基于關(guān)聯(lián)子波干涉的光柵光譜儀系統(tǒng)及提高分辨率的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉的光柵光譜系統(tǒng)及其提高光柵光譜分辨率的方法。該基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉的光柵光譜系統(tǒng)包括光源、反射鏡、光柵、第一分束器、第二分束器、透鏡組、偏振片、面陣探測(cè)器，光源發(fā)出的光經(jīng)旋轉(zhuǎn)反射鏡投射到光柵，在光柵處形成多縫衍射，其中的一級(jí)相干光經(jīng)第一分束器，分離為相互關(guān)聯(lián)的兩束，該兩束光分別經(jīng)由透鏡，反射鏡，偏振片組成的兩條不同路徑，在第二個(gè)分束器處構(gòu)成亞波長(zhǎng)干涉，再由面陣探測(cè)器記錄形成光譜。面陣探測(cè)器接收干涉信號(hào)直接顯示光譜，或通過后臺(tái)計(jì)算機(jī)適當(dāng)數(shù)據(jù)處理抑制噪聲、波動(dòng)、去除背景光后顯示光譜，本發(fā)明有利于突破瑞利極限的限制，在其它條件不變的情況下提高光柵光譜儀的分辨率。
【專利說明】基于關(guān)聯(lián)子波干涉的光柵光譜儀系統(tǒng)及提高分辨率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光柵測(cè)量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉的光柵光譜系統(tǒng)及其基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉提高光柵光譜分辨率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光柵光譜儀是重要且常用的光學(xué)測(cè)量?jī)x器。其基本工作原理是:兩條波長(zhǎng)分別為λ和λ+ Δ的譜線，經(jīng)過光柵色散所分開的距離正好使一條譜線的強(qiáng)度極大值和另一條譜線極大值邊上的極小值重合，根據(jù)瑞利判據(jù)，波長(zhǎng)差Δ為光柵所能分辨的最小波長(zhǎng)差。依據(jù)瑞利衍射極限，光柵光譜儀的分辨率與光譜級(jí)數(shù)和光柵線數(shù)緊密相關(guān)。由于光譜級(jí)數(shù)一般為I或2，改變的余地很小，所以提高光柵分辨率通常只能通過增加光柵線數(shù)N來實(shí)現(xiàn)。
[0003]現(xiàn)在有研究表明，利用光的關(guān)聯(lián)特性，可以突破瑞利衍射極限，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)干涉。1995年Jacbson等人證明，單一光子波長(zhǎng)為j|時(shí)，則對(duì)應(yīng)的N光子糾纏的復(fù)合體系德布羅意
波長(zhǎng)為ft。Fonseca等人利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生雙光子糾纏，測(cè)量并證實(shí)了雙光子糾纏
態(tài)的德布羅意波長(zhǎng)為%。2000年Boto等人從理論上分析了 N個(gè)糾纏光子系統(tǒng)的性質(zhì)，提
出利用N個(gè)光子糾纏系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)N個(gè)光子符合探測(cè)的量子刻錄方案，該方案可以把光學(xué)系統(tǒng)的瑞利衍射極限提高N倍。2001年，Angelo等人通過雙光子糾纏的亞波長(zhǎng)干涉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雙光子刻錄可以超越經(jīng)典極限的2倍。2006年Hemmer等人從理論上提出除了量子糾纏光源之外，經(jīng)典熱光源也可以實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)干涉。汪凱戈、曹德忠等人也提出了一系列利用經(jīng)典熱光源實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉和實(shí)現(xiàn)量子刻錄的方案，并完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
[0004]在以上的技術(shù)背景上，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉的光柵光譜系統(tǒng)，基于熱光源二階關(guān)聯(lián)的亞波長(zhǎng)干涉，在同樣波長(zhǎng)的光源，同樣的光柵線數(shù)的條件下，能夠?qū)⒎直媛侍岣?倍。
[0005]當(dāng)前，在提高光柵光譜儀的解析度研究方面已經(jīng)有一些成品例子，其中大部分都是采用多束光進(jìn)行噪聲比對(duì)提高穩(wěn)定性，或通過多級(jí)鏡片的方法提高對(duì)比度和解析度來進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，但還沒有人在關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉的基礎(chǔ)上，提出可超越瑞利極限的、明顯提高儀器解析度的方案。
[0006]舉例來說，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?01310590962.2的發(fā)明專利《一種雙級(jí)次光譜凸面光柵光譜儀》，該系統(tǒng)在由凸球面光柵和凹球面反射鏡構(gòu)成的同軸形式的光學(xué)系統(tǒng)后設(shè)置分光片，同時(shí)利用了凸球面光柵分光出的-1級(jí)次光譜和-2級(jí)次光譜。與傳統(tǒng)凸面光柵光譜儀相比，該系統(tǒng)有助于光譜儀的對(duì)比度和解析度。但該專利方法仍是經(jīng)典的相干疊加方式，受到瑞利極限的限制，對(duì)光譜儀解析度的提升有其局限。
[0007]此外，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?01210563398.0的發(fā)明專利《雙光束光譜儀》，其設(shè)計(jì)了發(fā)出參考光和探測(cè)光的光源，以及光譜儀主機(jī)，還設(shè)有:第一光纖，用于將來自光源的參考光輸送至光譜儀主機(jī)；第二光纖，用于將來自光源的探測(cè)光輸送至樣品；第三光纖，用于將來自樣品的已帶有樣品信息的探測(cè)光輸送至光譜儀主機(jī)；所述光譜儀主機(jī)包括沿光路依次布置的狹縫片、準(zhǔn)直鏡、平面光柵、成像鏡、柱面鏡和面陣探測(cè)器；該發(fā)明將參考光和探測(cè)光同時(shí)顯示并接收，有效消除了光源波動(dòng)、雜散光、電噪聲的影響。該專利方法可以有效提高對(duì)比度和清晰度，但對(duì)光譜儀的解析度提高不明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問題。
[0009]本發(fā)明的首要目的是提供一種基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉的光譜光譜儀系統(tǒng)。
[0010]本發(fā)明的進(jìn)一步的目的是提供一種通過關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉提高光柵光譜分辨率的方法。
[0011]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明公開一種基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉的光柵光譜系統(tǒng)，其包括光源、反射鏡、光柵、第一分束器、第二分束器、透鏡組、偏振片、面陣探測(cè)器，光源發(fā)出的光經(jīng)旋轉(zhuǎn)反射鏡投射到光柵，在光柵處形成多縫衍射，其中的一級(jí)相干光經(jīng)第一分束器，分離為相互關(guān)聯(lián)的兩束，該兩束光分別經(jīng)由透鏡，反射鏡，偏振片組成的兩條不同路徑，在第二個(gè)分束器處構(gòu)成亞波長(zhǎng)干涉，再由面陣探測(cè)器記錄形成光譜。
[0012]上述基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉的光柵光譜系統(tǒng)中，所述所述第一分束器后的一個(gè)路徑設(shè)兩個(gè)成像透鏡，另一路徑設(shè)一個(gè)成像透鏡。
[0013]上述基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉的光柵光譜系統(tǒng)中，所述光源為點(diǎn)狀光源。
[0014]上述基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉的光柵光譜系統(tǒng)中，所述面陣探測(cè)器為CCD或CMOS。
[0015]采用這樣的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，光源發(fā)射多色熱光，通過反射鏡聚焦調(diào)整為近似平行光束，該光束作為后面的探測(cè)光源。
[0016]該平行光束通過多縫光柵之后，出射光為多級(jí)衍射譜線，該譜線由經(jīng)典的相干疊加形成，沿傳播中軸線成對(duì)稱分布，遵循經(jīng)典光的瑞利極限。
[0017]第一個(gè)分束器用于接收通過多縫光柵后的第一級(jí)衍射譜，并將其等分為兩束出射光；該兩束光由于出自同一光源，本質(zhì)上具備空間強(qiáng)度關(guān)聯(lián)，可以產(chǎn)生關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉。
[0018]上述兩條路徑中通過成像透鏡保證光路準(zhǔn)直。
[0019]兩束光經(jīng)過光程相同的兩條路徑交匯于第二個(gè)分束器，再由連接在第二個(gè)分束器后面的面陣探測(cè)器記錄形成光譜。
[0020]本發(fā)明還公開一種基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉提高光柵光譜儀分辨率的方法，其包括如下步驟:
51、以多縫光柵的一級(jí)出射譜線為基礎(chǔ)，通過第一分束器分成空間關(guān)聯(lián)的兩路光；
52、根據(jù)SI中所得的兩路關(guān)聯(lián)光，通過反射鏡、成像透鏡構(gòu)造兩路等光程的光路，通過在兩路光分別放置水平偏振片和垂直偏振片的方法，使原本的相干光變成非相干光，在第二個(gè)分束器處形成非相干疊加；
53、對(duì)第二個(gè)分束器處兩束光非相干疊加的處理，使當(dāng)兩路關(guān)聯(lián)光在面陣探測(cè)器處完全重合并形成強(qiáng)度關(guān)聯(lián)的光。
[0021]上述基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉提高光柵光譜儀分辨率的方法方案中，一路光的路徑經(jīng)過兩個(gè)成像透鏡，另一路光的路徑經(jīng)過一個(gè)成像透鏡。
[0022]這樣，當(dāng)兩路光在面陣探測(cè)器處完全重合時(shí)，其電場(chǎng)強(qiáng)度分布相對(duì)于中軸線正好相反:
【權(quán)利要求】
1.基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉的光柵光譜系統(tǒng)，其特征在于，包括光源、反射鏡、光柵、第一分束器、第二分束器、透鏡組、偏振片、面陣探測(cè)器，光源發(fā)出的光經(jīng)旋轉(zhuǎn)反射鏡投射到光柵，在光柵處形成多縫衍射，其中的一級(jí)相干光經(jīng)第一分束器，分離為相互關(guān)聯(lián)的兩束，該兩束光分別經(jīng)由透鏡，反射鏡，偏振片組成的兩條不同路徑，在第二個(gè)分束器處構(gòu)成亞波長(zhǎng)干涉，再由面陣探測(cè)器記錄形成光譜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉的光柵光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述第一分束器后的一個(gè)路徑設(shè)兩個(gè)成像透鏡，另一路徑設(shè)一個(gè)成像透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉的光柵光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述光源為點(diǎn)狀光源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉的光柵光譜系統(tǒng)，其特征在于，所述面陣探測(cè)器為CXD或CMOS。
5.基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉提高光柵光譜儀分辨率的方法，其特征在于，包括如下步驟: 51、以多縫光柵的一級(jí)出射譜線為基礎(chǔ)，通過第一分束器分成空間關(guān)聯(lián)的兩路光； 52、根據(jù)SI中所得的兩路關(guān)聯(lián)光，通過反射鏡、成像透鏡構(gòu)造兩路等光程的光路，通過在兩路光分別放置水平偏振片和垂直偏振片的方法，使原本的相干光變成非相干光，在第二個(gè)分束器處形成非相干疊加； 53、對(duì)第二個(gè)分束器 處兩束光非相干疊加的處理，使當(dāng)兩路關(guān)聯(lián)光在面陣探測(cè)器處完全重合并形成強(qiáng)度關(guān)聯(lián)的光。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于關(guān)聯(lián)亞波長(zhǎng)干涉提高光柵光譜儀分辨率的方法，其特征在于，一路光的路徑經(jīng)過兩個(gè)成像透鏡，另一路光的路徑經(jīng)過一個(gè)成像透鏡。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK104019900SQ201410277902
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】劉文杰, 楊光飛, 張新定 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)