基于f-p標準具的瞬態高分辨率光譜儀的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于標準具的串接多通技術而設計的瞬態高分辨率光譜儀，主要 應用于布里淵散射等高分辨率光譜測量領域。
【背景技術】
[0002] 光譜分析一直是物理、化學、生物、材料等各個學科中最基本的分析測試方法之 一，而超高分辨率光譜技術則是這個領域最前沿最尖端的技術。
[0003] 現有的光譜分析技術中，一類是主要通過FP干涉儀實現高分辨率光譜的掃描 干涉儀，比如Burleigh公司研發的掃描FP干涉儀、JRS科學儀器公司研發的串接3+3布 里淵散射光譜儀，這類儀器現在已經可以實現分辨率W = ^ >1〇6,銳度>90,對比度> ΔΑ 10000的分辨條件。由于它所具有的3+3串接多通系統，極大地提高了光譜的對比度。雖 然掃描光譜儀可以實現< IOMHz的掃描精度，但卻無法實現實時測量，無法測量脈沖信號 (I-IOOns);除此之外，波長計作為一種高分辨率光譜測量儀器，在國內外也得到了廣泛的 使用。波長計一般可以得到IOMHz的分辨率，然而一般時間響應都比較"慢"（微秒以上）， 仍然無法進行瞬態測量，并且波長計往往只給出一個波長，無法給出光譜，當其中存在多個 模式或者激光器有跳模時波長計便無法滿足測量要求。
[0004] 另一類光譜儀可進行單脈沖瞬態光譜的測量，它可應用于自旋動力波的研究，包 括載波調控和非線性效應等瞬態效應的研究，同時它也可應用于受激光調制的海洋激光雷 達系統、大部分在脈沖激光栗浦條件下工作的隨機激光系統和納米激光器系統。其中，對 于激光雷達這種在復雜環境下工作的系統而言，不能實時測量更意味著工作效率的極大降 低，掃描對穩定性要求太高，甚至導致儀器失去現場測量能力。因此能同時實現實時測量和 超精細光譜測量的光譜儀能在類似領域發揮巨大的作用。
[0005] 2007年，法國科學家在Nature Photonics上發表了一篇文章，提出了一種非常緊 湊的傅里葉變換布里淵散射光譜儀結構。這種光譜儀探測光波導倏逝波，然后通過傅里葉 變換得到光譜，原則上可以實現瞬態測量，但是其最大的問題是靈敏度比較低，信噪比要求 很高；同時，其光譜分辨率只能到幾百MHz量級，限制了它的應用范圍。除此之外，近年來迅 速發展的光纖光譜儀可以實現動態光譜和瞬態光譜的測量，但受CCD或其他光敏陣列元件 的限制，其光譜分辨率較低，同樣不能滿足需要高分辨率光譜測量的場合。
【發明內容】
[0006] 針對上述現有技術中高分辨率光譜和瞬態光譜測量不能兼得的缺陷，本發明所要 解決的技術問題是提供一種能在獲得高分辨率的同時，大幅度提高靈敏度的，且能測量單 脈沖瞬態光譜的光譜儀。
[0007] 為了解決上述技術問題，本發明所提供的一種高分辨率光譜儀，其特征在于，由信 號入射端起依次包括光束變換器，偏振棱鏡，1/2波片，分光系統，三個反射鏡呈環形串接， 其中偏振棱鏡，1/2波片以及三個呈環形串接的反射鏡構成環形腔系統。最終信號回射入偏 振棱鏡，f彡〇. 8m的長焦定焦透鏡，CXD ((XD可以是IC⑶或者EMCCD，根據實際需要）。所 述光束變換器由信號輸入端起依次包括透鏡，光闌，透鏡，柱面透鏡。所述分光系統由一個 或多個標準具組成，多個標準具指的是兩個及以上的標準具，多個標準具的自由光譜范圍 要求必須滿足整數比例關系。比如我們可以將一個定腔長標準具和一個可變腔長標準具串 接。透出柱面鏡的信號依次經過定腔長標準具，可變光學腔長標準具，二者位置可互換。
[0008] 本發明解決技術問題的方案是：入射信號首先經過光束變換器中的準直系統變為 平行光，然后通過柱透鏡后變成柱面波，柱面波入射到偏振棱鏡上，其中P分量經1/2波片 后變為s分量，接著進入由定腔長標準具+可變光學腔長標準具所組成的分光系統，分光后 的光線順時針經過環形腔系統后會再次被偏振棱鏡反射進入1/2波片，這時s分量經1/2 波片后又重新變為P分量，再次順時針通過環形腔系統。最終透過偏振棱鏡到達聚焦元件， 通過聚焦元件的聚焦使不同波長的光在透鏡的后焦面上將形成分離的點狀光譜，最后使用 CCD在透鏡的后焦面對信號進行成像，完成光譜的測量；而最初的s分量被任意光學表面反 射后逆時針經環形腔系統射出系統。
[0009] 本發明的技術優勢如下：利用本發明提供的瞬態高分辨率光譜儀，由于使用了柱 透鏡和法布里-珀羅標準具組成的光譜儀，出射信號只在X方向有空間頻率，y方向仍然保 持平面波特性，因此這種光譜儀使得原本等傾干涉條紋每一級光譜中，原來分散在圓環上 的信號的能量集中在兩個點上，增強了信號的強度和信噪比，顯著提高了信號的強度以及 接收系統的數據傳輸速度，從而提高了系統對弱信號的探測靈敏度；又由于采用標準具的 空間角度分光替代了掃描干涉儀的腔長掃描分光，因此可以滿足大多數瞬態光譜的測量； 同時又開發了標準具的串接多通技術，因此如果兩塊標準具的厚度為整數倍關系，則厚標 準具的級次是薄標準具的m倍，最終主極大的位置由薄標準具決定；同時，主極大的寬度則 由厚標準具決定。最終使得串接標準具系統在保持其瞬態信號分光能力的同時還實現了大 的自由光譜范圍（FSR)和窄的譜線寬度。同理，多通技術實際上等價于兩個全同標準具的 串接，FSR沒有明顯變化，但是譜線寬度會被進一步壓縮。
[0010] 因此分光系統中定腔長標準具+可變光學腔長標準具的光路配置方案既可以調 節至兩標準具厚度成倍數關系，用于分辨率要求不是非常高，但是自由光譜要求比較寬的 情況；也可以調節至兩標準具等厚，用于小自由光譜范圍精細光譜的測量