分子Faraday旋光紅外濾波成像技術(shù)研究

熊遠(yuǎn)輝， 羅中杰， 于光保， 劉林美， 李發(fā)泉， 武魁軍

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 數(shù)學(xué)與物理學(xué)院， 湖北 武漢 430074; 2.中國科學(xué)院 武漢物理與數(shù)學(xué)研究所， 湖北 武漢 430071)

0 引言

近年來，紅外成像探測系統(tǒng)在大氣遙感、環(huán)境污染監(jiān)測、森林防火、天文觀測、目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛[1-2]。由于分子振轉(zhuǎn)態(tài)的躍遷能級(jí)主要集中在紅外波段，使得紅外成像探測系統(tǒng)具有紫外或可見光探測系統(tǒng)無法比擬的天然優(yōu)勢(shì)[3]。為了充分利用這種天然優(yōu)勢(shì)，紅外成像探測系統(tǒng)正朝著超光譜分辨的方向發(fā)展。

紅外成像光譜儀可以同時(shí)獲取目標(biāo)的一維光譜信息及二維的空間信息，是紅外濾波成像技術(shù)的重要實(shí)現(xiàn)途徑，由于其工作光譜范圍寬、可同時(shí)獲取光譜特性及空間數(shù)據(jù)，而受到廣泛關(guān)注[4]。高分辨探測紅外光譜信號(hào)的成像光譜儀主要有法布里- 珀羅干涉儀、傅里葉變換成像光譜儀、空間外差成像光譜儀和多普勒外差成像干涉儀。但是由于成像光譜儀采用光柵或棱鏡分光，或者利用邁克爾遜干涉儀進(jìn)行步進(jìn)調(diào)制獲取光譜信息，因而需要光學(xué)掃描獲取圖像信息，時(shí)間分辨率低；此外還存在探測靈敏度與光學(xué)性能不可兼得，光譜分辨率與光學(xué)穩(wěn)定性相互制約等問題[5-6]。研發(fā)高時(shí)間分辨率、高光譜分辨、高空間分辨、高光學(xué)穩(wěn)定的新型光譜成像方法，是紅外成像探測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的關(guān)鍵途徑之一。

分子濾波器件是一種具有梳狀離散透射譜型的濾波器件，依靠分子能級(jí)躍遷對(duì)光波長的分辨能力實(shí)現(xiàn)選擇性透射。分子濾波器的效果雖然是“光學(xué)”的，但其工作機(jī)理卻是“量子”的。分子濾波器同時(shí)具備高光譜分辨能力(GHz)和高穩(wěn)定性(受振動(dòng)、溫度等環(huán)境因素影響小)，而且視場角大(>10°)，是一種極穩(wěn)定的高光譜分辨濾波成像器件。分子濾波器采用與目標(biāo)中被測氣體種類相同的氣體分子作為工作物質(zhì)，透射譜與目標(biāo)光譜頻率嚴(yán)格匹配，且透射頻率穩(wěn)定，可以準(zhǔn)確地提取濾波片透過帶內(nèi)的所有信號(hào)光譜，并抑制吸收線之間以及之外的背景噪聲。根據(jù)工作方式的不同，可以將分子紅外濾波器分為差量吸收型分子濾波器[7]和磁致旋光型(Faraday旋光)分子濾波器[8]兩種。

差量吸收分子濾波器是通過改變分子泡內(nèi)的工作壓強(qiáng)或分子氣室長度，控制分子氣體對(duì)信號(hào)光和背景光的吸收，從而濾除背景噪聲的方法。加拿大航天局與Toronto大學(xué)研發(fā)的對(duì)流層污染儀(MOPITT)采用長度調(diào)制型和壓力調(diào)制型差量吸收型分子濾波器，獲取了大氣中CO含量垂直廓線[9]。瑞典的Lund技術(shù)研究所Sandsten等[10-13]利用分子濾波技術(shù)開展了氣體泄漏實(shí)時(shí)成像監(jiān)測方面的研究。美國能源部Sandia國家實(shí)驗(yàn)室正在發(fā)展機(jī)載分子濾波技術(shù)應(yīng)用于對(duì)流層微量氣體遙感。美國航空航天局Goddard太空飛行中心正在研制星載分子濾波技術(shù)，監(jiān)測大氣污染氣體含量。由此可見，利用分子濾波技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的激光光譜、色散光譜、干涉光譜手段，實(shí)現(xiàn)微量氣體遙感，已經(jīng)成為新型光學(xué)探測方法的發(fā)展趨勢(shì)之一。2018年，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所開展了基于差量吸收分子濾波成像技術(shù)的汽車尾氣遙感監(jiān)測研究[7]。

磁致旋光分子濾波器是利用分子Faraday旋光效應(yīng)工作，因而具有更為優(yōu)異的背景抑制能力。中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所Wu等[8,14]在國際上率先開展分子Faraday旋光紅外濾波成像技術(shù)研究，并取得突破性進(jìn)展。本文從Faraday旋光紅外濾波成像技術(shù)的工作機(jī)理及工程實(shí)現(xiàn)著手，探討該技術(shù)在紅外成像探測系統(tǒng)中的應(yīng)用，開展基于Faraday旋光紅外濾波成像技術(shù)的燃燒診斷試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果展開分析，論證Faraday旋光紅外濾波成像技術(shù)在紅外成像探測系統(tǒng)應(yīng)用中的可行性與優(yōu)越性。

1 濾波機(jī)理

1.1 分子Faraday旋光效應(yīng)

分子Faraday旋光濾波成像技術(shù)的工作原理是分子能級(jí)躍遷的Faraday旋光效應(yīng)[15]。在外界磁場的作用下，順磁分子發(fā)生塞曼效應(yīng)并產(chǎn)生能級(jí)分裂，在其中傳播的線偏振光分解為左旋圓偏振光及右旋圓偏振光，由于塞曼能級(jí)分裂效應(yīng)導(dǎo)致兩類圓偏振光的衰減及相移有所差異。

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圖1 轉(zhuǎn)動(dòng)譜線R(4.5)左、右旋圓偏振光的衰減及其衰減之差Fig.1 Attenuations of the left and right circularly polarized lights of the rotating line R(4.5) and the difference in their attenuations

而二者相移的差異體現(xiàn)在折射率的不同，從而形成圓雙折射效應(yīng)。左旋、右旋圓偏振光在折射率上的差異可以用圓雙折射系數(shù)ρ表示為

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圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)譜線R(4.5)左、右旋圓偏振光的相移及其相移之差Fig.2 Phase shifts and phase shift difference between left and right circularly polarized lights with rotating line R(4.5)

利用順磁性分子發(fā)生塞曼效應(yīng)所引起的圓雙折射效應(yīng)及圓雙色性吸收效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)超窄帶、高背景抑制的紅外濾波。

分子Faraday旋光紅外濾波成像器件由一個(gè)置于軸向磁場中的分子泡和兩個(gè)正交的偏振器組成，其結(jié)構(gòu)示意及濾波原理如圖3所示。光束通過起偏器后成為線偏振光，線偏振光在處于軸向磁場的順磁分子氣體中傳輸時(shí)，分解為初始相位角相同、能量相同的左旋圓偏振光及右旋圓偏振光，若入射光的波長在順磁分子的共振吸收線附近，則左旋圓偏振光及右旋圓偏振光的相位角會(huì)發(fā)生變化，出現(xiàn)相位差。透過分子泡后，左旋圓偏振光及右旋圓偏振光重新疊加為線偏振光，其偏振方向相對(duì)于入射的線偏振光的偏振方向產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。通過設(shè)定合適的工作參數(shù)(如泡體長度、磁場強(qiáng)度、分子濃度等)，可使得線偏振光的偏振面正好旋過π/2的角度，從而最大效率地通過檢偏器，被探測器接收；而其他波長的入射光因未與順磁分子發(fā)生共振，不會(huì)發(fā)生偏振面旋轉(zhuǎn)，無法透過檢偏器，從而起到濾波的效果。

圖3 Faraday旋光濾波器原理圖Fig.3 Schematic diagram of MFOF

1.2 透射譜型計(jì)算

旋轉(zhuǎn)角度φ與分子泡內(nèi)目標(biāo)氣體的濃度N、分子泡長度L、軸向磁場強(qiáng)度B及入射光的波長等因素有關(guān)。旋轉(zhuǎn)角度φ可表示為

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式中：ρ為圓雙折射系數(shù)。

考慮順磁分子對(duì)入射光的雙色性吸收作用，通過檢偏片后，線偏振光的透過率T[8]表示為

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圖4為Faraday旋光濾波器在不同磁場和頻率下的透過率。由圖4可知：當(dāng)入射光頻率越靠近順磁分子的吸收線(Δν≈0)，其透射效率越高；同時(shí)，隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)，整體透過率越高，且譜線帶寬也會(huì)由于塞曼效應(yīng)逐漸增寬。

圖4 Faraday旋光濾波器在不同磁場和頻率下的透過率Fig.4 Transmittances of MFOF in different magnetic fields and frequencies

2 透射譜型測試

譜型測試是標(biāo)定分子濾波器件性能參數(shù)的重要環(huán)節(jié)，可以定量地給出濾波器的透過率、譜線帶寬及背景抑制能力。Faraday旋光濾波器的透射譜型測試試驗(yàn)裝置如圖5所示，包括可調(diào)諧激光單元、磁致旋光分子濾波器單元、光譜采集單元。其中可調(diào)諧激光單元是由分布反饋式、連續(xù)可調(diào)諧、100 cm-1波數(shù)內(nèi)無跳模的量子級(jí)聯(lián)激光器(美國Daylight公司生產(chǎn)，型號(hào)41052-MHF-012-KD0357)組成，掃描范圍為1 825.0～1 950.0 cm-1，波長掃描范圍覆蓋了NO分子基頻躍遷帶中的R、Q、P支。激光束經(jīng)CaF2楔形分束鏡(美國Thorlabs公司生產(chǎn)，型號(hào)BSW520)分為2路信號(hào)，分束鏡的透射信號(hào)通過磁致旋光分子濾波器單元的起偏器(美國Moxtek公司生產(chǎn)，型號(hào)ProFlux-MWIR)和磁場中的分子泡后，到達(dá)檢偏器，發(fā)生旋光的信號(hào)被紅外探測器(波蘭Vigo公司生產(chǎn)，型號(hào)VIGO PVI-3-TE-6，響應(yīng)范圍為2～12 μm)接收； 分束鏡(瑞典Spectrogon公司生產(chǎn)，型號(hào)ND-IR-OD)的反射信號(hào)被鍍金反射鏡反射后，通過101.6 mm長的固體鍺標(biāo)準(zhǔn)具(美國Thorlabs公司生產(chǎn)，型號(hào)PF10-03-M03)，被紅外探測器接收進(jìn)行吸收光譜的波長標(biāo)定。所得兩路信號(hào)最終被1 GSA/s采樣率、100 MHz帶寬的數(shù)字示波器(美國Tektronix公司生產(chǎn)，型號(hào)DPO 2014)采集。

圖5 磁致旋光型分子濾波器的試驗(yàn)裝置Fig.5 Experimental device for MFOF

圖6所示為Faraday旋光濾波器的透射譜型測試結(jié)果，F(xiàn)araday通道的光譜信號(hào)用藍(lán)線表示，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具通道的光譜信號(hào)用紅線表示。其中FP標(biāo)準(zhǔn)具光譜信號(hào)的凹坑是由空氣中的水汽分子吸收引起的，可以用來標(biāo)定FP標(biāo)準(zhǔn)具的絕對(duì)波長信息。

圖6 Faraday旋光濾波器測試結(jié)果Fig.6 Test results of MFOF

分束鏡的透射通道，即Faraday通道用于獲取Faraday旋光濾波器的透射光譜；而分束鏡的反射通道，即標(biāo)準(zhǔn)具通道所接收到的光譜信號(hào)可以標(biāo)定濾波器的譜線帶寬，并修正其透射譜型。圖7為標(biāo)準(zhǔn)具通道修正后的Faraday旋光濾波器的試驗(yàn)測試透射譜型，以及相同試驗(yàn)條件下仿真計(jì)算得到的理論模擬透射譜型。由圖7可知，分子濾波器的測試譜型與相應(yīng)條件下的理論模擬譜型基本吻合，因而可以證明分子Faraday旋光濾波器的理論模型是正確的。理論與試驗(yàn)結(jié)果在旋光透射的波長附近有少許殘差存在(約2%)，主要原因來自于兩個(gè)方面：1)分子數(shù)據(jù)庫本身存在一定不確定度；2)計(jì)算NO分子的塞曼效應(yīng)時(shí)引起的誤差。其中，數(shù)據(jù)庫參數(shù)本身的不確定度可以通過查詢Hitran數(shù)據(jù)庫獲得[16]，而塞曼效應(yīng)計(jì)算引起的誤差可以通過精確計(jì)算2階量以及準(zhǔn)確評(píng)估NO分子的電子態(tài)耦合方式進(jìn)一步減小[15]。此外，由圖7中的局部圖可以看出，F(xiàn)araday旋光濾波器的帶間抑制比為5×10-5，單譜線帶寬為1.2 GHz，這些指標(biāo)是傳統(tǒng)的光學(xué)濾波器(如FP干涉儀)難以比擬的。圖7中虛線標(biāo)出的P1/2(5.5)為NO譜線中的P支譜線。

圖7 Faraday旋光濾波器透射譜型修正結(jié)果及理論仿真結(jié)果Fig.7 Corrected and simulated results of transmission spectrum of MFOF

3 成像濾波試驗(yàn)

由上述理論分析及試驗(yàn)測試可知，F(xiàn)araday旋光濾波器的效果是“光學(xué)”的，而工作機(jī)理卻是“量子”的，因而具備高光譜分辨能力(GHz)、高光學(xué)穩(wěn)定性(受振動(dòng)、溫度等環(huán)境因素影響小)、而且視場角大(>10°)，是一種極穩(wěn)定的高光譜分辨濾波成像器件，且背景抑制能力高達(dá)5×10-5，因而有望應(yīng)用于燃燒診斷領(lǐng)域。

為了驗(yàn)證Faraday旋光濾波器的成像能力、濾波能力，及其在燃燒診斷領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，設(shè)計(jì)分子Faraday旋光紅外濾波成像裝置如圖8所示，包括燃燒裝置、分子濾波器、紅外成像系統(tǒng)。該燃燒裝置由直徑6.13 cm、可自由調(diào)節(jié)高度、預(yù)混燃?xì)獾柠溈思{平焰爐，水冷系統(tǒng)，CH4(99.99%)和NO(99%)組成。紅外成像系統(tǒng)是制冷型紅外熱像儀(中國電子科技集團(tuán)有限公司第11研究所生產(chǎn)，型號(hào)MIR-320)，可產(chǎn)生320像素×256像素，14位數(shù)字化的幀速為50幀/s. CH4和NO預(yù)混合流過麥克納平焰爐，火焰發(fā)射的紅外輻射信號(hào)通過分子濾波器進(jìn)行濾除背景氣體輻射信號(hào)；NO氣體的輻射信號(hào)通過光學(xué)鏡頭和紅外窄帶濾波片(瑞典Spectrogon公司生產(chǎn), 型號(hào)BP-5290-300 nm)被紅外熱像儀采集。

圖8 分子Faraday 旋光紅外濾波成像裝置圖Fig.8 Experimental device of MOFIF

NO的基頻躍遷在5.2 μm波段，當(dāng)燃燒系統(tǒng)充入NO氣體時(shí)，NO分子由于高溫作用會(huì)在5.2 μm處產(chǎn)生紅外輻射。但是由于燃燒系統(tǒng)的燃料是CH4，而CH4燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的CO2和H2O，H2O分子在高溫情況下也會(huì)在5.2 μm波段會(huì)發(fā)出很強(qiáng)的紅外輻射，NO和H2O輻射產(chǎn)生的紅外信號(hào)會(huì)透過紅外濾波片在紅外相機(jī)的焦平面上同時(shí)成像。因此，單純利用窄帶濾波技術(shù)，無法避開H2O的影響獲得純的NO圖像。

Faraday旋光成像濾波器采用與目標(biāo)中被測氣體種類相同的氣體分子(即NO)作為工作物質(zhì)，透射譜與目標(biāo)光譜頻率嚴(yán)格匹配，且透射頻率穩(wěn)定，可以準(zhǔn)確地提取濾波器透過帶內(nèi)的所有信號(hào)光譜，并抑制吸收線之間以及之外的背景噪聲，因而可以獲得純的NO圖像，且不受H2O的紅外輻射影響。分子Faraday紅外成像濾波器和濾光片方式過濾后NO圖像如圖9所示，其中圖9(a)和圖9(b)為分子濾波器方式獲得的紅外圖像，當(dāng)沒有NO通入時(shí)，紅外相機(jī)上沒有圖像產(chǎn)生；而當(dāng)有NO通入時(shí)，紅外相機(jī)上會(huì)產(chǎn)生清晰的火焰圖像；圖9(c)和圖9(d)為窄帶濾光片方式獲得的紅外圖像，當(dāng)有NO和沒有NO通入時(shí)，紅外相機(jī)上都會(huì)有圖像產(chǎn)生。對(duì)比試驗(yàn)表明，分子濾波器的梳狀透射譜型能夠提取目標(biāo)氣體的紅外圖像，同時(shí)有效抑制譜線之間的背景噪聲及雜散氣體的光譜干擾，而窄帶濾光片僅能濾除帶外的紅外輻射光譜，而對(duì)帶內(nèi)的光譜干擾沒有抑制能力，因此分子濾波器可以獲得不受H2O影響的純NO輻射圖像，而窄帶濾光片獲取的NO輻射圖像中卻含有很強(qiáng)的H2O輻射干擾。

圖9 分子Faraday濾波器及窄帶濾光片過濾后的NO圖像Fig.9 NO images filtered by MOFIF and narrow band filter

分子濾波器采用與目標(biāo)中被測氣體種類相同的氣體分子作為工作物質(zhì)，其透射譜與目標(biāo)光譜頻率嚴(yán)格匹配，它的高光譜分辨能力(GHz)、高光學(xué)穩(wěn)定性，在燃燒診斷中展現(xiàn)出極佳的微量成分識(shí)別能力，其視場角大，能夠?qū)θ紵鹧嬷械腘O氣體很好地成像，且其背景抑制能力極強(qiáng)(高達(dá)5×10-5)，可以確保NO圖像不受燃燒系統(tǒng)中氣體干擾成分(如H2O)紅外輻射的影響。

4 結(jié)論

Faraday旋光紅外濾波成像技術(shù)是一種集高時(shí)間分辨率、高光譜分辨、高空間分辨、高光學(xué)穩(wěn)定于一身的新型光譜成像方法，特別適合紅外成像遙感探測。本文針對(duì)Faraday旋光紅外濾波成像技術(shù)的工作機(jī)理進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摲治觯@得了Faraday濾波器件的理論透射譜型，利用量子級(jí)聯(lián)激光光譜技術(shù)，測得了該器件的試驗(yàn)透射譜型，理論與試驗(yàn)結(jié)果吻合性很好。通過燃燒診斷試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了Faraday旋光成像濾波器件的濾波能力及成像能力，探討了該技術(shù)在紅外成像遙感探測，尤其是燃燒系統(tǒng)微量成分探測應(yīng)用中的可行性及優(yōu)越性。如何利用該技術(shù)獲取燃燒系統(tǒng)中的溫度場及濃度場分布，將是本工作下一步重點(diǎn)開展的研究內(nèi)容。