CN103575394B - 一种光谱分析方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光谱分析方法和设备，方法包括：步骤A：将待侧信号光和泵浦光进行波分复用处理后，进行非线性和频作用输出可见光，所述待测信号光、所述泵浦光和所述可见光具备相位匹配关系；步骤B：将所述可见光经过滤后获得高纯度可见光；步骤C：利用单光子探测器对所述高纯度可见光进行探测，并利用计数器对所述可见光的光子数进行计数；调节所述泵浦光的波长，在所述可见光的光子数达到最大值时，依当前泵浦光的波长与所述待测信号光的波长一一对应关系，获取待测信号光波长；步骤D：根据所述待测信号光的波长与由所述可见光的光子数获得的所述待测信号光的强度得到所述待测信号光的原始光谱。实现微弱或连续待测信号光波长检测。

Description

一种光谱分析方法和设备

技术领域

本发明涉及光谱分析设备技术领域，更具体地说，涉及一种光谱分析方法和设备。

背景技术

光谱分析是根据物质的光谱来鉴别物质及确定组成及含量的方法，光谱分析方法在药学、材料学、半导体领域有着广泛的应用，随着通信技术的不断进步，光谱分析也逐步在通信领域有了应用和发展。

现有的通信波段光谱分析是获得光源、信道及周边环境信息的重要手段，进行通信波段光谱分析的设备可通过通信波段光谱分析仪实现，其中比较常见的一类就是红外光谱分析仪。红外光谱分析仪按分光系统的不同分为固定波长滤波片、光栅色散、快速傅里叶变换等类型。

现有的固定波长滤波片型红外光谱分析仪其波长覆盖范围较广，但由于滤光片数量限，只可测定离散点的几个特定波长，无法进行微弱或连续的波长检测；对于光栅色散型红外光谱分析仪中的硅检测器价格较为昂贵，而快速傅里叶变换型红外光谱分析仪中的探测器在低温度液态氮下工作，工作环境要求高且成本较高，因而亟需一种可进行微弱及连续波长检测、工作环境要求低且成本较低的光谱分析设备。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种光谱分析方法和设备，以实现微弱或连续信号检测、工作环境要求低且成本较低廉的技术效果。

一种光谱分析方法，包括：

步骤A：将待侧信号光和泵浦光进行波分复用处理后，进行非线性和频作用输出可见光，所述待测信号光、所述泵浦光和所述可见光具备相位匹配关系；

步骤B：将所述可见光经过滤后获得高纯度可见光；

步骤C：利用单光子探测器对所述高纯度可见光进行探测，并利用计数器对所述可见光的光子数进行计数；

调节所述泵浦光的波长，在所述可见光的光子数达到最大值时，根据当前泵浦光的波长与所述待测信号光的波长一一对应关系，获取待测信号光波长；

步骤D：根据所述待测信号光的波长与由所述可见光的光子数获得的所述待测信号光的强度，得到所述待测信号光的原始光谱。

为了完善上述方案，还包括：

在未输入待测信号光时，重复上述步骤A-D得到本底噪声光谱；

将所述待测信号光的原始光谱与所述本底噪声光谱相减得到待测信号光的真实光谱。

利用周期性极化铌酸锂波导进行非线性和频作用输出可见光；所述单光子探测器具体为硅雪崩二极管单光子探测器。

所述泵浦激光具体为连续可调谐长波泵浦光。

一种光谱分析设备，用于实现权利要求1-4中任一项权利要求中的光谱分析方法，至少包括：

泵浦光发生装置、待测信号光发生装置、波分复用器、非线性和频波导、单光子探测器和控制器，其中：

所述泵浦光发生装置通过依次连接的滤波器和衰减器与波分复用器的输入端连接；

所述待测信号光发生装置的输出端与所述波分复用器的输入端连接；

将待侧信号光和泵浦光进行波分复用处理后，进行非线性和频作用输出可见光，所述待测信号光、所述泵浦光和所述可见光具备相位匹配关系；

所述波分复用器与所述非线性和频波导连接后经过滤模块与单光子探测器连接，所述单光子探测器的输出端与计数器连接；

所述控制器调节所述泵浦光的波长，在所述可见光的光子数达到最大值时，根据当前泵浦光的波长与所述待测信号光的波长一一对应关系，获取待测信号光波长；根据所述待测信号光的波长与由所述可见光的光子数获得的所述待测信号光的强度，得到所述待测信号光的原始光谱。

为了完善上述方案，所述控制器还用于：非线性和频波导具体为周期性极化铌酸锂波导；

将所述待测信号光的原始光谱与所述本底噪声光谱相减得到待测信号光的真实光谱。

优选地，非线性和频波导具体为周期性极化铌酸锂波导，所述周期极化铌酸锂波导置于半导体温控器内，半导体温控器上贴附有热电偶和致冷模块；

热电偶的输出端与所述温控器的信号输入端相连，所述温控器的信号输出端与致冷模块相连。

优选地，所述单光子探测器具体为硅雪崩二极管单光子探测器，所述泵浦光发生装置具体为连续可调谐长波泵浦光发生装置。

优选地，所述过滤模块具体为：

依次连接的第一显微物镜、二向色镜、低通滤波片、高通滤波片、光阑和第二显微物镜。

优选地，所述过滤模块具体为：

依次连接的第一显微物镜、二向色镜、低通滤波片、高通滤波片、棱镜、反射镜和第二显微物镜。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例中利用对待测信号光与泵浦光进行波分复用、和频作用、过滤、探测，并利用计数器对所述可见光的光子数进行计数以及光谱分析的结果，发生和频作用产生可见光需要所述待测信号光、所述泵浦光和所述可见光具备相位匹配关系，扫描所述泵浦光波长，并根据所述计数器计数最大也就是和频作用转化为可见光效率最高时对应的泵浦光波长，得到与该泵浦光波长一一对应的待测信号光波长，所述本实施例中的光谱分析方法和设备可进行微弱或连续的待测信号光波长检测并通过简洁的设备部件，克服了现有的光谱分析方法和装置工作环境要求高且成本较高的技术缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种光谱分析方法流程图；

图2为本发明又一实施例公开的一种光谱分析方法流程图；

图3为本发明实施例公开的一种光谱分析设备的结构示意图；

图4为本发明又一实施例公开的一种光谱分析设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种光谱分析方法和设备，以实现微弱或连续信号检测、工作环境要求低且成本较低廉的技术效果。

需要指出的是，本说明书的实施例中的光谱分析方法尤其适用于通信波段光谱分析的应用场景，本说明书中实施例中的光谱分析设备可作为红外光谱仪进行待测信号光的光谱分析，但并不局限于此。

图1示出了一种光谱分析方法，包括：

步骤11：将待侧信号光和泵浦光进行波分复用处理后，进行非线性和频作用输出可见光，所述待测信号光、所述泵浦光和所述可见光具备相位匹配关系；

步骤12：将所述可见光经过滤后获得高纯度可见光；

可与光谱分析装置进行对应地进行说明：

所述待测信号光由待测信号光发生装置提供，所述泵浦光的发生装置在本实施例中优选连续可调谐长波泵浦光装置，并由控制器控制所述泵浦光的波长，所述待测信号和泵浦光可在周期性极化铌酸锂波导中进行非线性和频作用输出可见光。

进行非线性和频作用，而生成可进行探测和计数的可见光：

所述和频作用是将不同频率的两束光转换为另外一束频率的光，在此过程中，需要满足能量和动量守恒，

即：ω₁+ω₂-ω₃＝0(1)

k₁+k₂-k₃=Δk(2)

ω₁、k₁分别为待测信号光的频率和波矢、ω₂k₂分别为泵浦信号光的频率和波矢、ω₃k₃分别为和频产生的可见光的频率和波矢。

所述周期性极化铌酸锂波导通过对铌酸锂晶体周期性极化的方法，在非线性和频过程实现准相位匹配中引入额外的ΔK₄=Δk波矢，使得k₁+k₂-k₃-Δk₄＝0，从而满足了相位匹配条件，高效率地将待测信号光和泵浦信号光通过和频转为可见光。

在要求探测和计数精确度的情况下，所述可见光需经过滤后再后续处理，所述过滤装置的结构可参见图2-3的说明，此处不再细化描述。

步骤13：利用单光子探测器对所述高纯度可见光进行探测，并利用计数器对所述可见光的光子数进行计数；

步骤14：调节所述泵浦光的波长，在所述可见光的光子数达到最大值时，根据当前泵浦光的波长与所述待测信号光的波长一一对应关系，获取待测信号光波长；

步骤15：根据所述待测信号光的波长与由所述可见光的光子数获得的所述待测信号光的强度，得到所述待测信号光的原始光谱。

在本实施例中，所述单光子探测器硅雪崩二极管单光子探测器，该类型的探测器探测精度高，可有效提高光谱分析结果的精准度。

在非线性和频过程中，对于预设温度下的预设周期性极化铌酸锂，有且仅有唯一满足所述公式（1）和（2）的泵浦光与待测的信号光能达到最高转换效率，即探测到的光子数目最多时，待测信号光和泵浦光实现波长的一一对应；从而对于任何一个待测信号光，有且只有唯一的泵浦光与其对应以获得最大转换效率时，对该泵浦光波长的分析，来确定与此泵浦光一一对应的待测信号光的波长，再根据所述最大转换效率获得信号光的光子计数（所述光子数根据可见光的光子数与所述最大转换效率相除得到）得到了信号光的光强，根据待测信号光的波长与光强获知所述待测信号光的光谱。

图2示出了又一种光谱分析方法，包括：

步骤21：将待侧信号光和泵浦光进行波分复用处理后，进行非线性和频作用输出可见光，所述待测信号光、所述泵浦光和所述可见光具备相位匹配关系；

步骤22：将所述可见光经过滤后获得高纯度可见光；

步骤23：利用单光子探测器对所述高纯度可见光进行探测，并利用计数器对所述可见光的光子数进行计数；

步骤24：调节所述泵浦光的波长，在所述可见光的光子数达到最大值时，根据当前泵浦光的波长与所述待测信号光的波长一一对应关系，获取待测信号光波长；

步骤25：根据所述待测信号光的波长与由所述可见光的光子数获得的所述待测信号光的强度，得到所述待测信号光的原始光谱。

步骤26：在未输入待测信号光时，重复上述步骤21-步骤25得到本底噪声光谱；

步骤27：将所述待测信号光的原始光谱与所述本底噪声光谱相减得到待测信号光的真实光谱。

上述实施例中由于利用和频作用中的所述待测信号光、所述泵浦光和所述可见光相位匹配产生和频作用，以及根据和频作用转化为可见光效率最高时的泵浦光的波长，在进行了波分复用、和频、过滤、探测和计数得出具备连续性待测信号光的光谱，从而实现了对连续待测信号光的光谱分析，所述方法对应的设备相对于现有的光谱分析仪器，具有工作环境要求低结构简洁及成本低的优点。

图3示出了一种光谱分析设备，包括：

泵浦光发生装置31、待测信号光发生装置32、波分复用器33、非线性和频波导34、单光子探测器35和控制器36，其中：

所述泵浦光发生装置31通过依次连接的滤波器37和衰减器38与波分复用器33的输入端连接；

将待侧信号光和泵浦光进行波分复用处理后，进行非线性和频作用输出可见光，所述待测信号光、所述泵浦光和所述可见光具备相位匹配关系；

所述滤波器37去除泵浦光的噪声；

去除噪声的泵浦光输出至可调节衰减器38，用于调节泵浦光功率大小，从而可以调节非线性和频作用的转换效率。

所述待测信号光发生装置32的输出端与所述波分复用器33的输入端连接；

所述波分复用器33与所述非线性和频波导34连接后经过滤模块与单光子探测器35连接，所述单光子探测器35的输出端与计数器39连接；

所述控制器调节所述泵浦光的波长，在所述可见光的光子数达到最大值时，根据当前泵浦光的波长与所述待测信号光的波长一一对应关系，获取待测信号光波长；根据所述待测信号光的波长与由所述可见光的光子数获得的所述待测信号光的强度，得到所述待测信号光的原始光谱。

以及，将所述待测信号光的原始光谱与所述本底噪声光谱相减得到待测信号光的真实光谱。

所述泵浦光发生装置具体为连续可调谐长波泵浦光发生装置，所述单光子探测器具体为硅雪崩二极管单光子探测器。

在本实施例中，所述非线性和频波导具体为周期性极化铌酸锂波导：

作为优选，所述周期极化铌酸锂波导的结构可选用：

该波导置于半导体温控器内，半导体温控器上贴附有热电偶和致冷模块；

热电偶的输出端与所述温控器的信号输入端相连，所述温控器的信号输出端与致冷模块相连。

如图所示，该实施例中的过滤模块具体实现为：依次连接的第一显微物镜1、二向色镜2、低通滤波片3、高通滤波片4、光阑5和第二显微物镜6。

由于泵浦光本身的二阶效应和拉曼散射，经过周期性极化铌酸锂波导后出来的可见光中混杂着泵浦光和待测信号光以及其他非线性杂散光，需要经过过滤模块37将这些杂散光除去，即周期性极化铌酸锂波导的输出空间耦合到所述第一显微物镜1，进行准直；随后空间耦合到二向色镜2，将产生的短波可见光反射，剩余的泵浦光和信号光等长波透射滤去，反射的短波耦合至低通滤波片3以消除残余的长波杂散光，过高通滤波片4以消除泵浦光二阶谐波带来的噪声。

图4示出了又一种光谱分析设备，相同之处不再重复赘述，现仅就不同之处进行说明，如图所示，该实施例中的过滤模块具体实现为：依次连接的依次连接的第一显微物镜7、二向色镜8、低通滤波片9、高通滤波片10、棱镜110、反射镜111和第二显微物镜112。

为了提高光谱分析设备的分辨率和灵敏度，可以使用棱镜110，光栅或者Fabry-Perot腔滤波等，在本实施例中优选棱镜110。经过第一显微物镜7、二向色镜8、低通滤波片9、高通滤波片10、棱镜110、反射镜111滤波过后的可见光耦合进第二显微物镜112进行准直，聚焦至硅雪崩二极管单光子探测器35进行探测。

另外，需要说明的是：

本实施例中的周期性极化铌酸锂波导后可参照以下制作过程形成，但并不局限于该种制作过程：

首先，在铌酸锂样品上用光刻蚀定义周期序列，然后通过高电压形成周期极化；

用光刻蚀的方法定义波导模型，然后将其浸入铌酸，波导中的锂离子跟铌酸中的质子进行了置换，置换过的样品折射率高于没有置换的样品，形成周期极化铌酸锂波导。

需要说明的是：所述周期极化铌酸锂波导只能传播TM模式光波，需要外加偏振控制器来调整偏振。

综上所述：

本发明实施例中利用对待测信号光与泵浦光进行波分复用、和频作用、过滤、探测，并利用计数器对所述可见光的光子数进行计数以及光谱分析的结果，发生和频作用产生可见光需要所述待测信号光、所述泵浦光和所述可见光具备相位匹配关系，扫描所述泵浦光波长，并根据所述计数器计数最大也就是和频作用转化为可见光效率最高时对应的泵浦光波长，得到与该泵浦光波长一一对应的待测信号光波长，所述本实施例中的光谱分析方法和设备可进行微弱或连续的待测信号光波长检测并通过简洁的设备部件，克服了现有的光谱分析方法和装置工作环境要求高且成本较高的技术缺陷。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种光谱分析方法，其特征在于，包括：

步骤A：将待侧信号光和泵浦光进行波分复用处理后，进行非线性和频作用输出可见光，所述待测信号光、所述泵浦光和所述可见光具备相位匹配关系；

步骤B：将所述可见光经过滤后获得高纯度可见光；

步骤C：利用单光子探测器对所述高纯度可见光进行探测，并利用计数器对所述可见光的光子数进行计数；

调节所述泵浦光的波长，在所述可见光的光子数达到最大值时，根据当前泵浦光的波长与所述待测信号光的波长一一对应关系，获取待测信号光波长；

步骤D：根据所述待测信号光的波长与由所述可见光的光子数获得的所述待测信号光的强度，得到所述待测信号光的原始光谱；

所述泵浦光具体为连续可调谐长波泵浦光。

2.如权利要求1所述的光谱分析方法，其特征在于，还包括：

在未输入待测信号光时，重复上述步骤A-D得到本底噪声光谱；

将所述待测信号光的原始光谱与所述本底噪声光谱相减得到待测信号光的真实光谱。

3.如权利要求1所述的光谱分析方法，其特征在于，利用周期性极化铌酸锂波导进行非线性和频作用输出可见光；所述单光子探测器具体为硅雪崩二极管单光子探测器。

4.一种光谱分析设备，其特征在于，用于实现权利要求2中的光谱分析方法，至少包括：

泵浦光发生装置、待测信号光发生装置、波分复用器、非线性和频波导、单光子探测器和控制器，其中：

所述泵浦光发生装置通过依次连接的滤波器和衰减器与波分复用器的输入端连接；

所述待测信号光发生装置的输出端与所述波分复用器的输入端连接；

将待侧信号光和泵浦光进行波分复用处理后，进行非线性和频作用输出可见光，所述待测信号光、所述泵浦光和所述可见光具备相位匹配关系；

所述波分复用器与所述非线性和频波导连接后经过滤模块与单光子探测器连接，所述单光子探测器的输出端与计数器连接；

所述控制器调节所述泵浦光的波长，在所述可见光的光子数达到最大值时，根据当前泵浦光的波长与所述待测信号光的波长一一对应关系，获取待测信号光波长；

根据所述待测信号光的波长与由所述可见光的光子数获得的所述待测信号光的强度，得到所述待测信号光的原始光谱；

所述单光子探测器具体为硅雪崩二极管单光子探测器，所述泵浦光发生装置具体为连续可调谐长波泵浦光发生装置。

5.如权利要求4所述的光谱分析设备，其特征在于，所述控制器还用于：将所述待测信号光的原始光谱与所述本底噪声光谱相减得到待测信号光的真实光谱；

所述非线性和频波导具体为周期性极化铌酸锂波导。

6.如权利要求4所述的光谱分析设备，其特征在于，非线性和频波导具体为周期性极化铌酸锂波导，所述周期极化铌酸锂波导置于半导体温控器内，半导体温控器上贴附有热电偶和致冷模块；

热电偶的输出端与所述温控器的信号输入端相连，所述温控器的信号输出端与致冷模块相连。

7.如权利要求4所述的光谱分析设备，其特征在于，所述过滤模块具体为：

依次连接的第一显微物镜、二向色镜、低通滤波片、高通滤波片、光阑和第二显微物镜。

8.如权利要求4所述的光谱分析设备，其特征在于，所述过滤模块具体为：

依次连接的第一显微物镜、二向色镜、低通滤波片、高通滤波片、棱镜、反射镜和第二显微物镜。