CN100427905C - 全光纤光谱测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种干涉式全光纤光谱测量方法。采用了一种与传统迈克尔逊干涉仪不同的干涉光路，通过光在相同传输光路中的顺时针、反时针传输，形成干涉。振动系统产生干涉光路的光程差，形成干涉信号的调制相位差，通过不同光波长在相同光程差条件下形成的不同干涉相位，通过对不同光谱分量的干涉信号叠加，形成最终的干涉信号。系统中全光纤干涉装置由三只2×2光纤耦合器组成，激光经过耦合器分光、差频干涉后，产生稳定的干涉条纹，经探测器光电转换后，分析干涉曲线，反演出光源光谱。与透镜等分离光学器件构造干涉光路测量光谱的方法不同，本发明的干涉光路免调，系统结构简单。本发明的全光纤光谱测量方法，数据处理方便，测量精度高。

Description

全光纤光谱测量方法

技术领域

本发明是一种干涉式全光纤光谱测量方法。

背景技术

传统的光谱分析系统采用透镜等光学分离器件构造干涉光路，测试方法采用迈克耳逊干涉系统的干涉原理进行，系统造价昂贵，数据处理分析复杂，测量操作不方便。

发明内容

本发明的目的是研究一种结构简单、测量光谱方便、精度高的干涉式全光纤光谱测量方法。

本发明的光谱测量装置主要由激光器、全光纤干涉装置、振动源、数据处理几部分组成。由稳定光源发出的激光经过干涉系统传输至振动器前的反射镜，携带有振动器振动信息的光再次进入干涉系统，使相同的光程差对不同的波长形成不同的干涉相位，最后的干涉信号被光电探测器接收，最后由数据处理系统反演出被测光源光谱特性。具体方法是：

设光谱λ_i对应的振幅为A_i(λ_i)，光谱分布以中心波长λ₀对称分布，λ_i与λ₀的差值Δλ_i为Δλ_i＝λ_i-λ₀，根据对称分布特性，A(λ₀+Δλ)＝A(λ₀-Δλ)。如果干涉系统形成的光程差为ΔL，对应于λ₀的光谱形成的相位弧度为

该等式非常重要，因为在以后的讨论中可以看出，不同波长光谱形成的干涉相位差与

密切相干。为了全面获取光谱信息，希望不同光谱产生的相位差能够准确反映在干涉信号中。与中心波长相差Δλ的光谱对应的相位弧度差

为

设δ＝w₀/N(N为整数)，Δλ_i＝iδ(i＝0，±1，±2.........±N........)

在本发明所利用的全光纤干涉系统中，干涉信号的相位表现为余弦函数，即干涉信号I_i(t)可表现为：

考虑整个光谱范围内的合成干涉信号I(t)，有下式成立：

$I\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{I}_i\left(t\right)---\left(3\right)$

利用光谱关于中心波长的对称性，

考虑到(2)和(4)式，(3)式中i的取值范围可由原来的负整数转变为从0开始的整数取值，即有

上式中，M为i的最大正值， ${\mathrm{\η}}_i=\left\{\begin{array}{cc}1/2& i=0\\ 1& i\≠0\end{array}\right..$

由

式可以看出，

与中心波长对应的相位和偏离中心波长的级数i密切相关。当

取较小值时，偏离中心波长的光谱分量产生的干涉条纹仅依赖于光谱的固有频谱幅度分布A_j；当

取较大值时，干涉信号产生的初始相位差

造成条纹强度减弱的影响表现为三角函数的变化关系

所以，在宽光谱光源作用下的干涉系统，在条纹数增加的情况下，信号将出现衰变现象。衰变现象体现了光谱分布特性，利用该特点，可实现光谱特性分析。在前面关于δ的等式中，N值的选取决定了系统的测量精度。

在(5)式中，如果频谱分布特性A(λ)为已知，通过拟合干涉曲线和理论推导公式(5)，可求出级数的最大值M，同时，也可求出光谱幅度下降为A₀/10时级数A_i的项数。

上式中，t∈[-2500，2500]。

假设光谱分量的振幅分布满足以下关系式

$A\left({\mathrm{\λ}}_i\right)=\exp [-{\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_i}{B}\right)}^2]---\left(7\right)$

上式中，Δλ_i＝λ_i-λ₀，其中λ₀对应光谱的中心波长。

将(6)(7)式带入(5)式，并取光谱宽度为B＝20nm，Δλ_max＝40nm，可以得到干涉曲线随时间的变化曲线，结果如图3所示。本发明利用光纤耦合器、单模光纤、光纤准直器等光纤无源器件，以及稳定光源和光电探测器等有源器件，制成光纤干涉装置。该装置结构如下：激光器发出的稳定经过光纤耦合器I分光后由耦合器1端进入光纤耦合器II，再经过耦合器III，待测光纤置于耦合器II、III之间；经过耦合器III的光经光纤准直器后被振动器上的反射镜反射后，重新返回耦合器III，被其分光后，在3和4端注入耦合器II，从而在1、2端形成稳定的干涉条纹，被探测器I、II所检测。

本发明所用的激光器可以是待测光谱的光源，光源工作波长是任意光纤可传输的波长。激光器类型可以是半导体激光二极管(LD)，或半导体发光二极管(LED)，或者是超辐射发光管(SLD)。

本发明的振动装置由振动器或喇叭及其前粘贴的反射镜构成。

本发明所采用的光纤耦合器为两端输入、两端输出的2×2型光纤耦合器。

附图说明

图1是本发明测试系统的结构框图。

图2是本发明全光纤干涉装置图。其中1-4分别是光纤耦合器II的输入、输出端口，5、6是光纤耦合器III的输入端口，7是反射镜，8是激光器，9是耦合器I，10是耦合器II，11是待测光纤，12是耦合器III，13是光纤准直器，14是振动器(喇叭)，15是光电探测器I，16是光电探测器II，17是数据处理。

图3是模拟计算理论曲线图。

图4是实际测量结果曲线图。

具体实施方式

实施例

在本实施例中，所用的激光器为武汉邮电研究院生产的SOF131-B LD型稳定光源(8)，用跳线(FC/PC)连接进入光纤武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器(9)。光纤耦合器(9)与(10)之间、(10)与(12)之间也采用跳线连接。单模光纤延迟线(11)为美国生产的“康宁”G652型单模光纤光纤。准直器(13)为武汉邮电研究院生产的型号为FCO-155-A-C-09/FC/APC光纤准直器，与耦合器(12)之间的连接也为跳线连接。光电探测器为电子部44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。探测器(15)(16)与光纤耦合器(9)(10)采用跳线连接。喇叭为功率32瓦的低频“笛声”喇叭。反射镜为厚度为1毫米的镜面。

利用上面所列的器件，构造了图1所示的光谱分析装置。通过计算机拟合，改变不同的光谱宽度，在特定的测试精度要求下，得到与测试曲线4吻合很好的计算曲线3，从而得到激光器的谱分布特性。

Claims (3)

1、全光纤光谱测量方法，主要由被测光源的激光器、全光纤干涉装置、振动源和数据处理几部分组成，全光纤干涉装置为激光器发出的稳定光经过光纤耦合器I分光后由耦合器1端进入光纤耦合器II，再经过耦合器III，待测光纤置于耦合器II、III之间；经过耦合器III的光经光纤准直器(13)后被振动器(14)上的反射镜(7)反射后，重新返回耦合器III，被其分光后，在耦合器II的第三端口(3)和第四端口(4)注入耦合器II，从而在耦合器II的第1端口(1)和第2端口(2)形成稳定的干涉条纹，被探测器I、II所检测，其特征是稳定的激光器光源发出的激光经过干涉系统传输至振动器(14)前的反射镜(7)，携有振动信息的光再次进入干涉系统，相同光程差对不同波长形成不同的干涉相位，干涉信号被光电探测器I、II接收，经数据处理反演出被测光源的光谱特性，光纤耦合器均为2×2耦合器，具体方法是：

设光谱λ_i对应的振幅为A_i(λ_i)，光谱分布以中心波长λ₀对称分布，λ_i与λ₀的差值Δλ_i为Δλ_i＝λ_i-λ₀，根据对称分布特性，A(λ₀+Δλ)＝A(λ₀-Δλ)，如果干涉系统形成的光程差为ΔL，对应于λ₀的光谱形成的相位弧度为

设被测激光器的谱宽为w₀，设δ＝w₀/N，N为整数，Δλ_i＝iδ，i＝0，±1，±2.........±N........，

与中心波长相差Δλ的光谱对应的相位弧度差

为：

波长为λ₀+Δλ_i的光谱对应的干涉信号I_i(t)可表现为：

考虑整个光谱范围内的合成干涉信号I(t)，有下式成立：

$I\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{I}_i\left(t\right)---\left(3\right)$

利用光谱关于中心波长的对称性，

考虑到(2)和(4)式，(3)式中i的取值范围可由原来的负整数转变为从0开始的整数取值，即有：

上式中，M为i的最大正值， ${\mathrm{\η}}_i=\left\{\begin{array}{cc}1/2& i=0\\ 1& i\≠0\end{array}\right..$

2、根据权利要求1所述的全光纤光谱测量方法，其特征是所用的激光器为待测光谱的激光器，光源工作波长为任意光纤可传输波长，激光器为半导体激光二极管或半导体发光二极管。

3、权利要求1所述的全光纤光谱测量测量方法，其特征是振动源为可以产生机械振动的振动器或喇叭。

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