近红外偏振干涉光谱仪关键技术研究

发布时间：2018-05-20 21:39

本文选题：光学设计 + 偏振干涉　；参考：《中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)》2015年博士论文

【摘要】：近红外光谱分析是一种常规的定量分析技术,其核心是光谱仪。研究稳定性高且适用于在线分析和过程控制的新型傅里叶变换光谱仪具有重要的理论和工程意义。本文在介绍各种类型近红外光谱仪的应用背景、国内外发展现状和优缺点的基础上,对一种共光路近红外偏振干涉光谱仪的关键技术进行了研究。干涉仪是傅里叶变换光谱仪的核心部件。针对迈克尔逊干涉仪及其衍生型的固有缺点,提出一种基于机械补偿的共光路偏振干涉仪。从波动理论出发研究了偏振干涉仪的基本原理和关键指标,推导了偏振干涉光强的理论表达式,仿真了0.6328μm和0.8~1.7μm复色光的干涉曲线。研究了起偏器和检偏器透光轴角度对调制度和光通量的影响规律。通过分析、计算角度失调的影响,提出一种可同时实现调制度和光通量最大化的参数配置方法。综合运用琼斯矢量法、斯托克斯矢量法和波动理论对共光路近红外偏振干涉仪的基本原理和特性进行了对比研究,结果表明三者虽各有优缺点,但殊途同归。推导了偏振干涉仪的琼斯矩阵和穆勒矩阵,给出了干涉光的琼斯矢量和斯托克斯矢量理论表达式,该表达式可用于研究偏振干涉仪对不同偏振态光束的传输特性,同时还能计算不同偏振器件的摆放角度对干涉光的影响,为工程研制提供理论指导。对相位补偿器的基本参数和稳定性进行了计算和分析,提出了相位补偿器的性能评价依据。研究了晶体材料和光轴取向对性能的影响,推导了外形尺寸和扫描分辨率的计算公式。分析并计算了光程差灵敏度、扫描速度均匀性、倾角误差容限、斜入射角误差容限和温度适应性等稳定性指标,推导了相应的计算公式。经对比,移动光楔运动方向的抗干扰能力为经典迈克尔逊干涉仪的sin/2Δnθ倍。移动部件抗倾斜的能力为经典迈克尔逊干涉仪的/75.1Δn倍。由于晶体材料的双折射率Δn差通常很小,因此偏振干涉仪的稳定性优势非常明显。入射光以微量倾角入射后,在相位补偿器中不会产生额外的附加光程差。此外,光楔角的大小也是影响相位补偿器的重要参数,需在性能与尺寸、成本之间寻求平衡。基于理论分析,给出了相位补偿器的设计实例,对偏振光在相位补偿器中的传播特性进行了模拟仿真,经对比表明光线追迹的结果与理论计算一致。根据实际需求,提出了近红外偏振干涉光谱仪的设计方案,其设计波长为0.8~1.7μm,光谱分辨率为8cm-1。从设计指标出发进行了参数计算,应用近红外光纤耦合光源、离轴抛物面镜、格兰-汤普逊棱镜和冰洲石相位补偿器等元件实现了偏振干涉光谱仪的光学系统设计,对设计结果从点列图、几何包围能量和垂轴色差三种指标进行了质量评价,对准直光的不平行度和探测器离焦影响进行了考察和分析。采用多重结构设计方法评价了光学系统在-20℃~85℃的热稳定性。模拟了离轴抛物面镜失调时对光学系统的影响。针对现有光学结构的不足,提出一种改进型光学结构,该结构可以减少2片冷光镜的使用,能降低装配难度和杂光影响。对光机系统进行了一体化仿真,表明光纤耦合光源所形成的点光源结合离轴抛物面镜后比面光源在降低杂散光方面更具优势。分析了光纤头离焦对光能分布的影响,据此可为光纤头的调试提供指导。针对偏振干涉提出一种光谱反演的波数修正方法。对光谱反演的影响因素及移动光楔的倾斜误差进行了仿真,仿真结果表明采样间隔、最大光程差、波长和切趾函数对光谱反演精度产生影响。移动光楔的倾斜误差对光谱复原的影响受到光束口径、波长的影响,口径越小、波长越长受倾斜误差的影响越小,波长为0.8μm时,光束口径10.8mm,移动光楔倾斜角24.04″,复原光谱的能量峰值降至理论值的90%,与理论计算结果一致。根据仿真设计结果搭建了一套原理样机并进行了验证实验,获得了He-Ne激光干涉曲线,采用三角函数进行切趾并得到单色光的光谱曲线,与仿真结果基本一致,表明光谱数据处理方法合理可行;同时采集了He-Ne激光与近红外复色光的干涉曲线,参考激光高频率、重复出现的零点可为复色光的等间隔采集提供精确参考,复色光的干涉曲线分布与仿真结果相符。
[Abstract]:In this paper , the fundamental principle and the key indexes of the polarization interferometer are studied by using Jones vector method , Stokes vector method and wave theory . In this paper , the influence factors of the spectral inversion and the tilt error of the moving optical wedge are simulated . The simulation results show that the sampling interval , the maximum optical path difference , the wavelength and the toe function have an influence on the accuracy of the spectral inversion .
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH744.1

【相似文献】