傅里葉變換光譜儀實驗及設(shè)計

傅里葉變換光譜儀實驗及設(shè)計

1數(shù)字化進(jìn)路的研究設(shè)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(shù)字等優(yōu)點。原子和分子物理、天文學(xué)物理、光譜、大氣遙感、化學(xué)表達(dá)等學(xué)科的研究十分重要。同時，它也是工業(yè)、海關(guān)和其他必要的設(shè)備。與FTS相關(guān)的研究多數(shù)是諸如光程差、分辨率、動態(tài)校正技術(shù)等局部模塊展開,系統(tǒng)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(chǔ)上,對系統(tǒng)的整體操作、儀器的構(gòu)造、分辨率的提高等方面提出了幾種可行的改進(jìn)方案。2干涉光學(xué)系統(tǒng)本文采用的XGF-1型FTS是時間調(diào)制型動鏡式光譜儀,它是通過對雙光束干涉儀產(chǎn)生的干涉信息進(jìn)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(xué)系統(tǒng),如圖1所示。待測光經(jīng)過準(zhǔn)直鏡后變成平行光進(jìn)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(jìn)入接收器1,當(dāng)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(tǒng)以一定的數(shù)據(jù)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(xiàn)誤差之后對光路加以校正的參考點。3實驗和結(jié)果3.1實驗設(shè)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(tǒng)、計算機軟件系統(tǒng)和外置光源系統(tǒng)。3.2準(zhǔn)值843.0、589.6nm之間的誤差將實驗儀器預(yù)熱及做好其他準(zhǔn)備工作,光欄直徑設(shè)為2.6mm,采集時間設(shè)置為7min,待測光源放大倍數(shù)設(shè)置為“×16”檔,采集到的干涉圖如圖4所示。對干涉圖進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi),能比較精確地測量了Na燈雙黃線的波長,達(dá)到了分辨率的要求。同理,設(shè)置光欄直徑6.0mm,采集時間7min,放大倍數(shù)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(jié)果有很大影響。另外,設(shè)置光欄直徑2.6mm,采集時間7min,放大倍數(shù)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(xué)所用的激光筆光譜波長為657.4nm,如圖8所示。均能達(dá)到實驗要求。4實驗改進(jìn)4.1干涉儀測分辨率的提高由分辨率的表達(dá)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(shè)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(jié)構(gòu)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(gòu)成差動方式,顯然一臂光程增加時,另一臂光程減少。假設(shè)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(shè)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(guān),因此,本實驗儀器可做如下改進(jìn):將光欄調(diào)整為連續(xù)可調(diào)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(shè)置的是一個光源轉(zhuǎn)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(zhǔn)直,因此,對光源切換旋鈕可做如下改進(jìn):光源轉(zhuǎn)換器做成一個單柱支撐的360°連續(xù)可調(diào)易固定旋轉(zhuǎn)反射物鏡,如圖14所示。這樣,當(dāng)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(zhuǎn)光源切換旋鈕加以校對,以更好地實現(xiàn)光路的準(zhǔn)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(diào)整:調(diào)整為類似可調(diào)單縫的調(diào)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(diào)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(shè)計,在原有的聚焦型和折返式干涉儀設(shè)計基礎(chǔ)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,