CN102445326A - 基于时域的光谱探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够对串行复用的被测光学器件进行光谱探测的，基于时域的光谱探测系统中反射装置包括n个在空间上不同位置的反射单元，各反射单元反射不同波长的光脉冲，n为2以上的整数；宽带光脉冲发生装置生成的宽带光脉冲送入反射装置；反射装置将接收到宽带光脉冲经不同位置的反射单元的反射后，形成在时域上不同位置对应了不同波长的光强的光脉冲串；探测装置检测经被测光学器件反射或透射的光脉冲串中每个脉冲的光强，从而得到被测光学器件的光谱。本发明系统中宽带光脉冲经反射装置后形成时域上的离散的光脉冲串入射到被测光学器件中，从而在时域上实现对被测光学器件的光谱信息的分辨。

Description

基于时域的光谱探测系统
技术领域
本发明涉及光纤测量技术。
技术背景
光谱特性是反映光学仪器的重要参数之一，现有技术中光谱探测都是在频域实现的。现有的光谱探测系统中宽带连续光打到分光色散元件上，分光色散元件在各个波长处移动，探测器根据连续光在各个波长处的能量不同，从而分辨出光谱特征。基于频域实现的系统无法对串行复用的法-珀干涉仪等被测光学器件进行光谱探测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够对串行复用的被测光学器件进行光谱探测的，基于时域的光谱探测系统。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，基于时域的光谱探测系统，包括宽带光脉冲发生装置、反射装置、探测装置、被测光学器件；宽带光脉冲发生装置与反射装置相连，反射装置与被测光学器件相连，被测光学器件与探测装置相连；所述反射装置包括n个在空间上不同位置的反射单元，各反射单元反射不同波长的光脉冲，n为2以上的整数；
所述宽带光脉冲发生装置，用于生成的宽带光脉冲，并将宽带光脉冲送入反射装置；
所述反射装置，用于将接收到宽带光脉冲经不同位置的反射单元的反射后，形成在时域上不同位置对应了不同波长的光强的光脉冲串，并将该脉冲串送入被测光学器件；反射装置中各反射单元反射的光脉冲的波长在宽带光脉冲的波长范围中；
所述探测装置，用于检测经被测光学器件反射或透射的光脉冲串中每个脉冲的光强，从而得到被测光学器件的光谱。
本发明系统中宽带光脉冲经反射装置后形成时域上的离散的光脉冲串入射到被测光学器件中，从而在时域上实现对被测光学器件的光谱信息的分辨。由于本发明系统可以测得不同空间位置，同一谱带的光谱特征，从而能对串行复用的被测光学器件进行光谱探测。
具体的，反射装置为串行反射装置或并行反射装置。串行反射装置由各反射单元串联形成。并行反射装置由各反射单元并联形成，且各并联反射单元入射到被测光学器件的距离不同。
进一步，为了实现系统的多级扩展，系统还包括分束器，以及2组以上的反射装置、被测光学器件以及探测装置；所述分束器的输入端与宽带光脉冲发生装置相连，分束器的各输出端连接对应的反射装置。经多级扩展的系统的测量速度可大大提升，由毫秒量级提高到微秒量级。
本发明的有益效果是，提供一种新的基于时域的光谱探测系统，能够实现对串行复用的被测光学器件的光谱检测。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为被测光学器件的示意图；
图3为实施例1的示意图；
图4为实施例2的示意图；
图5为实施3的系统框图。
具体实施方式
如图1所示，基于时域的光谱探测系统包括宽带光脉冲发生装置、反射装置、探测装置、被测光学器件；宽带光脉冲发生装置与反射装置相连，反射装置与被测光学器件相连，被测光学器件与探测装置相连。
宽带光脉冲发生装置中，由普通宽带光源经过外调制，或多波长激光光源经过内调制或外调制成光脉冲后生成宽带光脉冲，并送入反射装置；反射装置是由反射波长不同的反射单元在空间上的不同位置组合而成，反射单元的组合可以是串行也可以是并行的；反射装置将接收到宽带光脉冲经不同位置的反射单元的反射后，形成在时域上不同位置对应了不同波长的光强的光脉冲串，并将该脉冲串送入被测光学器件；反射装置中各反射单元反射的光脉冲的波长在宽带光脉冲的波长范围中；经被测光学器件反射或透射的光脉冲串送入探测装置；探测装置检测经被测光学器件反射或透射的光脉冲串中每个脉冲的光强，从而得到被测光学器件的光谱。探测装置包括探测器、PC机，探测器用于被测光学器件的光谱探测，并将光谱探测得到的数据输入至PC机，PC机用于处理并显示光谱探测结果。
被测光学器件为法-珀干涉仪、迈克尔逊干涉仪、环形腔干涉仪、马赫曾德干涉仪、长周期光纤光栅(LPFG)、或布拉格光纤光栅(FBG)。法-珀干涉仪、布拉格光纤光栅、迈克尔逊干涉仪、环形腔干涉仪为反射光脉冲。如图2(a)、(b)、(c)、(d)所示，分别为串行复用的法-珀干涉仪、布拉格光纤光栅，迈克尔逊干涉仪和环形腔干涉仪；长周期光纤光栅、马赫曾德干涉仪为透射光脉冲，分别如图2(e)、(f)所示。当被测光学器件是反射光脉冲时，被测光学器件的光脉冲的输入端与输出端相同，如图1(a)所示；当被测光学器件是透射光脉冲时，被测光学器件的光脉冲的输入端与输出端分别在被测光学器件的两端，如图1(b)所示。
实施例1
如图3所示，系统包括宽带光脉冲发生装置、环形器、反射装置、被测光学器件、探测装置。本实施例的环形器为四端口环形器。
宽带光脉冲发生装置为整个探测系统提供光能输入，宽带光脉冲发生装置生成的宽带光脉冲接入环形器的1端口，环形器的2端口与反射装置相连。本实例使用高反射率的FBG作为反射单元，反射装置由n个反射单元(R1、R2、R3、…、Rn)串联而成。n的取值由实际需要的光谱检测的波长分辨率决定。n越大，波长间隔越小，所检测到的光谱特征中波长的分辨率越高，FBG只能透过某一特定波长的光波，反射单元中各FBG反射不同波长的光脉冲，从而形成一系列中心波长不同的窄带光学滤波器。被测光学器件的反射波长范围(λ1，λn)要小于宽带脉冲光源的波长范围。比如，反射装置由8个中心波长间隔4nm的FBG串联而成，被测光学器件的反射波长范围为32nm，宽带光脉冲发生装置生成的宽带光脉冲的波长范围应大于32nm。串联的各反射单元与被测光学器件的距离必然不同，仅需保证两相邻反射单元之间的距离(单位nm)大于ΔT/(10ns)即可，其中ΔT为宽带脉冲宽度。环形器1的3端口连接被测光学器件，经反射装置反射形成的在时域上不同位置对应了不同波长的光强的光脉冲串反射回2端口，并从3端口入射至被测光学器件。被测光学器件为串行复用的法-珀干涉仪，各法-珀干涉仪反射回的光脉冲先回到3端口，再从4端口入射至探测装置，探测器通过探测被测光学器件反射的光脉冲串中每个脉冲的光强，得到串行复用的法-珀干涉仪的光谱数据，再输入至PC机，从PC机显示探测到的光谱。
实施例2
如图4所示，系统包括宽带光脉冲发生装置、环形器、被测光学器件、反射装置、探测装置。
宽带光脉冲发生装置为整个探测系统提供光能输入，宽带光脉冲发生装置生成的宽带光脉冲接入环形器的1端口，环形器的2端口与反射装置相连。本实例的反射装置由波分复用器(WDM)外接n个与波分复用器距离不同的反射镜构成，波分复用器将宽带光脉冲分离为n种波长的光脉冲，再经反射镜反射回波分复用器，由波分复用器输出在时域上不同位置对应了不同波长的光强的光脉冲串。各反射镜与波分复用器距离满足：Ln＞...L3＞L2＞L1，且(Li-Li-1)＞ΔT/(10ns)，i＝2，…，n，ΔT为宽带脉冲宽度。环形器的3端口连接被测光学器件，经反射装置反射形成的在时域上不同位置对应了不同波长的光强的光脉冲串反射回2端口，并从3端口入射至被测光学器件。被测光学器件为长周期光纤光栅，经长周期光纤光栅透射的光脉冲入射至探测装置。
实施例3
如图5所示，系统包括宽带光脉冲发生装置、分束器、N组环形器、被测光学器件、反射装置以及探测装置，N为大于等于2的正整数。在实现时，可以使用四端口、甚至更多端口数的环形器、三端口环形器、或者光纤耦合器来完成宽带光脉冲发生装置、被测光学器件、反射装置以及探测装置之间的光传输。目前常用的环形器为三端口环形器，当被测光学器件为反射器件时，则需要2个三端口环形器来完成一组被测光学器件的探测。比如，在对被测光学器件1进行探测时，使用环形器1、环形器2来传输光信号。分束器的输出端与环形器1的1端口相连，环形器1的2端口与反射装置相连，环形器1的3端口与环形器2的1端口相连，环形器2的2端口与被测光学器件相连，环形器2的3端口与探测装置相连。本实施例系统能够同时对多组被测光学器件进行光谱探测。分束器的输入端与宽带光脉冲发生装置相连，分束器的各输出端通过环形器连接对应的反射装置。被测光学器件连接至环形器的与反射装置相连的下一个端口。当被测光学器件为反射器件时，探测装置连接至环形器的与被测光学器件相连的下一个端口。当被测光学器件为透射器件时，探测装置连接至被测光学器件的另一端。系统的测量速度可大大提升，由毫秒量级提高到微秒量级。

Claims (7)

1.基于时域的光谱探测系统，其特征在于，包括宽带光脉冲发生装置、反射装置、探测装置、被测光学器件；宽带光脉冲发生装置与反射装置相连，反射装置与被测光学器件相连，被测光学器件与探测装置相连；所述反射装置包括n个在空间上不同位置的反射单元，各反射单元反射不同波长的光脉冲，n为2以上的整数；
所述宽带光脉冲发生装置，用于生成宽带光脉冲，并将宽带光脉冲送入反射装置；
所述反射装置，用于将接收到的宽带光脉冲经不同位置的反射单元反射，形成在时域上不同位置对应不同波长的光强的光脉冲串，并将该脉冲串送入被测光学器件；反射装置中各反射单元反射的光脉冲的波长在宽带光脉冲的波长范围中；
所述探测装置，用于检测经被测光学器件反射或透射的光脉冲串中各脉冲的光强，从而得到被测光学器件的光谱。
2.如权利要求1所述基于时域的光谱探测系统，其特征在于，所述反射装置为串行反射装置或并行反射装置；
所述串行反射装置由各反射单元串联形成；
所述并行反射装置由各反射单元并联形成，且各并联反射单元入射到被测光学器件的距离不同。
3.如权利要求2所述基于时域的光谱探测系统，其特征在于，所述反射装置由n个的布拉格光纤光栅串连而成；两相邻布拉格光纤光栅之间的距离大于ΔT/(10ns)，其中ΔT为宽带脉冲宽度。
4.如权利要求2所述基于时域的光谱探测系统，其特征在于，所述反射装置由波分复用器外接n个与波分复用器距离不同的反射镜组成，两相邻相反射镜到波分复用器的距离大于ΔT/(10ns)，其中ΔT为宽带脉冲宽度。
5.如权利要求1所述基于时域的光谱探测系统，其特征在于，被测光学器件为反射光学器件或透射光学器件；
当被测光学器件是反射光学器件时，被测光学器件的光脉冲的输入端与输出端相同；
当被测光学器件是透射光学器件时，被测光学器件的光脉冲的输入端与输出端分别在被测光学器件的两端。
6.如权利要求5所述基于时域的光谱探测系统，其特征在于，所述反射光学器件为法-珀干涉仪、布拉格光纤光栅、迈克尔逊干涉仪、或环形腔干涉仪；
所述透射光学器件为长周期光纤光栅、马赫曾德干涉仪。
7.如权利要求1所述基于时域的光谱探测系统，其特征在于，还包括分束器，以及2组以上的反射装置、被测光学器件以及探测装置；所述分束器的输入端与宽带光脉冲发生装置相连，分束器的各输出端连接对应的反射装置。
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