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[3]。為了充分利用這種天然優(yōu)勢，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)的重要實現(xiàn)途徑，由于其工作光譜范圍寬、可同時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，依靠分子能級躍遷對光波長的分辨能力實現(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。分子濾波器同時具備高光譜分辨能力(GHz)和高穩(wěn)定性(受振動、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)的工作壓強或分子氣室長度，控制分子氣體對信號光和背景光的吸收，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)開展了氣體泄漏實時成像監(jiān)測方面的研究。美國能源部Sandia國家實驗室正在發(fā)展機(jī)載分子濾波技術(shù)應(yīng)用于對流層微量氣體遙感。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)的燃燒診斷試驗研究，并對試驗結(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置于軸向磁場中的分子泡和兩個正交的偏振器組成，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，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，隨著磁場強度的增強，整體透過率越高，且譜線帶寬也會由于塞曼效應(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)無跳模的量子級聯(lián)激光器(美國Daylight公司生產(chǎn)，型號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BSW520)分為2路信號，分束鏡的透射信號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)生旋光的信號被紅外探測器(波蘭Vigo公司生產(chǎn)，型號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ND-IR-OD)的反射信號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DPO 2014)采集。

圖5 磁致旋光型分子濾波器的試驗裝置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通道的光譜信號用藍(lán)線表示，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具通道的光譜信號用紅線表示。其中FP標(biāo)準(zhǔn)具光譜信號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旋光濾波器的試驗測試透射譜型，以及相同試驗條件下仿真計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方面：1)分子數(shù)據(jù)庫本身存在一定不確定度；2)計算NO分子的塞曼效應(yīng)時引起的誤差。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)計算引起的誤差可以通過精確計算2階量以及準(zhǔn)確評估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

由上述理論分析及試驗測試可知，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、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)射的紅外輻射信號通過分子濾波器進(jìn)行濾除背景氣體輻射信號；NO氣體的輻射信號通過光學(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，NO分子由于高溫作用會在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燃燒會產(chǎn)生大量的CO2和H2O，H2O分子在高溫情況下也會在5.2 μm波段會發(fā)出很強的紅外輻射，NO和H2O輻射產(chǎn)生的紅外信號會透過紅外濾波片在紅外相機(jī)的焦平面上同時成像。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，紅外相機(jī)上沒有圖像產(chǎn)生；而當(dāng)有NO通入時，紅外相機(jī)上會產(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，紅外相機(jī)上都會有圖像產(chǎn)生。對比試驗表明，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(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?，獲得了Faraday濾波器件的理論透射譜型，利用量子級聯(lián)激光光譜技術(shù)，測得了該器件的試驗透射譜型，理論與試驗結(jié)果吻合性很好。通過燃燒診斷試驗研究，驗證了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開展的研究內(nèi)容。