本發(fā)明涉及光度計(jì)，特別是一種分光光度計(jì)，該分光光度計(jì)具有超大的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍和超高的測(cè)量精度。

背景技術(shù)：

分光光度計(jì)的核心技術(shù)是測(cè)量物質(zhì)在特定波長(zhǎng)處或一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的透射率和反射率，其在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及在化工、醫(yī)藥、環(huán)境檢測(cè)、冶金等現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與管理部門都獲得了廣泛重要的應(yīng)用。目前分光光度計(jì)普遍采用雙光路光度法的測(cè)量構(gòu)架，如圖1所示，主要包括復(fù)色光源1，單色器2，光闌3，偏振片4，分束器5，衰減片6，聚焦透鏡7，參考光探測(cè)器8，樣品架9，樣品10，聚焦透鏡11，測(cè)試光探測(cè)器12。復(fù)色光源1出射的復(fù)色光經(jīng)過單色器2后形成測(cè)量所需要的單色光，單色光經(jīng)過光闌3和偏振片4后形成測(cè)量所需的線偏振光，線偏振光經(jīng)過分束器5后形成一束測(cè)量光和一束參考光，參考光經(jīng)過衰減片6和聚焦透鏡7后被參考光探測(cè)器8收集，測(cè)試光經(jīng)過樣品10和聚焦透鏡11后被測(cè)試光探測(cè)器所接收。現(xiàn)有分光光度計(jì)，樣品透射率的測(cè)量方法和測(cè)量原理如下：首先在測(cè)量光束和參考光束中均不放置樣品時(shí)，用參考光探測(cè)器和測(cè)試光探測(cè)器同時(shí)采集參考光束和測(cè)試光束的光強(qiáng)，分別記為I₁和I₂，然后把待測(cè)樣品放置在測(cè)試光路中，再次利用參考光探測(cè)器和測(cè)試光探測(cè)器同時(shí)采集參考光束和測(cè)試光束的光強(qiáng)，分別記為和則待測(cè)樣品的透射率T可按照公式(1.1)計(jì)算：

利用單色器逐漸改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)λ，依次在不同波長(zhǎng)下測(cè)量樣品的透射率，即可得到待測(cè)樣品的透射光譜T(λ)。

然而現(xiàn)有常用的分光光度計(jì)主要存在下面幾個(gè)缺點(diǎn)：

(1)不能準(zhǔn)確測(cè)量高透射率和高反射率。由于現(xiàn)有分光光度計(jì)測(cè)量原理和測(cè)量精度的限制，一般情況下能測(cè)量最高的透射率和最高反射率為99.8％，而對(duì)于透射率、反射率更高的樣品，如反射率高于99.9％的高反射膜和透射率高于99.9％的增透膜，目前的分光光度計(jì)無法準(zhǔn)確的完成測(cè)量。

(2)不能準(zhǔn)確測(cè)量超低透射率和超低反射率?，F(xiàn)有分光光度計(jì)在測(cè)量較低透射率和較低反射率(如R＜4％的光學(xué)元件)時(shí)，一般是選用理論反射率已知的熔融石英玻璃作為參考樣品，這樣可把低透射率和低反射率光學(xué)元件的相對(duì)測(cè)量精度提高到1％，但是這種方法能測(cè)量的最低透射率和最低反射率約為0.5％，對(duì)于透射率和反射率更低的光學(xué)元件，如剩余反射率低于0.1％的增透膜和剩余透射率低于0.1％的高反射膜，目前的分光光度計(jì)無法準(zhǔn)確的完成測(cè)量。

(3)透射率和反射率的測(cè)量精度不高。對(duì)于普通光學(xué)元件的透射率和反射率，現(xiàn)有分光光度計(jì)的測(cè)量精度約為0.2％～0.5％，而在許多應(yīng)用場(chǎng)合中，要求透射率和反射率的測(cè)量精度優(yōu)于0.1％，這使得目前的分光光度計(jì)不能滿足這些測(cè)試需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有分光光度計(jì)存在的問題，本發(fā)明提供一種分光光度計(jì)，該分光光度計(jì)具有超大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍和測(cè)量精度和重復(fù)性精度高的特點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種分光光度計(jì)，其特點(diǎn)在于包括光源模塊、參考光模塊、光電探測(cè)模塊、諧振腔模塊和樣品模塊:

所述的光源模塊包括可調(diào)諧激光器和脈沖激光器，在可調(diào)諧激光器的激光輸出方向依次是激光功率調(diào)節(jié)裝置、單色器、第一分束器、光闌、偏振片和斬波器，在所述的脈沖激光器的激光輸出方向是所述的第一分束器、光闌、偏振片和斬波器；

所述的參考光模塊包括第二分束器，在所述的光源模塊的輸出光路上設(shè)置第二分束器，第二分束器將入射光束分為反射光束和透射光束，在第二分束器的反射光束即參考激光束傳播方向依次是衰減片、第一聚焦透鏡和放置于第一聚焦透鏡焦點(diǎn)的參考光探測(cè)器；

所述的諧振腔模塊從入射光到出射光依次是第一凸透鏡、放置于第一凸透鏡焦點(diǎn)位置處的小孔光闌、焦點(diǎn)位于小孔光闌的第二凸透鏡、腔鏡M1和腔鏡M2，所述的第一凸透鏡、小孔光闌和第二凸透鏡組成了模式匹配單元，鍍有高反射膜的腔鏡M1和腔鏡M2組成光學(xué)諧振腔；

所述的樣品模塊由樣品夾持及姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置和待測(cè)樣品組成；

所述的光電探測(cè)模塊包括第三分束器，所述的第三分束器設(shè)置在所述的第二分束器的透射光束方向，第三分束器將入射光束分為反射光束和透射光束，在第三分束器的反射光束方向依次是反射鏡、第二聚焦透鏡、積分球、光探測(cè)器和鎖相放大器，所述的積分球置于第二聚焦透鏡的焦點(diǎn)，在所述的透射光束方向是所述的諧振腔模塊的第一凸透鏡；

在所述的光學(xué)諧振腔的激光輸出方向依次是第三聚焦透鏡、超快光電探測(cè)器和示波器，所述的超快光電探測(cè)器位于第三聚焦透鏡的焦點(diǎn)。

在利用光度法測(cè)量普通光學(xué)元件的透射率、反射率、超低透射率和超低反射率的時(shí)候，主要選用可調(diào)諧激光器和單色器為測(cè)量系統(tǒng)提供光源，在利用諧振腔測(cè)量的時(shí)候，脈沖激光器為測(cè)量提供脈沖激光源，同時(shí)可調(diào)諧激光器和單色器為測(cè)量提供指示激光，指示激光用于諧振腔的調(diào)節(jié)和裝配。激光功率調(diào)節(jié)裝置的作用是根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象，相對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)測(cè)試激光的功率，以便使測(cè)試光探測(cè)器收集到光強(qiáng)處在光功率計(jì)的最佳線性工作區(qū)間。偏振片為測(cè)量對(duì)象提供所需的偏振態(tài)的光束，斬波器的作用是在普通光度測(cè)量時(shí)把測(cè)量激光調(diào)制成具有一定固有頻率的激光束。

參考光模塊主要包括可調(diào)節(jié)衰減片、第一聚焦透鏡和光電探測(cè)器，衰減片主要是根據(jù)測(cè)試光束的強(qiáng)度，相對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)參考光束的強(qiáng)度，從而使測(cè)試光束和參考光束的光強(qiáng)相匹配，并都處于探測(cè)器的最佳線性工作區(qū)域，第一聚焦透鏡的目的是把參考光束聚焦成為較小的光斑，提高探測(cè)器的測(cè)量準(zhǔn)確性，參考光模塊主要用于雙光路光度法測(cè)量中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光的功率，這樣可消除激光功率漂移對(duì)光度法帶來的測(cè)量誤差。

諧振腔模塊主要有第一凸透鏡、小孔光闌、第二凸透鏡、腔鏡M1和腔鏡M2組成，第一凸透鏡、小孔光闌和第二凸透鏡組成了模式匹配單元，主要用于脈沖激光的模式匹配，鍍有高反射膜的腔鏡M1和腔鏡M2則組成了光學(xué)諧振腔。

樣品模塊主要由樣品固定裝置和待測(cè)樣品組成，樣品調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(包含直線運(yùn)動(dòng)和俯仰偏擺調(diào)節(jié)功能)保證了系統(tǒng)對(duì)元件進(jìn)行準(zhǔn)確的定位和姿態(tài)調(diào)整。

光電探測(cè)模塊主要有第二聚焦透鏡、積分球、測(cè)試光探測(cè)器、鎖相放大器、第三聚焦透鏡、超快光電探測(cè)器和示波器組成。在普通光度測(cè)量技術(shù)中，測(cè)試光經(jīng)過樣品的反射或者透射后經(jīng)過聚焦透鏡的聚焦，照射在積分球上，最終被測(cè)試光探測(cè)器所收集，在諧振腔測(cè)量技術(shù)中，測(cè)試光經(jīng)過聚焦透鏡的聚焦后照射在超快光電探測(cè)器上，最終信號(hào)被示波器所接收。

本發(fā)明工作原理如下：

1、普通透射率和普通反射率(0.5％-99.8％)的測(cè)量方法

普通透射率和普通反射率的測(cè)量原理和測(cè)量方法如下：首先打開可調(diào)諧激光器、光柵單色器、斬波器和參考光探測(cè)器、測(cè)試光探測(cè)器和鎖相放大器，關(guān)閉脈沖激光器，在測(cè)量過程中，首先使測(cè)試光束直接被測(cè)試光探測(cè)器收集，接著用數(shù)據(jù)采集器同時(shí)采集參考光和測(cè)試光的光強(qiáng)信號(hào)值，分別記為I₁和I₂，然后把待測(cè)光學(xué)玻璃放置于測(cè)試光路中，使透射光束照射在測(cè)試光探測(cè)器上，利用數(shù)據(jù)采集器同時(shí)采集參考光和測(cè)試光的光強(qiáng)信號(hào)值，分別記為和則光學(xué)元件的透射率T可按照公式(1.1)計(jì)算得到。

2、高透射率和高反射率(99.8％-99.999％)的測(cè)量方法

高透射率和高反射率的測(cè)量原理和測(cè)量方法如下：首先打開可調(diào)諧激光器、光柵單色器、超快探測(cè)器和示波器、脈沖激光器，在腔內(nèi)沒有樣品時(shí)，脈沖激光進(jìn)入諧振腔后，光腔輸出信號(hào)可表示為：

其中，I(t)為測(cè)得的隨時(shí)間t變化的光強(qiáng)信號(hào)，I₀為光強(qiáng)的初始值，t

為時(shí)間變量，τ為諧振腔衰蕩因子，可表示為：

式中，n為腔內(nèi)介質(zhì)的折射率，L為腔長(zhǎng)，c為光速，α為諧振腔內(nèi)吸收系數(shù)，R為諧振腔的總體反射率。當(dāng)腔內(nèi)介質(zhì)為空氣時(shí)，折射率n近似為1，根據(jù)超快光電探測(cè)器和示波器計(jì)算得到的衰蕩時(shí)間，按下式計(jì)算腔鏡的平均反射率：

式中，R₁為腔鏡M1的反射率，R₂為腔鏡M2的反射率。

當(dāng)入射激光與諧振腔模式匹配后，入射激光脈沖較短時(shí)，衰減信號(hào)呈單指數(shù)衰減，為了測(cè)量樣品的高反射率，通常把待測(cè)樣品放置在諧振腔中，構(gòu)成折疊腔，分別測(cè)量?jī)煞N情況下諧振腔的衰蕩信號(hào)，然后按單指數(shù)衰減函數(shù)擬合兩種情況下測(cè)得的曲線，即得到相應(yīng)的衰蕩因子τ₁和τ₂，按下式計(jì)算待測(cè)高反射鏡的反射率為：

3、低透射率和低反射率(0.001％-0.5％)的測(cè)量方法

低透射率和低反射率的測(cè)量原理和測(cè)量方法如下：首先打開可調(diào)諧激光器、光柵單色器、斬波器和參考光探測(cè)器、測(cè)試光探測(cè)器和鎖相放大器，關(guān)閉脈沖激光器，在測(cè)試光束中放置參考樣品(其反射率為R₀)，在參考光路中放置衰減片，在測(cè)量過程中，首先使測(cè)試光束直接被測(cè)試光探測(cè)器收集，接著用數(shù)據(jù)采集器同時(shí)采集參考光的光強(qiáng)信號(hào)值I₁和測(cè)試光的光強(qiáng)信號(hào)值I₂，然后移除參考樣品，把待測(cè)光學(xué)玻璃放置于測(cè)試光路中，使透射光束照射在測(cè)試光探測(cè)器上，利用數(shù)據(jù)采集器同時(shí)采集參考光的光強(qiáng)信號(hào)值和測(cè)試光的光強(qiáng)信號(hào)值則光學(xué)元件的透射率T按照公式(1.6)計(jì)算：

與現(xiàn)有分光光度計(jì)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)超大的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍

本發(fā)明系統(tǒng)采用普通光度測(cè)量法和諧振腔測(cè)量法相結(jié)合的方案，并利用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身反射率的光學(xué)構(gòu)件，從而使測(cè)量系統(tǒng)具有極大的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍(0.001％—99.999％)，系統(tǒng)不僅可以對(duì)高透射率(99.8％＜T＜99.999％和高反射率(99.8％＜R＜99.999％)完成準(zhǔn)確的測(cè)量，也可以對(duì)普通的透射率(0.5％＜T＜99.8％)和普通的反射率(0.5％＜R＜99.8％)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)還可以對(duì)超低透射率(0.001％＜T＜0.5％)和超低反射率(0.001％＜R＜0.5％)實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，這顯著拓展了儀器的應(yīng)用領(lǐng)域和適用范圍。

(2)超高的測(cè)量精度和重復(fù)性精度

本發(fā)明選用雙光路自相關(guān)技術(shù)，不僅成功消除了光源功率波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響，同時(shí)顯著提高了系統(tǒng)的噪聲抗干擾能力，可明顯消除環(huán)境雜散光、暗電流和前置放大器漂流對(duì)透反射率測(cè)量結(jié)果的影響，普通透射率和普通反射率的絕對(duì)測(cè)量精度達(dá)到0.1％，超低透射率和超低反射率的相對(duì)測(cè)量精度優(yōu)于1％，高透射率和高反射率的絕對(duì)測(cè)量精度達(dá)到0.001％。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有分光光度計(jì)的測(cè)量光路示意圖。

圖2是本發(fā)明分光光度計(jì)測(cè)量透射元件時(shí)的光路示意圖。

圖3是本發(fā)明分光光度計(jì)測(cè)量反射元件時(shí)的光路示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1：

圖2是本發(fā)明分光光度計(jì)測(cè)量透射元件時(shí)的光路示意圖，由圖可見，本發(fā)明分光光度計(jì)包括光源模塊、參考光模塊、光電探測(cè)模塊、諧振腔模塊和樣品模塊：

所述的光源模塊包括可調(diào)諧激光器13和脈沖激光器16，在可調(diào)諧激光器13的激光輸出方向依次是激光功率調(diào)節(jié)裝置14、單色器15、第一分束器17、光闌18、偏振片19和斬波器20，在所述的脈沖激光器16的激光輸出方向是所述的第一分束器17、光闌18、偏振片19和斬波器20；

所述的參考光模塊包括第二分束器21，在所述的光源模塊的輸出光路上設(shè)置第二分束器21，第二分束器21將入射光束分為反射光束和透射光束，在第二分束器21的反射光束即參考激光束傳播方向依次是衰減片22、第一聚焦透鏡23和放置于第一聚焦透鏡23焦點(diǎn)的參考光探測(cè)器24；

所述的諧振腔模塊從入射光到出射光依次是第一凸透鏡27、放置于第一凸透鏡27焦點(diǎn)位置處的小孔光闌28、焦點(diǎn)位于小孔光闌28的第二凸透鏡29、腔鏡M1 30和腔鏡M2 33，所述的第一凸透鏡27、小孔光闌28和第二凸透鏡29組成了模式匹配單元，鍍有高反射膜的腔鏡M1 30和腔鏡M2 33組成光學(xué)諧振腔；

所述的樣品模塊由樣品夾持及姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置31和待測(cè)樣品32組成；

所述的光電探測(cè)模塊包括第三分束器25，所述的第三分束器25設(shè)置在所述的第二分束器21的透射光束方向，第三分束器25將入射光束分為反射光束和透射光束，在第三分束器25的反射光束方向依次是反射鏡26、第二聚焦透鏡34、積分球35、光探測(cè)器36和鎖相放大器37，所述的積分球35置于第二聚焦透鏡34的焦點(diǎn)，在所述的透射光束方向是所述的諧振腔模塊的鏡片L1 27；

在所述的光學(xué)諧振腔的激光輸出方向依次是第三聚焦透鏡38、超快光電探測(cè)器39和示波器40，所述的超快光電探測(cè)器39位于第三聚焦透鏡38焦點(diǎn)。

實(shí)施例2：

圖3是本發(fā)明分光光度計(jì)測(cè)量反射元件時(shí)的光路示意圖。由圖可見，本發(fā)明分光光度計(jì)包括光源模塊、參考光模塊、光電探測(cè)模塊、諧振腔模塊和樣品模塊：

所述的光源模塊包括可調(diào)諧激光器13和脈沖激光器16，在可調(diào)諧激光器13的激光輸出方向依次是激光功率調(diào)節(jié)裝置14、單色器15、第一分束器17、光闌18、偏振片19和斬波器20，在所述的脈沖激光器16的激光輸出方向是所述的第一分束器17、光闌18、偏振片19和斬波器20；

所述的參考光模塊包括第二分束器21，在所述的光源模塊的輸出光路上設(shè)置第二分束器21，第二分束器21將入射光束分為反射光束和透射光束，在第二分束器21的反射光束即參考激光束傳播方向依次是衰減片22、第一聚焦透鏡23和放置于第一聚焦透鏡23焦點(diǎn)的參考光探測(cè)器24；

所述的諧振腔模塊從入射光到出射光依次是第一凸透鏡27、放置于第一凸透鏡27焦點(diǎn)位置處的小孔光闌28、焦點(diǎn)位于小孔光闌28的第二凸透鏡29、腔鏡M1 30和腔鏡M2 33，所述的第一凸透鏡27、小孔光闌28和第二凸透鏡29組成了模式匹配單元，鍍有高反射膜的腔鏡M1 30和腔鏡M2 33組成光學(xué)諧振腔；

所述的樣品模塊由樣品夾持及姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置31和待測(cè)樣品32組成，所述的待測(cè)樣品32是反射元件；

所述的光電探測(cè)模塊包括第三分束器25，所述的第三分束器25設(shè)置在所述的第二分束器21的透射光束方向，第三分束器25將入射光束分為反射光束和透射光束，在第三分束器25的反射光束方向依次是反射鏡26、第二聚焦透鏡34、積分球35、光探測(cè)器36和鎖相放大器37，所述的積分球35置于第二聚焦透鏡34的焦點(diǎn)，在所述的透射光束方向是所述的諧振腔模塊的鏡片27；

在所述的光學(xué)諧振腔的激光輸出方向，即經(jīng)待測(cè)樣品32是反射光方向依次是第三聚焦透鏡38、超快光電探測(cè)器39和示波器40，所述的超快光電探測(cè)器39位于第三聚焦透鏡38焦點(diǎn)。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。