傅里葉變換光譜儀實驗及設計

傅里葉變換光譜儀實驗及設計

1數字化進路的研究設備傅立葉變換光譜（ts）是通過運動顯微鏡的運動生成干涉圖像的方法。傅立葉變換后，獲得光譜圖像的方法是獲得光譜。具有多通道、高通量、高精度、高信噪比、寬光譜、非接觸、數字等優(yōu)點。原子和分子物理、天文學物理、光譜、大氣遙感、化學表達等學科的研究十分重要。同時，它也是工業(yè)、海關和其他必要的設備。與FTS相關的研究多數是諸如光程差、分辨率、動態(tài)校正技術等局部模塊展開,系統的整體研究較少。本文介紹了FTS的測量原理,運用XGF-1型FTS測量了幾種常見光源和激光器的光譜,在分析光譜及測試的基礎上,對系統的整體操作、儀器的構造、分辨率的提高等方面提出了幾種可行的改進方案。2干涉光學系統本文采用的XGF-1型FTS是時間調制型動鏡式光譜儀,它是通過對雙光束干涉儀產生的干涉信息進行傅里葉變換來得到光譜圖。其核心部分為邁克爾遜干涉光學系統,如圖1所示。待測光經過準直鏡后變成平行光進入干涉儀,從干涉儀中出射后成為兩束相干光,并有一定的相位差,進入接收器1,當干涉儀的動鏡部分做連續(xù)移動改變光程差時,干涉圖的連續(xù)變化將被接收器接收,并被記錄系統以一定的數據間隔記錄下來。另外在零光程附近,操作者可以通過觀察窗在接收器1的端面上看到白光干涉的彩色斑紋,如圖2所示。彩條可以作為干涉儀出現誤差之后對光路加以校正的參考點。3實驗和結果3.1實驗設備本文采用的XGF-1型FTS,其裝置如圖3所示,包括光路及采集系統、計算機軟件系統和外置光源系統。3.2準值843.0、589.6nm之間的誤差將實驗儀器預熱及做好其他準備工作,光欄直徑設為2.6mm,采集時間設置為7min,待測光源放大倍數設置為“×16”檔,采集到的干涉圖如圖4所示。對干涉圖進行傅里葉變換并局部放大,得到如圖5所示的光譜圖。圖中,可以直接讀出測量Na燈的光譜波長為589.0、589.7nm,這與實驗標準值589.0、589.6nm之間的誤差分別為:E1=∣∣589.0?589.0589.0∣∣×100%=0E2=∣∣589.7?589.6589.6∣∣×100%=0.017%E1=|589.0-589.0589.0|×100%=0E2=|589.7-589.6589.6|×100%=0.017%表明在實驗誤差允許范圍內,能比較精確地測量了Na燈雙黃線的波長,達到了分辨率的要求。同理,設置光欄直徑6.0mm,采集時間7min,放大倍數為“×16”,則Na燈光譜如圖6所示,測得Na燈雙黃線波長為589.4、590.2nm,相對誤差分別為0.068%和0.102%,相比較而言,光欄直徑對采集的結果有很大影響。另外,設置光欄直徑2.6mm,采集時間7min,放大倍數為“×16”,測得He-Ne激光器光譜波長為632.8nm(理論值為632.8nm),如圖7所示;測得教學所用的激光筆光譜波長為657.4nm,如圖8所示。均能達到實驗要求。4實驗改進4.1干涉儀測分辨率的提高由分辨率的表達式R=λ/λδλm=2l0/λ可知,光譜分辨率與動鏡的最大移動距離l0成正比。要想獲得高分辨率,就要使動鏡移動較大的距離,而移動距離越大,干涉儀制作起來就越困難,顯然,邁克爾遜干涉儀不能完全滿足分辨率的求。因此,就要改變光譜儀的設計,利用較短的移動來獲得較大的光程差。下面介紹幾種可以更好滿足此要求的干涉儀。(1)個定鏡間運動結構如圖9所示,把動鏡正反兩面都制成反射鏡,讓它在2個定鏡間運動,構成差動方式,顯然一臂光程增加時,另一臂光程減少。假設動鏡移動距離x,可得到Δ=4x光程差的變化,與常規(guī)光譜儀相比,移動相同距離,其R能提高1倍。(2)角鏡的反射結構如圖10所示,把通常的動鏡改為動鏡組合,由一角鏡和平面鏡組成,平面折返鏡固定不動,角鏡可移動。從光源出來透射過分束器的光線,先射到可移動的角鏡上,經反射再射到固定不動的平面折返鏡上,反射后,光沿原光路返回。顯然在分束器的兩束光,其中到動鏡的一條因折返鏡的存在而使其光程加長很多,故移動的角鏡只需移動很小距離就能得到較大光程差,從而提高分辨率。4.2光柵切換旋律XGF-1型FTS只設置了8檔固定的光欄直徑,如圖11所示。但由R=λ/δλm=2l0/λ可知,光譜分辨率的大小與實際光波長密切相關,因此,本實驗儀器可做如下改進:將光欄調整為連續(xù)可調的圓形孔,如圖12所示。XGF-1型FTS的光源切換旋鈕圖如圖13所示,光源切換只有溴鎢燈和其他光源兩檔。里面設置的是一個光源轉換器(反射鏡),入射光只有2個可能的方向,然而,入射光的方向性直接影響到實驗光路的準直,因此,對光源切換旋鈕可做如下改進:光源轉換器做成一個單柱支撐的360°連續(xù)可調易固定旋轉反射物鏡,如圖14所示。這樣,當入射光源為其他光源時,在外光源固定或者不便移動的情況下,可以通過旋轉光源切換旋鈕加以校對,以更好地實現光路的準直。XGF-1型FTS的外光源通光孔如圖15所示,通光孔只有固定的圓角矩形通光孔一種選擇。通光孔的大小直接影響到干擾光的入射和光通量的大小。因此,對光源通光孔可做如下調整:調整為類似可調單縫的調節(jié)裝置如圖16所示。這樣就可以對外光源的光通量做連續(xù)的調節(jié)。5利用多層多次反射干涉儀提高儀器分辨率的原理本文運用XGF-1型FTS測量了幾種常見光源和激光器的光譜,通過改變光路的設計,在原有的聚焦型和折返式干涉儀設計基礎上,利用多面多次反射干涉儀,使光束有兩平面鏡間多次被反射,從而獲得更大的光程差,提高了儀器的分辨率。同時,