铌酸锂波导傅里叶变换光谱仪的光谱重建方法及光谱分辨率研究

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微小型傅里叶变换光谱仪(FTS)在现场快速生化分析和航空航天光谱遥感等领域具有重要的应用价值,已经引起国际学术界和工业界的高度重视和广泛研究。微小型FTS主要包括非色散的迈克尔逊干涉型和色散的集成光波导干涉型两种类型。后者不含运动部件,不存在前者所面临的动镜侧倾问题,属于高度集成的低功耗静态FTS。本论文对基于铌酸锂波导电光调制功能的静态FTS进行了深入研究,重点分析了在波导色散条件下的傅里叶变换光谱重建方法和光谱分辨率算法。论文包括以下主要内容:  (1)利用数值求解法得到了铌酸锂单模波导两侧调制电极之间的电场分布、不同波长对应的光场分布以及电场与光场的重叠积分因子,获得了电光重叠积分因子在近红外区域随波长增大而减小的色散规律。这一规律是由于光场中心随波长增大逐渐远离波导表面并向弱电场区域靠近而产生的,它是导致铌酸锂波导器件半波电压随波长增大而非线性升高的主要原因;  (2)基于铌酸锂波导器件的半波电压色散方程,建立了一种从实验测得的输出光强随调制电压的变化曲线反演重建输入光谱的简捷方法。该新方法不涉及波导器件的光学参数和结构参数,克服了波导色散特性的影响,容许使用非线性电压对光程差进行调制。  (3)利用自建的铌酸锂波导静态FTS物理样机验证了基于半波电压色散方程的光谱重建方法的可靠性。实验结果表明该光谱重建方法不仅能够用于精确确定近红外激光波长,还可用于获取液体和固体样品的近红外吸收光谱,进而分析样品成分和含量。  (4)理论推导出适用于非色散型和色散型FTS的光谱分辨率计算公式△v=0.5/[δmax+((e)δmax/(e)v)v](v为波数,δmax为最大光程差)。该公式克服了传统FTS光谱分辨率公式(Δv=0.5/δmax)只适用于非色散型器件的局限性。由该公式预测的铌酸锂波导静态FTS在近红外区间的光谱分辨率不仅与实验数据高度一致,而且小于由传统公式得到的光谱分辨率,尤其是两者之差随波长增大而迅速增加。这意味着在最大光程差(δmax)相同的情况下,由铌酸锂波导制作的静态FTS具有比动镜FTS更高的光谱分辨率。  (5)提出了采用端面反射结构成倍增加铌酸锂波导静态FTS光谱分辨率的方法,并实验验证了该方法的可行性;仿真设计了铌酸锂波导端面斜反射耦合结构,该结构用于增加调制波导长度从而进一步提高FTS光谱分辨率。  上述工作为研发高分辨、高可靠、高精度铌酸锂波导静态FTS奠定了基础,将大力推动这种新型FTS技术向实用化方向的发展。
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