一種集成式多波段馬赫曾德幹涉儀及應用方法與流程

2023-04-27 00:45:27 5

本發明涉及的是一種馬赫曾德幹涉儀，具體地說是一種集成式多波段馬赫曾德幹涉儀。本發明也涉及一種集成式多波段馬赫曾德幹涉儀用於對白光透明的介質折射、色散特性等光學特性的測量的應用的方法。

背景技術：

公知的馬赫曾德幹涉儀，由於克服了麥可遜幹涉儀回波幹擾的缺點，在工程技術領域，特別是在光學傳感、探測技術領域中得到了廣泛應用。其中，基於白光的馬赫曾德幹涉儀，能夠利用寬光譜、相干長度很短的低相干光源，並通過採集幹涉所產生的圖樣信息，實現對位移等物理量的絕對測量，具有抗幹擾能力強、結構簡單，成本低廉等很多優點。

同時，公知的馬赫曾德幹涉儀的工作光源一般為單一波段光源，與此相關的主要技術，如光程匹配、信號調製與解調等，已經成熟。基於公知的馬赫曾德幹涉儀所設計的各類測量系統，在對單一目標進行測量時，具有高精度、高靈敏度的特點。

但是，在工程實際中，利用一套傳感系統對同一目標進行多波段同時測量，可以獲得更豐富的信息，從而實現對被測量對象更全面的評價。

以對液體折射率的測量為例，傳統的測定方法是使用阿貝折射計。然而使用阿貝折射計測定液體折射率，所使用的光源一般為普通光源，所測得的折射率是鈉光燈D線(589.3nm)的折射率。實際上，折射率是因頻率(波長)不同而不同的，且在某些技術領域，如色散特性分析，需要測定同一種介質在不同頻率(波長)下的折射率。

由於介質的折射率與環境溫度等因素緊密相關，無論採用阿貝折射計，還是採用單一波段的馬赫曾德幹涉系統來依次測量，都會因環境的瞬變而增加誤差。因此，對同一目標實現同時、多波段測量，是解決上述問題的有效方法。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種能在多個波段下同時獲得待測物質的折射率及色散特性等的集成式多波段馬赫曾德幹涉儀。本發明的目的還在於提供一種集成式多波段馬赫曾德幹涉儀的應用方法。

本發明的集成式多波段馬赫曾德幹涉儀包括光電探測器、光源、雷射光源、第一光源準直系統、第二光源準直系統、第一分光稜鏡及其調整系統、第一分光稜鏡及其調整系統、第一固定反射鏡、第二固定反射鏡、觀察窗和信號處理單元，所述光電探測器為8波段光電探測器，所述光源為寬譜光源，8波段光電探測器、寬普光源、雷射光源、第一和第二光源準直系統、第一和第二分光稜鏡及其調整系統、第一和第二固定反射鏡和觀察窗集成在同一光路基板上構成8個工作於不同波段的馬赫曾德幹涉儀，寬譜光源輸出連續波段光波，每一個波段的光波經過同一馬赫曾德幹涉儀均形成一組白光幹涉信號，8波段光電探測器對8種白光幹涉信號進行同時或單獨探測。

本發明的集成式多波段馬赫曾德幹涉儀還可以包括：

1、在第一光源準直系統與第一分光稜鏡及其調整系統之間設置起偏器，在第二分光稜鏡及其調整系統與8波段光電探測器之間設置檢偏器。

2、比色皿設置在第一固定反射鏡與第二分光稜鏡及其調整系統之間，第二固定反射鏡與第一分光稜鏡及其調整系統之間設置光程匹配系統。

3、所述分光稜鏡及其調整系統由分光稜鏡、分光稜鏡固定底座、固定底座角度調整架組成。

4、所述固定底座角度調整架的內部和外部輪廓線均為正方形，在固定底座角度調整架的俯視面開有四個貫穿的小孔，每個小孔的中心位於固定底座角度調整架對應邊面的對稱中心；在固定底座角度調整架的前視面和後視面分別開有兩個貫穿的絲孔，同一視面上的兩個絲孔對稱分布於該視面所對應的邊面上所開小孔的兩側，前後兩個視面上的絲孔共線。

5、所述分光稜鏡固定底座為凹槽型，俯視面為兩個中心重合的正方形，兩個正方形的邊界對應平行，在正中心開有沉頭小孔，在分光稜鏡固定底座內安放用於固定分光稜鏡的橡膠凹槽。

6、分光稜鏡安放在橡膠凹槽中，分光稜鏡的俯視投影面中心位於固定底座俯視面的正中心，並且分光稜鏡的俯視投影面的正方形四邊與固定底座俯視面正方形四邊相平行。

本發明的集成式多波段馬赫曾德幹涉儀的應用方法為：

步驟1：雷射光源發出雷射束經第二光源準直系統準直後，進入第一分光稜鏡及其調整系統，經過第一分光稜鏡及其調整系統分成兩束出射光，其中一束為反射光束、另一束為透射光束，反射光束從第一分光稜鏡及其調整系統出射後抵達第一固定反射鏡，經第一固定反射鏡反射後，進入第二分光稜鏡及其調整系統，經第二分光稜鏡及其調整系統反射後，進入觀察窗；透射光束從第一分光稜鏡及其調整系統出射後抵達第二固定反射鏡，經第二固定反射鏡反射後進入第二分光稜鏡及其調整系統，經第二分光稜鏡及其調整系統折射後，進入觀察窗，通過調整第一、第二分光稜鏡及其調整系統中的頂絲，使反射光束和透射光束在觀察窗處匯聚並能夠觀察到幹涉圖樣；

步驟2：將比色皿接入第一固定反射鏡與第二分光稜鏡及其調整系統之間的光路，將光程匹配系統接入第二固定反射鏡與第一分光稜鏡及其調整系統之間的光路，重複步驟1，通過驅動光程匹配系統，使經過比色皿、光程匹配系統後的反射光束和透射光束所經光程相等；

步驟3：關閉雷射光源，打開寬普光源，寬普光源發出多波段光波，經第一光源準直系統準直後，進入第一分光稜鏡及其調整系統，經過第一分光稜鏡及其調整系統後分成兩束出射光，一束為反射光束、另一束為透射光束，反射光束從第一分光稜鏡及其調整系統出射後抵達第二固定反射鏡，經第二固定反射鏡反射後，進入第二分光稜鏡及其調整系統，經第二分光稜鏡及其調整系統反射後，進入8波段光電探測器；透射光束從第一分光稜鏡及其調整系統出射後抵達第一固定反射鏡，經第一固定反射鏡反射後，進入第二分光稜鏡及其調整系統，經第二分光稜鏡及其調整系統透射後進入8波段光電探測器，在信號處理單元中觀察和記錄多波段幹涉的初始信號；

步驟4：在比色皿中盛入待測樣品；

步驟5：通過驅動光程匹配系統，寬普光源3所發出的各個波段光波進行掃描匹配；在信號處理單元中得到待測樣品在光程匹配系統掃描過程中、同時獲得的8個波段幹涉信號的更迭變化和特徵圖譜；

步驟6：將比色皿中的待測樣品更換成參考樣品，重複步驟5，得到參考樣品在光程匹配系統掃描過程中同時獲得的8個波段幹涉信號的更迭變化和特徵圖譜；

步驟7：由於不同波段的光波在同一介質中的折射率不同，每一波段白光幹涉圖譜中峰值所對應的幾何路程匹配不同，在所獲得的同一特徵圖譜中，將出現峰值的彼此移位，通過分析移位以及折射率和色散的關聯性，獲得待測樣品或參考樣品的多波段折射、色散特性；

步驟8：對信號處理單元中所記錄待測樣品和參考樣品各自對應的8種特徵圖譜進行比對分析，實現對白光透明的待測樣品和參考樣品間折射、色散光學性質的比對分析。

為解決單一波段馬赫曾德幹涉儀不能實現同一目標的同時、多波段測量的問題，本發明提出了一種集成式多波段馬赫曾德幹涉儀。使用這種幹涉儀，可以同時獲得同一種物質對應8個波段的折射率，可用於對白光透明的介質折射、色散特性等光學特性的測量；可用於對白光透明的待測樣品和已知參考樣品二者間，折射、色散等光學性質的比對分析；特別適合用於透明液體，如：酒類、糖類飲品；各種食用植物油；各種透明醫用注射藥液等的測量與鑑別。

與在先技術相比，本發明所述的幹涉儀是通過採用寬譜光源、多波段光電探測器的技術手段，實現至少將工作於8個波段的白光馬赫曾德幹涉儀集成在同一塊光路基板上，製造出的一種集成式多波段馬赫曾德幹涉儀。將此幹涉儀用於觀測物質折射、色散特性，由於此幹涉儀可以同時工作於自然光中的8個波段，故而對同一種物質觀測可獲得8種特徵圖譜。綜合分析這些圖譜，可以對被探測物質的折射、色散等光學特性，進行多波段評價。

附圖說明

圖1是本發明的多波段集成式馬赫曾德幹涉儀立體結構示意圖。

圖2是本發明的多波段集成式馬赫曾德幹涉儀結構平面展開示意圖。

圖3是利用滷素燈光纖光源作為多波段寬譜光源的實施例示意圖。

圖4是第一分光稜鏡及其調整系統7的結構示意俯視圖(第二分光稜鏡及其調整系統8與第一分光稜鏡及其調整系統7具有完全相同的結構)。

圖5是第一分光稜鏡及其調整系統7的結構示意的前視圖。

圖6是第一分光稜鏡及其調整系統7中，固定底座19的俯視圖。

圖7是光程匹配系統14的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖舉例對本發明作進一步描述。

結合圖1和圖2，本發明的多波段集成式馬赫曾德幹涉儀由8波段光電探測器1、寬譜光源3、雷射光源4、第一光源準直系統5、第一光源準直系統6、第一分光稜鏡及其調整系統7、第二分光稜鏡及其調整系統8、第一固定反射鏡9、第一固定反射鏡10、起偏器11、檢偏器12、比色皿13、光程匹配系統14、觀察窗15、信號處理單元16組成。將8個工作於不同波段的馬赫曾德幹涉儀集成在同一光路基板2上。

這種做法的益處在於：將8波段光電探測器、光源準直系統、分光稜鏡及其調整系統、固定反射鏡、起偏器、檢偏器、比色皿、光程匹配系統全部安裝在同一光路基板上，首先是在技術實現8個不同波段馬赫曾德幹涉儀的集成，其次是增加了系統的整體穩定性。

寬譜光源輸出連續波段光波，每一個波段的光波經過同一馬赫曾德幹涉儀，均形成一組白光幹涉信號；同時，8波段光電探測器對每個波段的光電探測功能均可以單獨開啟，也可以多個波段同時開啟，即能夠實現8種中心波長光波幹涉信號的同時或單獨探測。

由於8波段光電探測器能夠實現每一個波段探測單獨開啟或幾個波段的探測同時開啟，可以根據技術測量需要和測量目標的屬性，通過信號處理單元，對8波段光電探測器的工作模式進行優化設計。

本發明的8個波段的光譜可均位於可見光波段，這使得寬譜光源易於獲取，普通的滷素燈就可以用來作為工作光源。使用這樣的寬譜光源後，通過本發明的集成式多波段馬赫曾德幹涉儀，對同一種透明介質測量折射率時，可以至少得到8種特徵圖譜。這些圖譜，是對被探測物質的折射率特性進行多角度評價，提高對物質屬性和品質評估準確性的前提。

結合圖4和圖5，分光稜鏡及其調整系統是由分光稜鏡、分光稜鏡固定底座、固定底座角度調整架3部分組成的。主要包括分光稜鏡17、橡膠凹槽18、固定底座19、固定底座角度調整架20、頂絲21、頂絲22、頂絲23、頂絲24，提4中25-28分別代表用於將分光稜鏡及其調整系統7安裝在光路基板2上的貫穿小孔。

結合圖6，在固定底座19的正中心開有沉頭貫穿小孔29。

固定底座角度調整架的內部和外部輪廓線均為正方形；在這一固定底座角度調整架的俯視面開有4個貫穿的小孔，每個小孔的中心位於調整架對應邊面的對稱中心；在這一固定底座角度調整架的前視面和後視面，分別開有2個貫穿的絲孔，同一視面上的兩個絲孔對稱分布於該視面所對應的邊面上所開小孔的兩側，前後兩個視面上的絲孔共線。

在固定底座角度調整架的俯視面開的4個貫穿的小孔的作用在於將此調整架固定在光路基板上。

結合圖7分光稜鏡固定底座為凹槽型，俯視面為2個中心重合的正方形，兩個正方形的邊界對應平行，在固定底座的正中心開有沉頭小孔29；在固定底座內安放用於固定分光稜鏡的橡膠凹槽。

分光稜鏡固定底座俯視面均為正方形，分光稜鏡安放在橡膠凹槽中，稜鏡的俯視投影面中心位於固定底座俯視面的正中心，並且稜鏡的俯視投影面的正方形四邊與固定底座俯視面正方形四邊相平行。

由於馬赫曾德幹涉儀對光程匹配要求苛刻，角度對光程匹配具有直接影響。為此，在分光稜鏡固定底座的中心開有一個沉頭貫穿小孔時，分光稜鏡和分光稜鏡固定底座所構成的整體，可通過沉頭小孔安裝在光路基板上，這個整體可以以沉頭小孔為中心在平面內轉動，即可以進行角度調整。

在固定底座角度調整架上所開的4個貫穿絲孔中，分別旋進頂絲後，每個頂絲支頂在分光稜鏡固定底座的相應側立面。這樣，當旋進或旋出頂絲，可以控制並最終固定分光稜鏡與固定底座所構成的整體，從而實現分光稜鏡的角度調整。

結合圖7，光程匹配系統14由微米級位移掃描臺30、位移掃描控制單元31、光楔32組成。

圖3給出的是利用滷素燈光纖光源作為多波段寬譜光源的實施例示意圖。下面結合圖3來說明本發明的應用方法。

寬譜光源選用滷素燈光纖光源，用來校準的雷射光源選用氦氖雷射光源。

所選用的8個波段的白光均位於可見光波段，各個波段的中心波長分別為：428nm、460nm、490nm、515nm、557nm、615nm、660nm、695nm。

在完成系統的粗調後，利用雷射光源對光路進行校準和調整，用來校準空間光路的步驟是這樣的：

步驟1：雷射光源4發出雷射束經光源準直系統6準直後，進入分光稜鏡及其調整系統7，經過7後分成兩束出射光，其中一束為反射光束，另一束為透射光束。其中的反射光束從7出射後抵達固定反射鏡9，經9反射後，進入分光稜鏡及其調整系統8，經8反射後，進入觀察窗15；其中的透射光束從7出射後抵達固定反射鏡10，經10反射後，進入分光稜鏡及其調整系統8，經8折射後，進入觀察窗15。通過調整分光稜鏡及其調整系統7和8中的頂絲，使反射光束和透射光束在觀察窗15處匯聚，並能夠觀察到幹涉圖樣。

步驟2：將比色皿13、光程匹配系統14接入圖1所示的光路，重複步驟1，通過驅動光程匹配系統14，使經過比色皿13、光程匹配系統14後的反射光束和透射光束所經光程接近相等。

步驟3：關閉雷射光源4，打開滷素燈光纖光源3，3發出的多波段光波，經光源準直系統5準直後，進入分光稜鏡及其調整系統7，經過7後分成兩束出射光，其中一束為反射光束，另一束為透射光束。其中的反射光束從7出射後抵達固定反射鏡10，經10反射後，進入分光稜鏡及其調整系統8，經8反射後，進入8波段光電探測器；其中的透射光束從7出射後抵達固定反射鏡9，經9反射後，進入分光稜鏡及其調整系統8，經8透射後，進入8波段光電探測器。在信號處理單元16中，觀察和記錄多波段幹涉的初始信號。

根據圖3所示的實施例，在完成系統的校準後，利用本發明所述的多波段集成式馬赫曾德幹涉儀系統，獲得白光透明的待測樣品和已知參考樣品二者間，折射、色散方面光學性質進行比對與分析過程是這樣的：

步驟4：在比色皿13中盛入待測樣品，如酒精。

步驟5：通過驅動光程匹配系統14，對滷素燈光纖光源3所發出的各個波段光波進行掃描匹配；在信號處理單元16中，得到待測樣品在光程匹配系統14掃描過程中，同時獲得8個波段幹涉信號的更迭變化和特徵圖譜。

步驟6：根據需要，將起偏器11、檢偏器12接入圖1所示的光路，以控制光波的偏振化方向、提高相干對比度。

步驟7：將比色皿13中的待測樣品酒精，更換成參考樣品，如分析純酒精。重複步驟5和6，即得到參考樣品在光程匹配系統14掃描過程中，同時獲得8個波段幹涉信號的更迭變化和特徵圖譜。

步驟8：由於不同波段的光波，在同一介質中的折射率不同，則在圖3所示的實施例中，每一波段白光幹涉圖譜中峰值所對應的幾何路程匹配不同，在所獲得的同一特徵圖譜中，將出現峰值的彼此移位。通過分析移位，以及折射率和色散的關聯性，可以獲得待測樣品(或參考樣品)的多波段折射、色散特性。

步驟9：對信號處理單元16中所記錄待測樣品和參考樣品各自對應的8種特徵圖譜進行比對分析，即實現了對白光透明的待測樣品和參考樣品間，折射、色散等光學性質的比對分析。這一實施例特別適合透明液體，如醫用注射藥液的測量與鑑別。