弹光调制干涉信号范围为百赫兹到数十吉赫兹之间, 而由于探测器阵列无法对该等级频率实现有效响应, 因此, 该情况使弹光调制器在光谱成像工作中受到限制。 为了解决该问题, 发展了一种使用两块具有相近谐振频率的PEM, 并基于该频率差进行光信号调制的方法。 该方法将两个弹光调制器分别工作在数值略有差异的频率f1和f2上, 被测光通过双弹光调制器实现差频调制, 因此干涉信号中产生载有被测光的低频调制分量, 低频调制频率是以δi(σ,t)=δ0i(σ)sin(ωit)为基频的一系列倍频信号, 该低频调制信号使用普通探测器即可实现探测, 再将直流和高频信号滤波后, 仅对调制信号后的低频成分进行对应的运算即可得到被测光谱。 由于该频率差比所使用PEM的谐振频率低2至3个数量级, 因此, 该方法可使探测器获得更多的响应时间, 而且由于该方法并不需要所使用的两块PEM具有严格一致的谐振频率和相同的光程差, 降低了系统本身的设计难度。

针对目前基于弹光调制器(photoelastic modulator,PEM)的傅里叶变换光谱测量技术(PEM-FTS)的光谱分辨率低,并且PEM调制光程差有限、多次反射对入射光斑大小要求高且光能利用率低等缺点.提出一种基于微梯形八角结构弹光晶体的大光程差PEM方法.通过改进弹光晶体结构,使其为微梯形八角结构,两个通光面略微成一定夹角,该结构PEM不仅可以有效提高PEM调制的最大光程差,而且对入射光斑要求较小.理论推导分析了该PEM的最大调制光程差,并推导得出任意角、任意位置入射时PEM的最大调制光程差公式;通过多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics 4.3a对PEM的振动模态和应力分布进行分析;结合PEM的最大调制光程差和光能利用率,分析了寻找最佳入射角的方法.设计加工该PEM,其中弹光晶体选用硒化锌晶体,压电晶体选用压电石英晶体.采用波长为632.8 nm的氦氖激光进行实验分析,实验结果显示,在相同驱动电压下,该PEM的最大调制光程差是普通PEM的19.25倍,与理论仿真的相对误差为1.3%.

为了提高弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTs)中复原光谱的准确度和稳定性,有必要对弹光调制干涉图的最大光程差的稳定性和检测技术进行研究.弹光调制干涉图的最大光程差是一个不确定量,与弹光调制器的谐振状态、频率温漂特性以及驱动电压等因素有关.因此,本课题在研究弹光调制干涉仪工作机理基础上,建立弹光调制器的频率温漂模型和光程差变化关系;提出以驱动信号为基准,对激光干涉信号过零计数的方式实现干涉图的最大光差检测,且将双通道的高速比较器与FPGA相结合,实现正弦波到方波转换、快速的过零计数和误差补偿.经试验验证,采用670.8 nm的激光为参考光源,通过过零计数的方式,能实现最大光程差77.471 μm的检测,其测量误差小于0.167 nm,复原的红外黑体光谱的最大峰值波长偏差小于2 nm.

弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTS)的调制光程差是高速、 非线性变化, 每秒可产生上万张干涉图。 为了实现高速等时间采样干涉信号的快速光谱反演, 对大光程差弹光调制干涉信号的特性、 加速非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)进行研究。 加速非均匀快速傅里叶变换算法是基于卷积核函数插值的快速傅里叶变换算法, 此算法的核函数类型、 参数τ、 延伸影响因子q、 过采样率μ等参数的选择对算法准确度以及复杂度有影响。 在分析这些参数对算法影响的基础上, 在μ=2, q=10, τ=1×10－6时, 将加速的NUFFT算法应用于弹光调制傅里叶变换光谱仪中, 重建了632.8 nm的激光和氙灯光谱, 复原的632.8 nm激光光谱的频率偏差小于0.013 52, 插值时间小于0.267 s。 实验表明加速的NUFFT算法有较快的运行速度和小的频率偏差, 能快速准确地重建大光程差PEM-FTS的光谱。

弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTS)的调制光程差是高速、正弦变化的，每秒可产生10万张干涉图。为了实现等时间采样干涉信号的快速、低误差光谱反演，三次样条插值算法、带有相位补偿的离散傅里叶变换(NDFT)算法和加速非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)分别被应用到PEM-FTS的数据处理系统中。研究发现，对等时间采样弹光调制干涉数据进行光谱反演，加速NUFFT算法数据处理速度比较快，较相位补偿的NDFT算法高一个数量级，是三次样条插值后快速傅里叶变换算法的2倍，且采样点数越多此算法优点越突出；有比较高的精度，其偏差小于0.00054。该算法可以应用于弹光调制傅里叶变换光谱仪中。