方案的困難在于很難將光機(jī)掃描設(shè)備全部置于低溫杜瓦之中，并且很難實(shí)現(xiàn)對各組件的精確控制。而本發(fā)明的等效低溫高靈敏度紅外光譜儀，只需要對紅外探測器和紅外光源這兩個部分進(jìn)行制冷，其他組件尤其是需要移動的組件都無需制冷，操作非常方便。本發(fā)明的等效低溫高靈敏度紅外光譜儀能夠?qū)⒓t外探測器所接收的背景輻射由300K降低為液氦或者液氮溫度，紅外探測器的探測率因此大大提高，可達(dá)到IO13瓊斯甚至更高水平，比室溫背景輻射下的性能提高兩個數(shù)量級以上，相應(yīng)的，該紅外光譜儀的靈敏度也比常規(guī)的紅外光譜儀高兩個數(shù)量級以上。請參閱圖1，本發(fā)明的等效低溫高靈敏度紅外光譜儀，包括低溫杜瓦一 I、紅外光源2、拋物線反射鏡一 3、可移動分離反射鏡4、拋物反射鏡二 5、紅外探測器7和低溫杜瓦二6。其中，低溫杜瓦一 I可選自液氮杜瓦、液氦杜瓦或循環(huán)制冷機(jī)杜瓦的一種，低溫杜瓦一 I用于給紅外光源2降溫。紅外光源2可為紅外點(diǎn)光源或紅外類點(diǎn)光源，用于發(fā)射紅外光，在本實(shí)例中，紅外光源采用量子級聯(lián)激光器，該激光器設(shè)置在低溫杜瓦一的焦點(diǎn)處。拋物線反射鏡一 3，用于將紅外光源2所發(fā)出的光匯聚成為平行光。可移動分離反射鏡4包括固定反射鏡和可移動反射鏡，固定反射鏡固定不動，可移動反射鏡可移動以將入射的平行光反射成兩束紅外光，該兩束紅外光之間具備不同的光程，相互干涉。拋物反射鏡二 5，用于對兩束紅外光進(jìn)行匯聚。紅外探測器7，用于探測紅外光，位于拋物反射鏡二 5的焦點(diǎn)處。低溫杜瓦二 6可選自液氮杜瓦、液氦杜瓦或循環(huán)制冷機(jī)杜瓦的一種，用于對紅外探測器7進(jìn)行制冷。使用時，紅外光源2發(fā)出紅外光，低溫杜瓦一 I給紅外光源2降溫，紅外光源2發(fā)出的光由拋物線反射鏡一 3匯成平行光，經(jīng)可移動分離反射鏡4反射后，形成兩束具有一定光程差的相干光，這兩束相干平行光經(jīng)拋物反射鏡二 5匯聚之后，為紅外探測器7所探測，低溫杜瓦二 6對紅外探測器7進(jìn)行制冷。在本發(fā)明中，只有紅外探測器和紅外光源這兩個部分需要制冷，其他組件包括拋物反射鏡、可移動分離反射鏡等都不需要置于低溫之中，該方案易于實(shí)現(xiàn)，且操作方便。并且，由于系統(tǒng)中不用到分束片、透鏡等透射型光學(xué)器件，在反射鏡為理想鏡面的情況下，探測器不會接收到300 K的背景輻射，只能夠接收到低溫的背景輻射，從而大大提高探測率。以上公開的僅為本申請的幾個具體實(shí)施例，但本申請并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化，都應(yīng)落在本申請的保護(hù)范圍內(nèi)?！?br> 權(quán)利要求
1.一種等效低溫高靈敏度紅外光譜儀，其特征在于，包括 低溫杜瓦一，用于給紅外光源降溫； 紅外光源，用于發(fā)射紅外光，位于所述低溫杜瓦一的焦點(diǎn)處； 拋物線反射鏡一，用于將所述紅外光源所發(fā)出的光匯聚成為平行光； 可移動分離反射鏡，用于將所述平行光反射成兩束紅外光，所述兩束紅外光之間具備不同的光程，相互干涉； 拋物反射鏡二，用于對所述兩束紅外光進(jìn)行匯聚； 紅外探測器，用于探測紅外光，位于所述拋物反射鏡二的焦點(diǎn)處； 低溫杜瓦二，用于對所述紅外探測器進(jìn)行制冷。
2.如權(quán)利要求I所述的一種等效低溫高靈敏度紅外光譜儀，其特征在于，所述低溫杜瓦一和所述低溫杜瓦二可選自液氮杜瓦、液氦杜瓦或循環(huán)制冷機(jī)杜瓦的一種。
3.如權(quán)利要求I所述的一種等效低溫高靈敏度紅外光譜儀，其特征在于，所述紅外光源包括紅外點(diǎn)光源或紅外類點(diǎn)光源。
4.如權(quán)利要求3所述的一種等效低溫高靈敏度紅外光譜儀，其特征在于，所述紅外類點(diǎn)光源包括量子級聯(lián)激光器。
5.如權(quán)利要求I所述的一種等效低溫高靈敏度紅外光譜儀，其特征在于，所述可移動分離反射鏡包括固定反射鏡和可移動反射鏡。
全文摘要
本發(fā)明的等效低溫高靈敏度紅外光譜儀，包括低溫杜瓦一、紅外光源、拋物線反射鏡一、可移動分離反射鏡、拋物反射鏡二、紅外探測器和低溫杜瓦二。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明的等效低溫高靈敏度紅外光譜儀，只需要對紅外探測器和紅外光源這兩個部分進(jìn)行制冷，其他組件尤其是需要移動的組件都無需制冷，操作非常方便；2、本發(fā)明的等效低溫高靈敏度紅外光譜儀能夠?qū)⒓t外探測器所接收到的背景輻射由300K降低為液氦或者液氮溫度，紅外探測器的探測率因此大大提高，比室溫背景輻射下的性能提高兩個數(shù)量級以上，相應(yīng)的，該紅外光譜儀的靈敏度也比常規(guī)的紅外光譜儀高兩個數(shù)量級以上。
文檔編號G01J3/28GK102818632SQ20121028589
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月13日
發(fā)明者劉惠春, 楊耀 申請人:上海交通大學(xué)