基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪制造技术

基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，涉及红外光谱探测与红外光谱分析技术领域，解决传统时间调制傅里叶变换红外光谱仪由于采用高精度的动镜驱动系统带来的体积大、重量沉等问题，并存在空间调制傅里叶变换红外光谱仪由于采用制冷型红外面阵探测器带来的成本高等问题，由光源、准直镜、分束器、横向阶梯相位反射镜、纵向阶梯相位反射镜、光开关阵列、聚焦镜和点探测器组成。本发明专利技术利用两个阶梯相位反射镜分别对被分束器分开的两个正交的相干光场进行分布式相位调制，并利用光开关阵列与点探测器对干涉光场进行振幅调制实现分步式选通和探测的光谱仪。本发明专利技术降低了成本，具有微小型化、轻量化、低成本、便携性好等优点。

Infrared interferometer based on stepped phase mirror and optical switch array

The infrared interference spectrometer based on the stepped phase reflector and optical switch array is involved in the field of infrared spectrum detection and infrared spectrum analysis. It solves the problem of large volume, heavy weight and so on due to the high precision dynamic mirror drive system of the traditional time modulation Fourier transform infrared spectrometer, and has space modulation Fu Li. The leaf transform infrared spectrometer (FTIR) is composed of light source, collimator, beam splitter, transverse step phase reflector, longitudinal step phase reflector, optical switch array, focus mirror and point detector, due to the high cost of using the infrared infrared array detector. The invention uses two step phase mirrors to carry out distributed phase modulation for two orthogonal coherent light fields separated by the beam splitter, and use the optical switch array and the point detector to modulate the interference light field by amplitude modulation. The invention reduces the cost, and has the advantages of miniaturization, light weight, low cost and good portability.

【技术实现步骤摘要】
基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪
本专利技术涉及红外光谱探测与红外光谱分析
，具体涉及一种红外干涉光谱仪器，具体涉及一种分别利用阶梯相位反射镜和光开关阵列对光场进行相位调制和振幅调制的红外干涉光谱仪。
技术介绍
红外干涉光谱技术是近半个世纪以来取得巨大突破并得到迅速发展的科学技术，具有灵敏度高、波数准确、重复性好等优点。根据未知物红外光谱中吸收峰的强度、位置和形状，可以确定未知物分子中包含有哪些基团，进而推断未知物的结构组成。傅里叶变换红外光谱仪是红外干涉光谱仪器的一种，由于具有多通道、高通量、高精度和杂散光低等优点，具有十分明显的应用优势。目前研究比较广泛的傅里叶变换红外光谱仪分为时间调制型和空间调制型，时间调制型采用动镜扫描结构，高精度的动镜驱动系统增加了仪器的体积和重量，对其便携式应用产生了一定的限制。而空间调制型采用制冷型红外面阵探测器，制冷型红外面阵探测器的价格十分昂贵，从而限制了其应用的领域。近年来，随着一些高新科学
的出现和发展，如资源勘探、环境监控、气象监测、生命科学等领域的科学研究和工程应用，对于微小型化、轻量化、高性价比、可进行便携式探测和在线分析的红外光谱仪器提出了十分迫切的使用需求。
技术实现思路
本专利技术为解决传统时间调制傅里叶变换红外光谱仪由于采用高精度的动镜驱动系统带来的体积大、重量沉等问题，并解决空间调制傅里叶变换红外光谱仪由于采用制冷型红外面阵探测器带来的成本高等问题，提出一种基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪。基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，包括光源、准直镜、分束器、横向阶梯相位反射镜、纵向阶梯相位反射镜、光开关阵列、聚焦镜和点探测器，光源发出的光经准直镜后变为平行光束，所述平行光束经分束器反射后的光束入射至横向阶梯相位反射镜，经分束器透射后的光束入射至纵向阶梯相位反射镜，所述横向阶梯相位反射镜和纵向阶梯相位反射镜分别对入射的光束进行空间分布式相位调制后再次经分束器发生干涉，形成干涉光场阵列；所述干涉光场阵列入射到光开关阵列上，所述光开关阵列中的每个光开关单元对干涉光场阵列中的每个干涉光场单元进行分步式接收，并由聚焦镜会聚到点探测器上，获得干涉光强采样序列；所述横向阶梯相位反射镜和纵向阶梯相位反射镜将入射光场分割成多个光场单元，并且每一个光场单元对应横向阶梯相位反射镜的一个行反射镜单元和纵向阶梯相位反射镜的一个列反射镜单元；横向阶梯相位反射镜上每个行反射镜单元对应一个相位调制量，纵向阶梯相位反射镜上每个列反射镜单元对应另一个相位调制量，当横向阶梯相位反射镜与纵向阶梯相位反射镜反射的光场发生干涉时，横向阶梯相位反射镜上每个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜上每个列反射镜单元对应的干涉光场具有一个相位差，出射光场为具有空间相位差分布的干涉光场阵列，且每一个干涉光场单元对应着一个不同的相位差；出射的干涉光场阵列入射到光开关阵列上，所述光开关阵列中每个光开关单元对应干涉光场阵列中的一个干涉光场单元，当光开关阵列上某一个光开关单元处于开路状态时，则干涉光场阵列中与该光开关单元所对应的干涉光场单元通过，并经聚焦镜被点探测器接收；设定横向阶梯相位反射镜有M个行反射镜单元，每个行反射镜单元的宽度为a，纵向阶梯相位反射镜有N个列反射镜单元，每个列反射镜单元的宽度为b，所述光开关阵列中每个光开关单元的尺寸为s×t，光开关阵列数目为K×L，所述光开关阵列的每个光开关单元与干涉光场阵列的每个干涉光场单元一一对应，设定光开关阵列中每个光开关单元的尺寸满足关系s≤a，t≤b，且光开关阵列的阵列数目满足K≥M，L≥N；所述分束器为带有栅棱结构的轻型分束器由栅棱、分束窗和分束膜组成，所述栅棱对分束器进行空间分割形成分束窗阵列，分束膜位于分束窗上表面或分束窗和栅棱的上表面，栅棱对分束膜起支撑作用；栅网分束器中的栅棱在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向和纵向的占空比相同；所述栅网分束器中的栅棱宽度范围为1nm-100cm，分束窗宽度范围为1nm-100cm；栅棱厚度范围为1nm-100cm，分束窗厚度范围为1nm-100cm；所述栅网分束器中的栅棱的剖面结构为单面矩形、单面平行四边形、单面梯形、双面矩形、双面平行四边形或双面梯形。本专利技术的有益效果：本专利技术所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，是一种以利用两个阶梯相位反射镜分别对被分束器分开的两个相干光场进行分布式相位调制，并利用光开关阵列与点探测器对干涉光场进行振幅调制从而实现分步式选通和探测的光谱仪器。本仪器与时间调制型傅里叶变换红外光谱仪相比，无高精度的动镜驱动系统，与空间调制型傅里叶变换红外光谱仪相比，由于引入了与两个阶梯相位反射镜相对应的光开关阵列，可以使用点探测器进行探测，不仅进一步减小体积和重量，而且大大降低了成本，因此该微小红外干涉光谱仪具有微小型化、轻量化、低成本、便携性好等优点，在红外光谱探测与红外光谱分析领域具有重要的应用价值。附图说明图1为本专利技术所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪的结构示意图；图2为本专利技术所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中横向阶梯相位反射镜与纵向阶梯相位反射镜相对于分束器的镜像位置及对光场调制形成的分布式相位差分布示意图；图3为本专利技术所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中光开关阵列对干涉光场阵列中某一光场单元的选通示意图；图4为本专利技术所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中光开关阵列对干涉光场阵列分步式选通示意图；图5为本专利技术所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中衍射光斑与探测器光敏面匹配示意图；图6为本专利技术所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中衍射光斑与探测器光敏面匹配的正视图；图7为本专利技术所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中栅网分束器的府视图；图8为十种栅网分束器的水平与垂直栅棱结构示意图，其中左侧部分的图8a、图8c、图8e、图8g、图8i、图8k、图8m、图8o、图8q和图8s为十种栅网分束器的主视剖面图；右侧部分的图8b、图8d、图8f、图8h、图8j、图8l、图8n、图8p、图8r和图8t分别为对应主视剖面图的左视剖面图；图9中图9a至图9f分别为双面栅棱剖面形状示意图；图10为栅条分束器结构的俯视图；图11为十种栅条分束器的水平与垂直栅棱结构示意图，其中左侧部分的图11a、图11c、图11e、图11g、图11i、图11k、图11m、图11o、图11q和图11s为十种栅条分束器的主视剖面图；右侧部分的图11b、图11d、图11f、图11h、图11j、图11l、图11n、图11p、图11r和图11t分别为对应主视剖面图的左视剖面图；图12为栅网薄膜分束器的制备过程示意图；图13栅条薄膜分束器的制备过程示意图；图14为通过多次膜层沉积的方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示意图；图15为通过多次刻蚀的方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示意图；图16为通过先刻蚀再镀膜的混合方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示意图；图17为通过切削的方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，包括准直镜(2)、分束器(3)、横向阶梯相位反射镜(4)、纵向阶梯相位反射镜(5)、光开关阵列(6)、聚焦镜(7)和点探测器(8)，光源(1)发出的光束经准直镜(2)后出射平行光束，所述平行光束经分束器(3)反射后入射至横向阶梯相位反射镜(4)，经分束器透射后的光束入射至纵向阶梯相位反射镜(5)，所述横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)分别对入射的光束进行空间分布式相位调制后再次经分束器(3)发生干涉，形成干涉光场阵列；所述干涉光场阵列入射到光开关阵列(6)上，所述光开关阵列(6)中的每个光开关单元对干涉光场阵列中的每个干涉光场单元进行分步式接收，并由聚焦镜(7)会聚到点探测器(8)上，获得干涉光强采样序列；其特征是；所述横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)将入射光场分割成多个光场单元，并且每一个光场单元对应横向阶梯相位反射镜(4)的一个行反射镜单元和纵向阶梯相位反射镜(5)的一个列反射镜单元；横向阶梯相位反射镜(4)上每个行反射镜单元对应一个相位调制量，纵向阶梯相位反射镜(5)上每个列反射镜单元对应另一个相位调制量，当横向阶梯相位反射镜(4)与纵向阶梯相位反射镜(5)反射的光场发生干涉时，横向阶梯相位反射镜(4)上每个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜(5)上每个列反射镜单元对应的干涉光场具有一个相位差，出射光场为具有空间相位差分布的干涉光场阵列，且每一个干涉光场单元对应着一个不同的相位差；出射的干涉光场阵列入射到光开关阵列(6)上，所述光开关阵列(6)中每个光开关单元对应干涉光场阵列中的一个干涉光场单元，当光开关阵列(6)上某一个光开关单元处于开路状态时，则入射光场与该光开关单元所对应的干涉光场单元通过，并经聚焦镜(7)被点探测器(8)接收；设定横向阶梯相位反射镜(4)有M个行反射镜单元，每个行反射镜单元的宽度为a，纵向阶梯相位反射镜(5)有N个列反射镜单元，每个列反射镜单元的宽度为b，所述光开关阵列(6)中每个光开关单元的尺寸为s×t，光开关阵列(6)数目为K×L，所述光开关阵列(6)的每个光开关单元与干涉光场阵列的每个干涉光场单元一一对应，设定光开关阵列(6)中每个光开关单元的尺寸满足关系s≤a，t≤b，且光开关阵列(6)的阵列数目满足K≥M，L≥N；所述分束器(3)为带有栅棱结构的轻型分束器由栅棱、分束窗和分束膜组成，所述栅棱对分束器进行空间分割形成分束窗阵列，分束膜位于分束窗上表面或分束窗和栅棱的上表面，栅棱对分束膜起支撑作用；栅网分束器中的栅棱在横向的宽度是其纵向宽度的...

【技术特征摘要】
1.基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，包括准直镜(2)、分束器(3)、横向阶梯相位反射镜(4)、纵向阶梯相位反射镜(5)、光开关阵列(6)、聚焦镜(7)和点探测器(8)，光源(1)发出的光束经准直镜(2)后出射平行光束，所述平行光束经分束器(3)反射后入射至横向阶梯相位反射镜(4)，经分束器透射后的光束入射至纵向阶梯相位反射镜(5)，所述横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)分别对入射的光束进行空间分布式相位调制后再次经分束器(3)发生干涉，形成干涉光场阵列；所述干涉光场阵列入射到光开关阵列(6)上，所述光开关阵列(6)中的每个光开关单元对干涉光场阵列中的每个干涉光场单元进行分步式接收，并由聚焦镜(7)会聚到点探测器(8)上，获得干涉光强采样序列；其特征是；所述横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)将入射光场分割成多个光场单元，并且每一个光场单元对应横向阶梯相位反射镜(4)的一个行反射镜单元和纵向阶梯相位反射镜(5)的一个列反射镜单元；横向阶梯相位反射镜(4)上每个行反射镜单元对应一个相位调制量，纵向阶梯相位反射镜(5)上每个列反射镜单元对应另一个相位调制量，当横向阶梯相位反射镜(4)与纵向阶梯相位反射镜(5)反射的光场发生干涉时，横向阶梯相位反射镜(4)上每个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜(5)上每个列反射镜单元对应的干涉光场具有一个相位差，出射光场为具有空间相位差分布的干涉光场阵列，且每一个干涉光场单元对应着一个不同的相位差；出射的干涉光场阵列入射到光开关阵列(6)上，所述光开关阵列(6)中每个光开关单元对应干涉光场阵列中的一个干涉光场单元，当光开关阵列(6)上某一个光开关单元处于开路状态时，则入射光场与该光开关单元所对应的干涉光场单元通过，并经聚焦镜(7)被点探测器(8)接收；设定横向阶梯相位反射镜(4)有M个行反射镜单元，每个行反射镜单元的宽度为a，纵向阶梯相位反射镜(5)有N个列反射镜单元，每个列反射镜单元的宽度为b，所述光开关阵列(6)中每个光开关单元的尺寸为s×t，光开关阵列(6)数目为K×L，所述光开关阵列(6)的每个光开关单元与干涉光场阵列的每个干涉光场单元一一对应，设定光开关阵列(6)中每个光开关单元的尺寸满足关系s≤a，t≤b，且光开关阵列(6)的阵列数目满足K≥M，L≥N；所述分束器(3)为带有栅棱结构的轻型分束器由栅棱、分束窗和分束膜组成，所述栅棱对分束器进行空间分割形成分束窗阵列，分束膜位于分束窗上表面或分束窗和栅棱的上表面，栅棱对分束膜起支撑作用；栅网分束器中的栅棱在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向和纵向的占空比相同；所述栅网分束器中的栅棱宽度范围为1nm-100cm，分束窗宽度范围为1nm-100cm；栅棱厚度范围为1nm-100cm，分束窗厚度范围为1nm-100cm；所述栅网分束器中的栅棱的剖面结构为单面矩形、单面平行四边形、单面梯形、双面矩形、双面平行四边形或双面梯形。2.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，其特征在于；采用超精密机械加工方法和MOEMS技术实现分束器的制备；采用超精密机械加工方法制备过程为：在基底上通过一体切割、研磨及抛...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁中翥，吕金光，梁静秋，孟德佳，陶金，王维彪，秦余欣，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22