專利名稱：基于可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器和陣列式探測器光譜儀的超高分辨率光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜測量儀器，尤其涉及一種基于可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器和陣列式探測器光譜儀的超高分辨率光譜儀。
背景技術(shù)：
光譜表示光學(xué)強度隨著光學(xué)波長(或光學(xué)頻率)的分布。光譜測量作為一種基本物性的測量，在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。光譜的測量一般都依賴各種光譜儀進行，光譜儀種類繁多，工作原理和性能各有不同。針對不同的應(yīng)用背景，人類已經(jīng)發(fā)展了各種類型的光譜儀。二十年來，隨著陣列式光電探測器的發(fā)展，基于電荷耦合器件(CCD器件)或焦平面陣列器件的陣列式探測器光譜儀已經(jīng)發(fā)展到很高的水平，一般都具有實時的光譜測量能力，并具有相當好的光譜分辨率。但是，基于陣列式探測器的光譜儀的分辨率受限于探測器的像元數(shù)和光譜分光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在很多應(yīng)用領(lǐng)域尚不能滿足實際需求。光譜儀采用的陣列式探測器可以是線陣的，也可以是面陣的。對于采用線陣探測器的光譜儀，一般僅需要在一維方向上作光譜展開，因此光譜分光結(jié)構(gòu)相對簡單；但是，由于線陣探測器的像元數(shù)較少，一般不超過數(shù)千個象元，如果要均勻覆蓋一個待測的光譜帶，所能獲得的光譜分辨率就不可能太高。對于采用面陣探測器的光譜儀，探測器本身擁有的像元數(shù)較多(一般可達數(shù)十萬個象元以上)，如果光譜分光系統(tǒng)能夠?qū)⒐庾V在二維方向展開，則有望獲得遠比應(yīng)用線陣探測器的光譜儀更高的光譜分辨率。當前，采用線陣探測器的光譜儀的分辨率一般可以優(yōu)于lnm，性能出色的高分辨率線陣光譜儀甚至可以達到0.02nm的分辨率，在這一稿分辨率下，對應(yīng)的光譜覆蓋范圍可以達到20— 50nm。但是，受限 于探測器的結(jié)構(gòu)，其光譜分辨率很難再有更進一步的提高潛力。與此相比，采用兩維光譜分光系統(tǒng)和面陣探測器的高分辨率光譜儀在覆蓋數(shù)十nm帶寬的同時，目前有望達到0.0Olnm的超高分辨率。為了滿足許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω吖庾V分辨測量的需求，具有優(yōu)于IOOMHz以上光譜分辨率、并能同時滿足數(shù)十nm帶寬測量范圍的新型光譜測量技術(shù)和相關(guān)光譜儀具有非常重要的價值，這是因為在大氣壓下，許多氣體本征吸收峰的壓力增寬譜線的帶寬都在數(shù)百MHz數(shù)量級。在近紅外波段，0.0Olnm的光譜波長分辨率對應(yīng)于 GHz水平的光譜頻率分辨率。顯然，純粹利用面陣探測器的光譜儀還很難達到IOOMHz的分辨率水平?？烧{(diào)諧的法布里-珀羅濾波器(琺波利-珀羅濾波器)是一種獲得高分辨率光譜分光的有效技術(shù)手段。通過改變可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器腔的間距可以調(diào)節(jié)輸出的光譜波長(或頻率)。可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器的光譜分辨率由它的自由光譜范圍和它的精細度決定，其透射的光譜帶寬等于自由光譜范圍和它的精細度的商。一般琺波利-珀羅濾波器的精細度可以達到100以上，高質(zhì)量的琺波利-珀羅濾波器的光譜精細度甚至可以達到1000以上。因此，當琺波利-珀羅濾波器的自由光譜范圍較小而精細度較高時，可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器的光譜分辨率可以做的很好。但此時，可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器中一個自由光譜范圍覆蓋的光譜波段一般就很窄。例如，為獲得優(yōu)于IOOMHz的光譜分辨率，一個可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器的自由光譜范圍可以是10GHz，此時，只要可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器的精細度優(yōu)于100，就可以獲得優(yōu)于IOOMHz的光譜分辨率。在波長為SOOnm的近紅外波段，IOGHz的光譜范圍僅相當于0.02nm的波長范圍，因此在一個數(shù)十nm的待測光譜波段內(nèi)，琺波利-珀羅濾波器輸出的光譜模式將非常多，這使得琺波利-珀羅濾波器一般只能應(yīng)用于激光模式測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器和陣列式探測器光譜儀的超高分辨率光譜儀?；诳烧{(diào)諧琺波利-珀羅濾波器和陣列式探測器光譜儀的超高分辨率光譜儀由一個可調(diào)諧的琺波利-珀羅濾波器和一個陣列式探測器光譜儀組成，待測的寬帶光譜信號入射到可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器，轉(zhuǎn)換成一個梳狀的光譜出射，由后端的陣列式探測器光譜儀進行測量。所述的可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器的自由光譜范圍大于或等于后端陣列式探測器光譜儀的光譜分辨率。所述的陣列式探測器光譜儀的探測器是線陣探測器或面陣探測器。所述的可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器是平行平面腔構(gòu)成的可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器，或者是共心球面腔構(gòu)成的可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器。本發(fā)明的主要技術(shù)優(yōu)點是既利用了陣列式探測器光譜儀光譜覆蓋范圍大、測量速度快的特點，又利用了可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器光譜分辨率高的特點，同時解決了陣列式探測器光譜儀分辨率不足的主要問題。通過將自由光譜范圍與陣列式探測器光譜儀的分辨率相匹配的可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器與陣列式探測器光譜儀相結(jié)合，獲得一種速度快、測量時間很短、覆蓋較寬光譜范圍(在SOOnm附近的近紅外波段，可達數(shù)十nm帶寬)、并具有極高光譜分辨率(分辨率優(yōu)于100MHz)的新型光譜儀器，適用于氣體本征吸收光譜的快速測量。利用本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)可以在近紅外和中波紅外波段研制得到分辨率優(yōu)于IOOMHz的高性能寬帶測量光譜儀。


圖1是基于可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器和陣列式探測器光譜儀的超高分辨率光譜儀的結(jié)構(gòu)示意 圖2是基于可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器和線陣探測器光譜儀的超高分辨率光譜儀在各個不同掃描電壓時刻梳狀光譜落在線陣探測器上的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施方式
。如圖1所示，基于可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器和陣列式探測器光譜儀的超高分辨率光譜儀由一個可調(diào)諧的琺波利-珀羅濾波器I和一個陣列式探測器光譜儀2組成，待測的寬帶光譜信號入射到可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器1，經(jīng)由琺波利-珀羅濾波器選頻，輸出一組滿足琺波利-珀羅濾波器諧振條件的梳狀光譜成分；由琺波利-珀羅濾波器輸出的梳狀光譜繼續(xù)入射到后端的陣列式探測器光譜儀2，并由陣列式探測器實時給出該梳狀光譜的準確數(shù)值。通過改變加在琺波利-珀羅濾波器上的掃描電壓，可以連續(xù)地掃描從琺波利-拍羅濾波器輸出的梳狀光譜。當掃描的電壓對應(yīng)于移動一個自由光譜范圍的電壓，并在掃描的每個時刻利用后端的陣列式探測器記錄該時刻的梳狀光譜，就可以綜合各組梳狀光譜獲得一個完整的高分辨率光譜圖像。所述的可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器I的自由光譜范圍大于或等于后端陣列式探測器光譜儀2的光譜分辨率。所述的陣列式探測器光譜儀2的探測器是線陣探測器或面陣探測器。所述的可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器I是平行平面腔構(gòu)成的可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器，或者是共心球面腔構(gòu)成的可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器。如圖2所示，由可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器輸出的梳狀光譜在各個不同掃描電壓時候，落在線陣探測器光譜儀的線陣探測器的不同象元上。圖中示意性地給出了第一條譜線和第六條譜線在經(jīng)過半個自由光譜范圍對應(yīng)電壓和一個自由光譜對應(yīng)電壓后的譜線移動情況。通過調(diào)節(jié)加在可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器上的電壓，可以改變可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器的一組輸出譜線的位置。隨著電壓的不斷變化，該組光譜表現(xiàn)出光譜掃描的特征。當掃描電壓達到一個自由光譜范圍相對應(yīng)的值時，該組光譜中的每一條譜線就對應(yīng)地掃過了一個自由光譜范圍的光譜。通過利用陣列式探測器光譜儀記錄可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器在各個電壓下的輸出光譜組，就可以完整地測量整個光譜范圍內(nèi)的高分辨率光譜。實際工作時，經(jīng)過一個自由光譜范圍對應(yīng)電壓的掃描，掃描后的輸出譜線實際上基本接近初始時刻的梳狀光譜情況。
權(quán)利要求
1.一種基于可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器和陣列式探測器光譜儀的超高分辨率光譜儀，其特征在于它由一個可調(diào)諧的琺波利-珀羅濾波器(I)和一個陣列式探測器光譜儀(2)組成，待測的寬帶光譜信號入射到可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器(I)，轉(zhuǎn)換成一個梳狀的光譜出射，由后端的陣列式探測器光譜儀(2)進行測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器和陣列式探測器光譜儀的超高分辨率光譜儀，其特征在于所述的可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器(I)的自由光譜范圍大于或等于后端陣列式探測器光譜儀(2)的光譜分辨率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器和陣列式探測器光譜儀的超高分辨率光譜儀，其特征在于所述的陣列式探測器光譜儀(2)的探測器是線陣探測器或面陣探測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器和陣列式探測器光譜儀的超高分辨率光譜儀，其特征在于所述的可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器(I)是平行平面腔構(gòu)成的可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器，或者是共心球面腔構(gòu)成的可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器和陣列式探測器光譜儀的超高分辨率光譜儀。它由一個可調(diào)諧的琺波利-珀羅濾波器和一個陣列式探測器光譜儀組成，待測的寬帶光譜信號入射到可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器，轉(zhuǎn)換成一個梳狀的光譜出射，由后端的陣列式探測器光譜儀進行測量。通過逐次調(diào)節(jié)可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器的掃描電壓，并利用陣列式探測器光譜儀同時記錄該時刻可調(diào)諧琺波利-珀羅濾波器輸出的梳狀光譜，就可以同時獲得一個寬波段光譜范圍內(nèi)的整體光譜信息，并具有超高光譜分辨率的特點。本發(fā)明可獲得一種結(jié)構(gòu)簡單、光譜分辨率極高、測量時間很短的新型光譜測量儀器，適用于多種氣體成分本征吸收光譜的同時測量。
文檔編號G01J3/28GK103162828SQ20131005987
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者沈永行, 姜培培, 吳波, 楊丁中 申請人:浙江大學(xué)