[发明专利]一种基于法布里－珀罗腔扫描滤波的光谱分辨率增强方法

说明书

技术领域

本发明属于光谱测量领域，特别涉及一种基于法布里－珀罗腔扫描滤波的方式提高光栅光谱仪分辨率的方法。

技术背景

光谱分析技术是应用光学原理，对物质的结构和成分等进行测量和分析的一门技术，广泛应用于物理学、化学、生物学、医学、天文学、地质学、材料学等领域。随着科研和生产技术的发展，光谱检测技术逐渐应用于环境监测、野外探测、工业在线检测等多种场合。然而，常规光谱仪体积庞大，便携性差，不适合随身携带和大范围推广，因此需要对光谱仪进行微型化设计研究。

最常见的微型化方案是通过在传统光谱仪光学结构的基础上对其进行简单的缩小来实现的，但这样做的后果是导致它们的性能严重下降。例如，光栅光谱仪的微型化需要将准直物镜的焦距缩短，致使狭缝像严重展宽，极大的影响了光谱分辨率。为了在减小光谱仪体积的同时保证较高的光谱分辨率，通常采用增加光栅刻线密度或减小狭缝宽度的方法来实现，而这样做的后果是牺牲了光谱仪的自由光谱范围和能量利用率。罗兰圆光学系统由于结构简单，通光效率高而被广泛应用于微型光栅光谱仪，然而其弯曲的光谱面使其光谱分辨率难以进一步提高，尽管可以通过优化凹面光栅的结构来实现平场光谱面，但要制作高精度的凹面光栅却很困难。

利用窄带滤波器减小光谱的谱线宽度也是提高光谱分辨率的一种常用方法，例如利用法布里－珀罗滤波器可通过扫描滤波的方式对激光光谱进行探测。然而，与光栅的色散特性相似，法布里－珀罗滤波器的自由光谱范围与谱线宽度也相互制约，因此，为获得极高的光谱分辨率，其自由光谱范围往往非常窄。“一种新型微机电系统法布里－珀罗滤波器的设计与分析”（《光学学报》，2012，32，8，0822005-1）一文中提出了一种新型的微型法布里－珀罗滤波器，该滤波器在传统法布里－珀罗滤波器的基础上集成了一块光栅进行色散，在保证较窄谱宽的同时，使滤波器的自由光谱范围大大扩展。然而，该滤波器是针对光纤通信中波分复用的应用而提出的，主要解决了传统法布里－珀罗滤波器自由光谱范围窄的问题，并未涉及光谱的探测与采集，更未提及光谱分辨率的提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对光栅光谱仪小型化引起的分辨率降低的问题，提出一种基于法布里－珀罗腔扫描滤波的光谱分辨率增强方法，利用该方法仅需要在光栅光谱仪的基础上加入一块法布里－珀罗腔扫描滤波器，即可使原本不可分辨的波长通过光谱扫描，在时域中得以分辨，解决了光栅光谱仪自由光谱范围与光谱分辨率相互制约的矛盾，具有加工简单、成本低廉、兼容性好等优点，可广泛应用于各类的光栅光谱仪，提高光谱分辨率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于法布里－珀罗腔扫描滤波的光谱分辨率增强方法，其特征在于：在光栅光谱仪光路中加入一个法布里－珀罗腔扫描滤波器，滤波器的腔长可调，调制范围为待侧信号光最大波长的1/2；当法布里－珀罗腔扫描滤波器处于初始腔长时，仅将信号光中的部分谱线滤出；被滤出的这一部分谱线能够被线阵探测器分辨并采集；利用驱动器改变法布里－珀罗腔的腔长，将信号光中另一部分的谱线滤出；被滤出的这一部分谱线也能够被线阵探测器分辨并采集；将不同腔长下采集的各部分光谱进行合成，实现宽光谱范围的光谱拼接；光谱拼接后所获得的包络面即为信号光被检测到的光谱图，该光谱图相对未加法布里－珀罗腔扫描滤波的光栅光谱仪而言，其分辨率有明显增强。

所述光栅光谱仪中经准直后的信号光发散角应该保证信号光入射至法布里－珀罗腔后不出现干涉条纹，而仅对信号光光强进行调制，保证法布里－珀罗腔的滤波功能；

所述法布里－珀罗腔的腔镜面积不小于光栅的面积，以保证光谱仪的光通量；

所述法布里－珀罗腔的初始腔长应使被滤出的谱线能够被线阵探测器分辨。

所述法布里－珀罗腔扫描滤波器可以加在准直物镜与光栅之间，也可以加在光栅与成像物镜之间，只要能实现波长扫描滤波的功能即可；

所述光栅与法布里－珀罗腔可以分离放置于光路，也可以集成为一体，有利于光谱仪的小型化；

所述法布里－珀罗腔的腔面应针对不同的工作波长沉积多层介质反射膜，使腔面反射率大于90％，腔体精细度大于30，以保证法布里－珀罗腔的滤波效果，减小探测误差；

所述法布里－珀罗腔扫描滤波器可以采用压电陶瓷驱动或MEMS驱动，驱动方式可以是连续扫描或单点驱动，以适应不同条件下对驱动的要求；

所述线阵探测器的采样频率应该使滤波后同一波长的光强从最高值变为最低值时的采样次数不少于4次，以保证光谱探测的精度。