分子Faraday旋光红外滤波成像技术研究

熊远辉， 罗中杰， 于光保， 刘林美， 李发泉， 武魁军

(1.中国地质大学 数学与物理学院， 湖北 武汉 430074; 2.中国科学院 武汉物理与数学研究所， 湖北 武汉 430071)

0 引言

近年来，红外成像探测系统在大气遥感、环境污染监测、森林防火、天文观测、目标识别等领域应用愈加广泛[1-2]。由于分子振转态的跃迁能级主要集中在红外波段，使得红外成像探测系统具有紫外或可见光探测系统无法比拟的天然优势[3]。为了充分利用这种天然优势，红外成像探测系统正朝着超光谱分辨的方向发展。

红外成像光谱仪可以同时获取目标的一维光谱信息及二维的空间信息，是红外滤波成像技术的重要实现途径，由于其工作光谱范围宽、可同时获取光谱特性及空间数据，而受到广泛关注[4]。高分辨探测红外光谱信号的成像光谱仪主要有法布里- 珀罗干涉仪、傅里叶变换成像光谱仪、空间外差成像光谱仪和多普勒外差成像干涉仪。但是由于成像光谱仪采用光栅或棱镜分光，或者利用迈克尔逊干涉仪进行步进调制获取光谱信息，因而需要光学扫描获取图像信息，时间分辨率低；此外还存在探测灵敏度与光学性能不可兼得，光谱分辨率与光学稳定性相互制约等问题[5-6]。研发高时间分辨率、高光谱分辨、高空间分辨、高光学稳定的新型光谱成像方法，是红外成像探测系统实现跨越式发展的关键途径之一。

分子滤波器件是一种具有梳状离散透射谱型的滤波器件，依靠分子能级跃迁对光波长的分辨能力实现选择性透射。分子滤波器的效果虽然是“光学”的，但其工作机理却是“量子”的。分子滤波器同时具备高光谱分辨能力(GHz)和高稳定性(受振动、温度等环境因素影响小)，而且视场角大(>10°)，是一种极稳定的高光谱分辨滤波成像器件。分子滤波器采用与目标中被测气体种类相同的气体分子作为工作物质，透射谱与目标光谱频率严格匹配，且透射频率稳定，可以准确地提取滤波片透过带内的所有信号光谱，并抑制吸收线之间以及之外的背景噪声。根据工作方式的不同，可以将分子红外滤波器分为差量吸收型分子滤波器[7]和磁致旋光型(Faraday旋光)分子滤波器[8]两种。

差量吸收分子滤波器是通过改变分子泡内的工作压强或分子气室长度，控制分子气体对信号光和背景光的吸收，从而滤除背景噪声的方法。加拿大航天局与Toronto大学研发的对流层污染仪(MOPITT)采用长度调制型和压力调制型差量吸收型分子滤波器，获取了大气中CO含量垂直廓线[9]。瑞典的Lund技术研究所Sandsten等[10-13]利用分子滤波技术开展了气体泄漏实时成像监测方面的研究。美国能源部Sandia国家实验室正在发展机载分子滤波技术应用于对流层微量气体遥感。美国航空航天局Goddard太空飞行中心正在研制星载分子滤波技术，监测大气污染气体含量。由此可见，利用分子滤波技术代替传统的激光光谱、色散光谱、干涉光谱手段，实现微量气体遥感，已经成为新型光学探测方法的发展趋势之一。2018年，中国科学院武汉物理与数学研究所开展了基于差量吸收分子滤波成像技术的汽车尾气遥感监测研究[7]。

磁致旋光分子滤波器是利用分子Faraday旋光效应工作，因而具有更为优异的背景抑制能力。中国科学院武汉物理与数学研究所Wu等[8,14]在国际上率先开展分子Faraday旋光红外滤波成像技术研究，并取得突破性进展。本文从Faraday旋光红外滤波成像技术的工作机理及工程实现着手，探讨该技术在红外成像探测系统中的应用，开展基于Faraday旋光红外滤波成像技术的燃烧诊断试验研究，并对试验结果展开分析，论证Faraday旋光红外滤波成像技术在红外成像探测系统应用中的可行性与优越性。

1 滤波机理

1.1 分子Faraday旋光效应

分子Faraday旋光滤波成像技术的工作原理是分子能级跃迁的Faraday旋光效应[15]。在外界磁场的作用下，顺磁分子发生塞曼效应并产生能级分裂，在其中传播的线偏振光分解为左旋圆偏振光及右旋圆偏振光，由于塞曼能级分裂效应导致两类圆偏振光的衰减及相移有所差异。

(1)

(2)

(3)

(4)

图1 转动谱线R(4.5)左、右旋圆偏振光的衰减及其衰减之差Fig.1 Attenuations of the left and right circularly polarized lights of the rotating line R(4.5) and the difference in their attenuations

而二者相移的差异体现在折射率的不同，从而形成圆双折射效应。左旋、右旋圆偏振光在折射率上的差异可以用圆双折射系数ρ表示为

(5)

图2 转动谱线R(4.5)左、右旋圆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)

利用顺磁性分子发生塞曼效应所引起的圆双折射效应及圆双色性吸收效应，可以实现超窄带、高背景抑制的红外滤波。

分子Faraday旋光红外滤波成像器件由一个置于轴向磁场中的分子泡和两个正交的偏振器组成，其结构示意及滤波原理如图3所示。光束通过起偏器后成为线偏振光，线偏振光在处于轴向磁场的顺磁分子气体中传输时，分解为初始相位角相同、能量相同的左旋圆偏振光及右旋圆偏振光，若入射光的波长在顺磁分子的共振吸收线附近，则左旋圆偏振光及右旋圆偏振光的相位角会发生变化，出现相位差。透过分子泡后，左旋圆偏振光及右旋圆偏振光重新叠加为线偏振光，其偏振方向相对于入射的线偏振光的偏振方向产生旋转。通过设定合适的工作参数(如泡体长度、磁场强度、分子浓度等)，可使得线偏振光的偏振面正好旋过π/2的角度，从而最大效率地通过检偏器，被探测器接收；而其他波长的入射光因未与顺磁分子发生共振，不会发生偏振面旋转，无法透过检偏器，从而起到滤波的效果。

图3 Faraday旋光滤波器原理图Fig.3 Schematic diagram of MFOF

1.2 透射谱型计算

旋转角度φ与分子泡内目标气体的浓度N、分子泡长度L、轴向磁场强度B及入射光的波长等因素有关。旋转角度φ可表示为

(6)

式中：ρ为圆双折射系数。

考虑顺磁分子对入射光的双色性吸收作用，通过检偏片后，线偏振光的透过率T[8]表示为

(7)

图4为Faraday旋光滤波器在不同磁场和频率下的透过率。由图4可知：当入射光频率越靠近顺磁分子的吸收线(Δν≈0)，其透射效率越高；同时，随着磁场强度的增强，整体透过率越高，且谱线带宽也会由于塞曼效应逐渐增宽。

图4 Faraday旋光滤波器在不同磁场和频率下的透过率Fig.4 Transmittances of MFOF in different magnetic fields and frequencies

2 透射谱型测试

谱型测试是标定分子滤波器件性能参数的重要环节，可以定量地给出滤波器的透过率、谱线带宽及背景抑制能力。Faraday旋光滤波器的透射谱型测试试验装置如图5所示，包括可调谐激光单元、磁致旋光分子滤波器单元、光谱采集单元。其中可调谐激光单元是由分布反馈式、连续可调谐、100 cm-1波数内无跳模的量子级联激光器(美国Daylight公司生产，型号41052-MHF-012-KD0357)组成，扫描范围为1 825.0～1 950.0 cm-1，波长扫描范围覆盖了NO分子基频跃迁带中的R、Q、P支。激光束经CaF2楔形分束镜(美国Thorlabs公司生产，型号BSW520)分为2路信号，分束镜的透射信号通过磁致旋光分子滤波器单元的起偏器(美国Moxtek公司生产，型号ProFlux-MWIR)和磁场中的分子泡后，到达检偏器，发生旋光的信号被红外探测器(波兰Vigo公司生产，型号VIGO PVI-3-TE-6，响应范围为2～12 μm)接收； 分束镜(瑞典Spectrogon公司生产，型号ND-IR-OD)的反射信号被镀金反射镜反射后，通过101.6 mm长的固体锗标准具(美国Thorlabs公司生产，型号PF10-03-M03)，被红外探测器接收进行吸收光谱的波长标定。所得两路信号最终被1 GSA/s采样率、100 MHz带宽的数字示波器(美国Tektronix公司生产，型号DPO 2014)采集。

图5 磁致旋光型分子滤波器的试验装置Fig.5 Experimental device for MFOF

图6所示为Faraday旋光滤波器的透射谱型测试结果，Faraday通道的光谱信号用蓝线表示，FP标准具通道的光谱信号用红线表示。其中FP标准具光谱信号的凹坑是由空气中的水汽分子吸收引起的，可以用来标定FP标准具的绝对波长信息。

图6 Faraday旋光滤波器测试结果Fig.6 Test results of MFOF

分束镜的透射通道，即Faraday通道用于获取Faraday旋光滤波器的透射光谱；而分束镜的反射通道，即标准具通道所接收到的光谱信号可以标定滤波器的谱线带宽，并修正其透射谱型。图7为标准具通道修正后的Faraday旋光滤波器的试验测试透射谱型，以及相同试验条件下仿真计算得到的理论模拟透射谱型。由图7可知，分子滤波器的测试谱型与相应条件下的理论模拟谱型基本吻合，因而可以证明分子Faraday旋光滤波器的理论模型是正确的。理论与试验结果在旋光透射的波长附近有少许残差存在(约2%)，主要原因来自于两个方面：1)分子数据库本身存在一定不确定度；2)计算NO分子的塞曼效应时引起的误差。其中，数据库参数本身的不确定度可以通过查询Hitran数据库获得[16]，而塞曼效应计算引起的误差可以通过精确计算2阶量以及准确评估NO分子的电子态耦合方式进一步减小[15]。此外，由图7中的局部图可以看出，Faraday旋光滤波器的带间抑制比为5×10-5，单谱线带宽为1.2 GHz，这些指标是传统的光学滤波器(如FP干涉仪)难以比拟的。图7中虚线标出的P1/2(5.5)为NO谱线中的P支谱线。

图7 Faraday旋光滤波器透射谱型修正结果及理论仿真结果Fig.7 Corrected and simulated results of transmission spectrum of MFOF

3 成像滤波试验

由上述理论分析及试验测试可知，Faraday旋光滤波器的效果是“光学”的，而工作机理却是“量子”的，因而具备高光谱分辨能力(GHz)、高光学稳定性(受振动、温度等环境因素影响小)、而且视场角大(>10°)，是一种极稳定的高光谱分辨滤波成像器件，且背景抑制能力高达5×10-5，因而有望应用于燃烧诊断领域。

为了验证Faraday旋光滤波器的成像能力、滤波能力，及其在燃烧诊断领域应用的可行性，设计分子Faraday旋光红外滤波成像装置如图8所示，包括燃烧装置、分子滤波器、红外成像系统。该燃烧装置由直径6.13 cm、可自由调节高度、预混燃气的麦克纳平焰炉，水冷系统，CH4(99.99%)和NO(99%)组成。红外成像系统是制冷型红外热像仪(中国电子科技集团有限公司第11研究所生产，型号MIR-320)，可产生320像素×256像素，14位数字化的帧速为50帧/s. CH4和NO预混合流过麦克纳平焰炉，火焰发射的红外辐射信号通过分子滤波器进行滤除背景气体辐射信号；NO气体的辐射信号通过光学镜头和红外窄带滤波片(瑞典Spectrogon公司生产, 型号BP-5290-300 nm)被红外热像仪采集。

图8 分子Faraday 旋光红外滤波成像装置图Fig.8 Experimental device of MOFIF

NO的基频跃迁在5.2 μm波段，当燃烧系统充入NO气体时，NO分子由于高温作用会在5.2 μm处产生红外辐射。但是由于燃烧系统的燃料是CH4，而CH4燃烧会产生大量的CO2和H2O，H2O分子在高温情况下也会在5.2 μm波段会发出很强的红外辐射，NO和H2O辐射产生的红外信号会透过红外滤波片在红外相机的焦平面上同时成像。因此，单纯利用窄带滤波技术，无法避开H2O的影响获得纯的NO图像。

Faraday旋光成像滤波器采用与目标中被测气体种类相同的气体分子(即NO)作为工作物质，透射谱与目标光谱频率严格匹配，且透射频率稳定，可以准确地提取滤波器透过带内的所有信号光谱，并抑制吸收线之间以及之外的背景噪声，因而可以获得纯的NO图像，且不受H2O的红外辐射影响。分子Faraday红外成像滤波器和滤光片方式过滤后NO图像如图9所示，其中图9(a)和图9(b)为分子滤波器方式获得的红外图像，当没有NO通入时，红外相机上没有图像产生；而当有NO通入时，红外相机上会产生清晰的火焰图像；图9(c)和图9(d)为窄带滤光片方式获得的红外图像，当有NO和没有NO通入时，红外相机上都会有图像产生。对比试验表明，分子滤波器的梳状透射谱型能够提取目标气体的红外图像，同时有效抑制谱线之间的背景噪声及杂散气体的光谱干扰，而窄带滤光片仅能滤除带外的红外辐射光谱，而对带内的光谱干扰没有抑制能力，因此分子滤波器可以获得不受H2O影响的纯NO辐射图像，而窄带滤光片获取的NO辐射图像中却含有很强的H2O辐射干扰。

图9 分子Faraday滤波器及窄带滤光片过滤后的NO图像Fig.9 NO images filtered by MOFIF and narrow band filter

分子滤波器采用与目标中被测气体种类相同的气体分子作为工作物质，其透射谱与目标光谱频率严格匹配，它的高光谱分辨能力(GHz)、高光学稳定性，在燃烧诊断中展现出极佳的微量成分识别能力，其视场角大，能够对燃烧火焰中的NO气体很好地成像，且其背景抑制能力极强(高达5×10-5)，可以确保NO图像不受燃烧系统中气体干扰成分(如H2O)红外辐射的影响。

4 结论

Faraday旋光红外滤波成像技术是一种集高时间分辨率、高光谱分辨、高空间分辨、高光学稳定于一身的新型光谱成像方法，特别适合红外成像遥感探测。本文针对Faraday旋光红外滤波成像技术的工作机理进行了严谨的理论分析，获得了Faraday滤波器件的理论透射谱型，利用量子级联激光光谱技术，测得了该器件的试验透射谱型，理论与试验结果吻合性很好。通过燃烧诊断试验研究，验证了Faraday旋光成像滤波器件的滤波能力及成像能力，探讨了该技术在红外成像遥感探测，尤其是燃烧系统微量成分探测应用中的可行性及优越性。如何利用该技术获取燃烧系统中的温度场及浓度场分布，将是本工作下一步重点开展的研究内容。