吳鋒明

（杭州譜育科技發(fā)展有限公司，浙江 杭州 311305）

邁克爾遜干涉儀作為一種光學(xué)儀器，主要是通過(guò)光波振幅分割方式，達(dá)到干涉的目的，有助于相對(duì)論建立的同時(shí)[1]，在一定程度上促進(jìn)了物理學(xué)發(fā)展?，F(xiàn)階段，按照邁克爾遜干涉儀原理研究出的各種儀器，已經(jīng)在科研及生產(chǎn)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，具備較大的發(fā)展前景，因此對(duì)其在紅外遙測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究意義重大，本文對(duì)此進(jìn)行檢驗(yàn)分析，具體如下。

1 邁克爾遜干涉儀工作原理

邁克爾遜干涉儀工作原理為：通過(guò)分光鏡，將一束射入光分為兩束后，經(jīng)過(guò)平面鏡進(jìn)行范圍，由于這兩束光存在相同的振動(dòng)方向及頻率，同時(shí)擁有恒定的相位差，因此可發(fā)生干涉。干涉環(huán)節(jié)，可對(duì)干涉臂長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，或改變介質(zhì)折射率，對(duì)光程進(jìn)行控制，最終獲得不同的干涉圖樣。干涉條紋屬于等光程差的軌跡，所以，若下井對(duì)某種干涉圖樣進(jìn)行分析，需要通過(guò)實(shí)際計(jì)算，獲得相關(guān)光程差位置分布函數(shù)。如果干涉條紋出現(xiàn)移動(dòng)情況，說(shuō)明場(chǎng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光程差出現(xiàn)了變化，導(dǎo)致這一情況的原因較多，可能是光路中某段機(jī)制折射率產(chǎn)生了變化，或者光線(xiàn)長(zhǎng)度有所變化，也可能使薄膜厚度出現(xiàn)了變化。邁克爾遜干涉儀原理圖如圖1 所示。

圖1 邁克爾遜干涉儀原理圖

經(jīng)不斷發(fā)展，邁克爾遜干涉儀逐漸被應(yīng)用于紅外遙測(cè)領(lǐng)域，例如傅里葉紅外吸收光譜儀，主要是通過(guò)邁克爾遜干涉原理開(kāi)展光譜測(cè)量工作，在傅里葉變換下，得到樣品拉曼光譜或紅外吸收光譜。相比于棱鏡光譜儀，測(cè)量時(shí)間更短，光譜信噪比更高。傅里葉變換光譜儀光源發(fā)出的光，屬于通過(guò)邁克爾遜干涉儀轉(zhuǎn)變成的干涉光。利用干涉光照射樣品，進(jìn)而獲得干涉圖，隨后通過(guò)計(jì)算機(jī)，將干涉圖實(shí)施傅里葉變換即可獲得紅外吸收光譜。此外，在干涉成像光譜技術(shù)方面，該技術(shù)屬于可見(jiàn)光紅外遙感器的前沿科學(xué)，可用于地球科學(xué)、天文物理研究等方面，也可用于軍事偵察中，獲得難以發(fā)現(xiàn)的軍事目標(biāo)，對(duì)武器型號(hào)及種類(lèi)進(jìn)行判斷。由此可見(jiàn)，邁克爾遜干涉儀在紅外遙測(cè)領(lǐng)域具備較大的應(yīng)用價(jià)值。

2 基于邁克爾遜干涉儀的光譜測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

第二，光譜相應(yīng)范圍寬，測(cè)試時(shí)間快。干涉調(diào)制光譜測(cè)試系統(tǒng)中存在的探測(cè)器，能夠進(jìn)行光源全部頻譜信息測(cè)試，不過(guò)光柵分光下的光譜測(cè)試系統(tǒng)，不具備較寬的測(cè)量波束范圍，相比而言，干涉光譜測(cè)試系統(tǒng)擁有更快的測(cè)試時(shí)間，若需測(cè)量的光譜通道數(shù)量為N，T 為測(cè)量總時(shí)間，光柵分光下的光譜測(cè)試系統(tǒng)各通道平均測(cè)量時(shí)間為T(mén)/N，干涉光譜測(cè)試系統(tǒng)，能夠同時(shí)測(cè)量所有通道，各通道測(cè)量時(shí)間均為T(mén)，得出該系統(tǒng)的信噪比更高。

第三，分辨率高，掃描速度快。干涉光譜測(cè)試系統(tǒng)分辨率受光程差影響，光程差不斷增大下，系統(tǒng)分辨率也隨之提升，在指定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，若想達(dá)到給定的分辨率，將動(dòng)鏡掃描距離增加即可，分辨率能達(dá)到0.1～0.005cm-1。在掃描速度上，干涉光譜測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)節(jié)，邁克爾遜干涉儀中的動(dòng)鏡經(jīng)過(guò)一次移動(dòng)，即可將所有信息采集到。動(dòng)鏡移動(dòng)速度決定著掃描速度，為提升信噪比，應(yīng)實(shí)施多次測(cè)量，求取平均值，可達(dá)到光柵調(diào)制光譜測(cè)試系統(tǒng)的十倍以上。此外，邁克爾遜干涉儀的光譜測(cè)試系統(tǒng)還具備較高的波數(shù)精度，能夠更加準(zhǔn)確的確定出動(dòng)鏡位置，波數(shù)精度可達(dá)到0.01cm-1。

3 基于邁克爾遜干涉儀的紅外光譜測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的邁克爾遜干涉儀的紅外光譜測(cè)試系統(tǒng)，主要包括三個(gè)部分，第一個(gè)部分為光學(xué)系統(tǒng)、第二個(gè)部分為步進(jìn)掃描控制模塊，第三個(gè)部分為探測(cè)器驅(qū)動(dòng)及干涉信號(hào)采集模塊。其中第一部分中的光學(xué)系統(tǒng)就是邁克爾遜干涉儀，主要的作用就是產(chǎn)生干涉光；第二部分的步進(jìn)掃描控制模塊，主要作用是同步動(dòng)鏡掃描與數(shù)據(jù)采集模塊；第三個(gè)部分主要是進(jìn)行干涉信號(hào)采集工作。

3.1 邁克爾遜干涉儀

選擇Bruker V80 傅里葉光譜儀中的干涉光路，搭設(shè)邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)，設(shè)備內(nèi)部存在近紅外光源以及中紅外光源，能夠隨意切換，也能實(shí)現(xiàn)紅外光源外界，同時(shí)，存在兩個(gè)紅外光束入口與五個(gè)紅外光束出口，可進(jìn)行多種組件與附件連接。表1 為光譜儀相關(guān)參數(shù)：

表1 光譜儀相關(guān)參數(shù)

第一，紅外光源選擇。對(duì)于紅外光源而言，屬于光譜測(cè)試系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的一個(gè)核心器件，主要用于產(chǎn)生紅外輻射，理想狀態(tài)下，紅外光源光譜可將整個(gè)紅外波段覆蓋住，無(wú)需更換光源，能量較高。通常紅外焦平面探測(cè)器會(huì)在三個(gè)“大氣窗口”工作，一是1～3μm，二是3～5μm，三是8～14μm，紅外光源光譜分布需要與紅外焦平面探測(cè)器工作光譜范圍相匹配。按照不同的光譜范圍，可將紅外光源分成三個(gè)類(lèi)型，一是近紅外光源，二是中紅外光源，三是遠(yuǎn)紅外光源，選擇光源時(shí)，應(yīng)保證與被探測(cè)器工作波段相同，可選擇碳化硅光源。

第二，光闌。干涉系統(tǒng)中，光闌主要的作用是對(duì)光束進(jìn)行限制，對(duì)光闌孔徑大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠?qū)θ肷涔獾墓馔窟M(jìn)行控制，孔徑越大，入射光就會(huì)越多，不過(guò)并非孔徑越大越好，由于孔徑增大下，背景光也會(huì)進(jìn)入其中，所以一般應(yīng)將其控制在合理范圍內(nèi)。

第三，分束器。分束器主要使將入射光分為兩束強(qiáng)度相等的光，通常情況下，分束器會(huì)將半透半反膜鍍于透明材料上實(shí)現(xiàn)，其屬于干涉儀較為重要的部分，本文提出的光譜測(cè)試系統(tǒng)，其中存在的分束器能夠?qū)崿F(xiàn)射入紅外光束的半透半反。選擇分束器時(shí)，應(yīng)結(jié)合紅外探測(cè)器與光源情況，光譜測(cè)試環(huán)節(jié)，利用更換分束器及光源，切換光譜范圍。本文提出的光譜測(cè)試系統(tǒng)，主要進(jìn)行中波及長(zhǎng)波紅外范圍探測(cè)器的光譜響應(yīng)，以此選擇標(biāo)準(zhǔn)KBr 分束器。

第四，激光器。通過(guò)He-Ne 激光，對(duì)紅外干涉信號(hào)采樣間隔進(jìn)行確定，He-Ne 激光器實(shí)際使用環(huán)節(jié)，發(fā)出的紅光波長(zhǎng)為632.8nm,額定輸出功率為5mW。邁克爾遜干涉儀中激光通過(guò)后，會(huì)產(chǎn)生干涉光，激光干涉信息會(huì)被激光探測(cè)器采集到的，因?yàn)榧す馄鲿?huì)產(chǎn)生單色光，所以干涉信號(hào)屬于標(biāo)準(zhǔn)的余弦曲線(xiàn)，因此可根據(jù)激光波長(zhǎng)及干涉圖對(duì)動(dòng)鏡移動(dòng)距離進(jìn)行判斷，從而獲得紅外干涉信號(hào)的具體采樣位置，確定出光程差大小。選擇He-Ne 激光器進(jìn)行采樣，精度較高，可獲得較好的采樣效果。

第五，標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器。選擇標(biāo)準(zhǔn)熱釋電探測(cè)器，將其作為標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器優(yōu)勢(shì)較大，一是存在較寬的光譜響應(yīng)范圍，可將紅外探測(cè)器全部工作波段覆蓋住；二是探測(cè)器輸出不會(huì)受到波長(zhǎng)影響，存在較為平坦的光譜曲線(xiàn)；三是不僅具備較好的穩(wěn)定性，還具備較強(qiáng)的抗干擾能力。

3.2 步進(jìn)掃描控制模塊

以邁克爾遜干涉儀為主的光譜測(cè)試系統(tǒng)，可通過(guò)兩種方式采集干涉圖，分別是連續(xù)掃描以及步進(jìn)掃描，其中連續(xù)掃描表示的是動(dòng)鏡按照一定速度在掃描環(huán)節(jié)，按照He-Ne 激光干涉圖進(jìn)行紅外干涉信號(hào)采集，根據(jù)相應(yīng)時(shí)間間隔，進(jìn)行一次干涉信號(hào)采集，為實(shí)現(xiàn)光譜分辨率進(jìn)一步提升，應(yīng)將動(dòng)鏡掃描的距離適當(dāng)增加，不過(guò)光譜分辨率不斷增加下，當(dāng)動(dòng)鏡掃描長(zhǎng)度不斷增加下，會(huì)降低系統(tǒng)時(shí)間分辨率，所以，在連續(xù)快速掃描模式應(yīng)用下，會(huì)對(duì)時(shí)間分辨率產(chǎn)生限制，特別是在高光分辨率的情況下。而步進(jìn)掃描模式下，能夠根據(jù)不同的手段，得到較高的時(shí)間分辨率，步進(jìn)掃描環(huán)節(jié)，動(dòng)鏡會(huì)步進(jìn)到固定位置，此時(shí)光程差不會(huì)發(fā)生變化，探測(cè)器采集干涉信號(hào)，隨后，再通過(guò)動(dòng)鏡移動(dòng)，進(jìn)行下一個(gè)位置干涉信號(hào)的采集。因?yàn)橹饕沁M(jìn)行紅外焦平面探測(cè)器光譜響應(yīng)測(cè)試，通常紅外焦平面探測(cè)器會(huì)根據(jù)信號(hào)情況，對(duì)光敏元陣列組成及電路情況進(jìn)行了解，所以，光敏元陣列應(yīng)將光信號(hào)向電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在積分電路的應(yīng)用下，存儲(chǔ)電信號(hào)，利用移位寄存器輸出所有信號(hào)，因?yàn)檫@一工作環(huán)節(jié)屬于高頻動(dòng)態(tài)模式，所以若選擇連續(xù)掃描模式，會(huì)降低時(shí)間分辨率。通過(guò)光譜儀的外部觸發(fā)盒，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)掃描控制模塊功能，利用響應(yīng)的信號(hào)接口，對(duì)所需信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)XPMTO 信號(hào)為高時(shí)，開(kāi)始步進(jìn)掃描測(cè)試，SEQTO 較高時(shí)，開(kāi)始采集相應(yīng)數(shù)據(jù)。當(dāng)動(dòng)鏡步進(jìn)至新位置時(shí)，STPTO 信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)上升沿，可對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)動(dòng)鏡位置進(jìn)行確定，并利用外部采集卡，采集待測(cè)探測(cè)器干涉信號(hào)。

3.3 紅外焦平面探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)采集模塊

利用PXIE 高速總線(xiàn)產(chǎn)品框架，進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)搭建，其中主要有PXI 機(jī)箱PXIe-1095 及遠(yuǎn)程控制卡，還包括1 張數(shù)據(jù)采集卡、1 張時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)卡、8 張?jiān)礈y(cè)量單元、驅(qū)動(dòng)板卡及服務(wù)器等。電源模塊主要是由SMU卡組成，在驅(qū)動(dòng)板卡應(yīng)用下，使被測(cè)探測(cè)器獲得相應(yīng)偏壓，通過(guò)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)卡，構(gòu)成時(shí)序模塊，主要作用是使探測(cè)器獲得需要的時(shí)序信號(hào)，當(dāng)探測(cè)器處于正常工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)在驅(qū)動(dòng)板卡中存在的采集接口的應(yīng)用下，通過(guò)服務(wù)器中的采集卡，開(kāi)展采集工作，服務(wù)器中帶有的測(cè)試系統(tǒng)軟件，會(huì)利用采集到的數(shù)據(jù)，計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行圖像處理等操作。對(duì)紅外焦平面探測(cè)器光譜響應(yīng)測(cè)試時(shí)，能夠通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡，采集干涉信號(hào)響應(yīng)數(shù)據(jù)，采集卡不僅能夠采集干涉信號(hào)，還能對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行信號(hào)顯示。系統(tǒng)中應(yīng)用的是M2P-5923 模擬采集卡，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速傳輸，存在64 路采集通道，可在響應(yīng)接口的使用下，以每通道20MHz 的速度，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與在線(xiàn)分析，也可將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于主機(jī)中。各個(gè)通道中，均存在放大其以及16 位ADC，具備較廣的電壓范圍，共包括六檔，最高可達(dá)±500mV，最低為±1V?？赏ㄟ^(guò)Spectrum 程序中采集卡的API 采集相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)DMA 模式采集，向計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)信息。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，邁克爾遜干涉儀在不斷發(fā)展中，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中，并充分發(fā)揮出了實(shí)際作用。當(dāng)前，邁克爾遜干涉儀也逐漸應(yīng)用于紅外遙測(cè)領(lǐng)域，將其應(yīng)用于光譜測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建中，具備較大的優(yōu)勢(shì)，如具備較高的光通量、分辨率、信噪比，并且掃描速度較快，光譜范圍較寬，能夠獲得較好的信號(hào)采集效果。在未來(lái)，紅外遙測(cè)領(lǐng)域，邁克爾遜干涉儀勢(shì)必會(huì)得到更加深入的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)紅外遙測(cè)水平的不斷提升。