CN101424570B

CN101424570B - 全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置及其测量方法

Info

Publication number: CN101424570B
Application number: CN2007101348996A
Authority: CN
Inventors: 王安; 刘勇; 朱灵; 翟玉锋; 李志刚; 朱震; 吴晓松; 张龙
Original assignee: Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2027-10-29
Also published as: CN101424570A

Abstract

本发明公开了一种全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置及其测量方法。装置为参考光源(1)与测试光源(9)的光路上依次置有光隔离器(2，10)、透镜(3，11)、光纤耦合器(4，8)、单模光纤(5)、滤光片(12，14)和光电探测部件(13，15)，压电陶瓷(6)与单模光纤(5)连接，并与压电陶瓷控制器(7)电连接，装置还包括信号处理与控制部件(16)；方法为先设定腔长的调节范围和精度，再对获得的测试光干涉信号进行隔直放大，并用参考光的干涉图来测量光程差，在参考光过零点对测试光的干涉图进行采样，并对采样的测试光干涉图进行切趾处理、相位校正和快速傅立叶变换，得到测试光的光谱。它可用于激光光谱的精确测量。

Description

全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置及其测量方法

技术领域本发明涉及一种光谱测量装置及测量方法，尤其是一种全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置及其测量方法。

背景技术光纤法布里-珀罗(F-P)干涉仪由于具有灵敏度和分辨率高、体积小、重量轻、耐腐蚀、结构简单、抗电磁干扰能力强，且能在易燃易爆环境下可靠运行等诸多优点，因而在材料特性分析、结构无损诊断、光谱分析等方面有着广泛的应用。

傅里叶变换光谱技术在近代取得了飞速的发展，是光谱分析的有力工具，可用于弱光谱信号或宽光谱的测量。然而，因其在应用时要求干涉仪能输出双光束，故导致了干涉仪的机械和光学系统的复杂性，大大地提高了傅里叶变换光谱仪的造价和严格地限制了其工作环境，制约了傅里叶变换光谱仪的发展和普及。

目前，人们在将光的干涉现象应用于科学研究和工程技术上时，为获得光谱信息，作了一些尝试和努力，如在2000年出版的《激光杂志》第21卷第2期中“用可调谐法布里-珀罗腔测量光纤光栅波长”一文就介绍了一种测量光波长的装置及方法。它意欲提供一种可调谐法布里-珀罗腔来将光纤光栅反射的波长直接转换为电信号；其中，构成可调谐法布里-珀罗腔的两个高反射镜中的一个固定，另一个可移动且背面贴有一个压电陶瓷。测量时，给压电陶瓷施加一个扫描电压，从而改变法布里-珀罗腔的腔长，使透过法布里-珀罗腔的光的波长发生改变，当探测器探测到的光强最大时，此时给压电陶瓷施加的电压就对应着光纤光栅的反射波长。但是，这种装置及方法存在着不足之处，首先，输出的只是单光束，无法在其基础上进行傅里叶变换光谱技术的应用，且由此单光束获得的只是所测光源的波长电信号，而未能得到该光源的光谱信息；其次，测量的精度低、误差大，精度受给压电陶瓷施加的电压与压电陶瓷的伸缩率是否成线性变化的制约；再次，使用不便，为确保测量的准确性和精度，需经常对其进行定标。

发明内容本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种测量光谱的准确性和精度高，使用方便的全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置。

本发明要解决的另一个技术问题为提供一种全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置的测量方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置包括光源和其光路上的透镜、反射面和光电接收器，以及与反射面连接的压电陶瓷及其驱动源，特别是(a)所说光源为参考光源和测试光源，所说参考光源的光路上依次置有参考光隔离器、参考光透镜、参考光光纤耦合器、单模光纤、参考光滤光片和参考光光电探测部件，所说参考光光纤耦合器经其输入端面与所说参考光透镜光连接、经其输出端面与所说单模光纤的端面光连接、经其干涉信号输出端面与所说参考光滤光片光连接，所说测试光源的光路上依次置有测试光隔离器、测试光透镜、测试光光纤耦合器、单模光纤、测试光滤光片和测试光光电探测部件，所说测试光光纤耦合器经其输入端面与所说测试光透镜光连接、经其输出端面与所说单模光纤的端面光连接、经其干涉信号输出端面与所说测试光滤光片光连接；(b)所说压电陶瓷与所说单模光纤固定连接，所说压电陶瓷驱动源为压电陶瓷控制器，所说压电陶瓷控制器的输出端与所说压电陶瓷电连接；(c)所说光谱测量装置还包括一个信号处理与控制部件，所说信号处理与控制部件含有电连接的模/数变换采集器、数/模转换器和微机，所说模/数变换采集器的输入端与所说参考光光电探测部件、测试光光电探测部件的输出端电连接，所说数/模转换器的输出端与所说压电陶瓷控制器的输入端电连接。

作为全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置的进一步改进，所述的参考光源为固体激光器或He-Ne激光器或半导体激光器，测试光源为发光二极管或半导体激光器或掺铒光纤放大自发辐射光源；所述的参考光隔离器和测试光隔离器均由其光轴上依次置有的楔形双折射晶体、法拉第旋转器和楔形双折射晶体构成，其中，两只楔形双折射晶体间的光轴夹角为45度；所述的参考光光纤耦合器和测试光光纤耦合器均为单模光纤耦合器；所述的参考光光纤耦合器的端面与单模光纤的端面的平行度公差≤0.01度、两者的间距为10～100μm，测试光光纤耦合器的端面与单模光纤的端面的平行度公差≤0.01度、两者的间距为10～100μm；所述的压电陶瓷的位移量调节范围为1～100μm；所述的参考光滤光片为滤去测试光及杂散光，通过参考光的滤光片，测试光滤光片为滤去参考光及杂散光，通过测试光的滤光片；所述的参考光光电探测部件和测试光光电探测部件均含有依次电连接的光电探测器和前置放大器；所述的光电探测器为光敏电阻或光电二极管或光电倍增管。

为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置的测量方法包括光源的发光、F-P腔长的调节和输出干涉光，特别是所说方法包含以下步骤：(a)设定F-P腔长的调节范围和精度；(b)开启参考光源，根据设定的F-P腔长的调节范围和精度调节参考光的F-P腔长，由参考光光电探测部件获得参考光干涉信号，并由此建立起参考光干涉信号与数学表达式：I_R＝2R(1-cosφ)I₀＝A+Bcosφ间对应的定标关系，数学表达中，A＝2RI₀为干涉信号的直流部分、B＝-2RI₀为干涉信号交流部分的振幅、I₀为入射参考光的强度、R为单模光纤端面的反射率、φ＝(4π/λ)nL为光学相位，其中的λ为光源波长、n为单模光纤的折射率、L为法布里-珀罗腔长；(c) 开启测试光源，由测试光光电探测部件获得测试光干涉信号，并根据定标数学表达式：I_r＝2R(1-cosφ)I₀＝A+Bcosφ来对测试光干涉信号进行处理，定标数学表达式中，A＝2RI₀为干涉信号的直流部分、B＝-2RI₀为干涉信号交流部分的振幅、I₀为入射测试光的强度、R为单模光纤端面的反射率、φ＝(4π/λ)nL为光学相位，其中的λ为光源波长，n为单模光纤的折射率，L为法布里-珀罗腔长；(d)先对测试光干涉信号进行隔直放大，并利用参考光的干涉图来测量测试光在测试光路上的光程差，再在参考光的过零点对测试光的干涉图进行采样，采样间隔为半个参考光波长；(e)对采样的测试光干涉图进行切趾处理、相位校正和快速傅立叶变换，得到测试光的光谱。

相对于现有技术的有益效果是，其一，使用参考光源，且将参考光源光路与测试光源光路通过由压电陶瓷控制其位置的单模光纤进行有机地连接，既使其输出了双光束，且由该双光束直接获得了待测光源的光谱信息，为傅里叶变换光谱技术的应用提供了可能，从而提高了测量的准确性，又避免了装置中的部件对测量精度的制约，提高了测量的精度，还因其具有自定标功能，进而提升了使用的方便性，排除了系统干扰带来的测量偏差，使其抗干扰的能力大大地增加了；其二，采用光纤耦合器取代分束镜、连接参考光路与测试光路的单模光纤固定在压电陶瓷上以代替反射镜移动来实现光程扫描，不仅克服了传统光学所面临的象差和通量的难题，还便于集成和嵌入其他系统中进行在线检测；其三，信号处理与控制部件的增设，除提高了自动化的程度之外，还为傅里叶变换光谱技术的应用奠定了物质基础；其四，测量方法科学、有效，且使用起来方便、快捷，其中的傅里叶变换光谱技术的运用更进一步地提高了光谱测量的准确性和精度，可完全地实现对弱光谱信号或宽光谱的测量，使其可在化学、药学、化妆品、聚合物、橡胶、纺织、食品、饲料等相关的工业中做定性、定量分析，还可用于环境检测中对大气、水体等的污染物分析。

作为有益效果的进一步体现，一是参考光源优选为固体激光器或He-Ne激光器或半导体激光器，测试光源优选为发光二极管或半导体激光器或掺铒光纤放大自发辐射光源，不仅对参考光源和测试光源的选择和适用有了较大的回旋余地，还使测量更易实施且灵活；二是参考光隔离器和测试光隔离器均由其光轴上依次置有的楔形双折射晶体、法拉第旋转器和楔形双折射晶体构成，其中，两只楔形双折射晶体间的光轴夹角为45度，确保了参考光和测试光的单向通过和逆向禁止；三是参考光光纤耦合器和测试光光纤耦合器均优选为单模光纤耦合器，保证了参考光干涉图和测试光干涉图的质量；四是参考光光纤耦合器端面和测试光光纤耦合器端面均与单模光纤端面的平行度公差优选为≤0.01度、且两两端面间的间距优选为10～100μm，确保了参考光干涉图和测试光干涉图的形成及质量；五是压电陶瓷的位移量调节范围优选为1～100μm，完全满足了F-P腔长的调节；六是参考光滤光片优选为滤去测试光及杂散光，通过参考光的滤光片，测试光滤光片优选为滤去参考光及杂散光，通过测试光的滤光片，保证了测量的准确性和精度。

附图说明下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的说明。

图1是本发明的一种基本结构示意图；

图2是图1中由单模光纤的两端面分别与参考光光纤耦合器端面和测试光光纤耦合器端面构成的两只F-P腔的一种基本结构示意图；

图3是图1中光隔离器的一种基本结构示意图；

图4是参考光干涉信号；

图5是测试光信息，其中，a图为测试光干涉信号，b图为在参考光的过零点采样得到的测试光的干涉图，c图为测试光光谱图。

具体实施方式参见图1、图2和图3，全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置包括一个双光源光路和其上配置的部件，一个控制双光源光路间光程差的调节器和一个信号处理与控制部件16；该信号处理与控制部件16分别与双光源光路上配置的部件、控制双光源光路间光程差的调节器电连接。

其中，双光源光路和其上配置的部件为：

参考光源1的光路上依次置有参考光隔离器2、参考光透镜3、参考光光纤耦合器4、单模光纤5、参考光滤光片12和参考光光电探测部件13；其中，参考光光纤耦合器4经其输入端面401与参考光透镜3光连接、经其输出端面403与单模光纤5的端面501光连接、经其干涉信号输出端面402与参考光滤光片12光连接。前述参考光源1光路上的：参考光源1选用He-Ne激光器。参考光隔离器2由其光轴上依次置有的楔形双折射晶体P1、法拉第旋转器FR和楔形双折射晶体P2构成，其中，楔形双折射晶体P1和楔形双折射晶体P2间的光轴夹角为45度。参考光光纤耦合器4为单模光纤耦合器。参考光光纤耦合器4的端面403与单模光纤5的端面501的平行度公差为0.01度、两者的间距为50μm。参考光滤光片12选用滤去测试光及杂散光，通过参考光的滤光片。参考光光电探测部件13含有依次电连接的光电探测器和前置放大器，现选光电探测器为光电倍增管。

测试光源9的光路上依次置有测试光隔离器10、测试光透镜11、测试光光纤耦合器8、单模光纤5、测试光滤光片14和测试光光电探测部件15，其中，测试光光纤耦合器8经其输入端面801与测试光透镜11光连接、经其输出端面803与单模光纤5的端面502光连接、经其干涉信号输出端面802与测试光滤光片14光连接。前述测试光源9光路上的：测试光源9选用输出波长为1.310um的半导体激光器。测试光隔离器10由其光轴上依次置有的楔形双折射晶体P1、法拉第旋转器FR和楔形双折射晶体P2构成，其中，楔形双折射晶体P1和楔形双折射晶体P2间的光轴夹角为45度。测试光光纤耦合器8为单模光纤耦合器。测试光光纤耦合器8的端面803与单模光纤5的端面502的平行度公差为0.01度、两者的间距为50μm。测试光滤光片14选用滤去参考光及杂散光，通过测试光的滤光片。测试光光电探测部件15含有依次电连接的光电探测器和前置放大器，现选光电探测器为光电二极管。

控制双光源光路间光程差的调节器为：压电陶瓷6与单模光纤5固定连接，其位移量的调节范围为1～100μm。压电陶瓷驱动源为压电陶瓷控制器7，该压电陶瓷控制器7的输出端与压电陶瓷6电连接。

信号处理与控制部件16为：均与微机电连接的模/数变换采集器和数/模转换器；其中，微机为通用型的微型计算机，模/数变换采集器的输入端与参考光光电探测部件13、测试光光电探测部件15的输出端电连接，数/模转换器的输出端与压电陶瓷控制器7的输入端电连接。

参见图1、图2、图3、图4和图5，全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置的测量方法的工作流程如下：对测量装置通电后，先向微机中输入F-P腔长的调节范围和精度，再开启参考光源1，即开启He-Ne激光器。

接着，根据F-P腔长的调节范围和精度调节参考光的F-P腔长，即调节由参考光光纤耦合器4端面403与单模光纤5端面501构成的F-P腔长。此时，He-Ne激光器发出的光，经过参考光隔离器2、参考光透镜3和参考光光纤耦合器4的输入端面401耦合进入参考光光纤耦合器4，其中的部分光在参考光光纤耦合器4的输出端面403发生反射、部分光透射过端面403到达单模光纤5的端面501，由端面501反射返回参考光光纤耦合器4，两束反射光束在参考光光纤耦合器4的干涉信号输出端面402相遇发生干涉。干涉信号经过参考光滤光片12后由参考光光电探测部件13接收并送往信号处理与控制部件16。参考光光电探测部件13的接收，即为光电倍增管的接收，其接收到的参考光干涉信号如图4所示。信号处理与控制部件16在收到参考光干涉信号后，即建立起该参考光干涉信号与数学表达式：I_R＝2R(1-cosφ)I₀＝A+Bcosφ间对应的定标关系，数学表达式中，A＝2RI₀为干涉信号的直流部分、B＝-2RI₀为干涉信号交流部分的振幅、I₀为入射参考光的强度、R为单模光纤5端面的反射率、φ＝(4π/λ)nL为光学相位，其中的λ为光源波长、n为单模光纤5的折射率、L为法布里-珀罗腔长。

然后，开启测试光源9，即开启输出波长为1.310um的半导体激光器。此时，半导体激光器发出的光，经过测试光隔离器10、测试光透镜11和测试光光纤耦合器8的输入端面801耦合进入测试光光纤耦合器8，其中的部分光在测试光光纤耦合器8的输出端面803发生反射，部分光透射过端面803到达单模光纤5的端面502，由端面502反射返回测试光光纤耦合器8，两束反射光束在测试光光纤耦合器8的干涉信号输出端面802相遇发生干涉。干涉信号经过测试光滤光片14后由测试光光电探测部件15接收并送往信号处理与控制部件16。测试光光电探测部件15的接收，即为光电二极管的接收，其接收到的测试光干涉信号如图5a所示。信号处理与控制部件1 6在收到测试光干涉信号后，即根据定标数学表达式：I_r＝2R (1-cosφ)I₀＝A+Bcosφ来对测试光干涉信号进行处理，以获得此测试光干涉信号所对应的光谱信息。定标数学表达式中，A＝2RI₀为干涉信号的直流部分、B＝-2RI₀为干涉信号交流部分的振幅、I₀为入射测试光的强度、R为单模光纤5端面的反射率、φ＝(4π/λ)nL为光学相位，其中的λ为光源波长，n为单模光纤5的折射率，L为法布里-珀罗腔长。

之后，由信号处理与控制部件16中的微机先对测试光干涉信号进行隔直放大，并利用参考光的干涉图来测量测试光在测试光路上的光程差，再在参考光的过零点对测试光的干涉图进行采样，获得如图5b所示的在参考光的过零点测得的测试光的干涉图。采样间隔为半个参考光波长，其对应的数学表达式为：λref/2。

最后，对采样的测试光干涉图进行切趾处理、相位校正和快速傅立叶变换，得到如图5c所示的测试光光谱图。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置及其测量方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置，包括光源和其光路上的透镜、反射面和光电接收器，以及与反射面连接的压电陶瓷(6)及其驱动源，其特征在于：

(a)所说光源为参考光源(1)和测试光源(9)，

所说参考光源(1)的光路上依次置有参考光隔离器(2)、参考光透镜(3)、参考光光纤耦合器(4)、单模光纤(5)、参考光滤光片(12)和参考光光电探测部件(13)，所说参考光光纤耦合器(4)经其输入端面(401)与所说参考光透镜(3)光连接、经其第一输出端面(403)与所说单模光纤(5)的第一端面(501)光连接、经其干涉信号第二输出端面(402)与所说参考光滤光片(12)光连接，

所说测试光源(9)的光路上依次置有测试光隔离器(10)、测试光透镜(11)、测试光光纤耦合器(8)、单模光纤(5)、测试光滤光片(14)和测试光光电探测部件(15)，所说测试光光纤耦合器(8)经其输入端面(801)与所说测试光透镜(11)光连接、经其第三输出端面(803)与所说单模光纤(5)的第二端面(502)光连接、经其干涉信号第四输出端面(802)与所说测试光滤光片(14)光连接；

(b)所说压电陶瓷(6)与所说单模光纤(5)固定连接，所说压电陶瓷驱动源为压电陶瓷控制器(7)，所说压电陶瓷控制器(7)的输出端与所说压电陶瓷(6)电连接；

(c)所说光谱测量装置还包括一个信号处理与控制部件(16)，所说信号处理与控制部件(16)含有电连接的模/数变换采集器、数/模转换器和微机，所说模/数变换采集器的输入端与所说参考光光电探测部件(13)、测试光光电探测部件(15)的输出端电连接，所说数/模转换器的输出端与所说压电陶瓷控制器(7)的输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置，其特征是参考光源(1)为固体激光器或He-Ne激光器或半导体激光器，测试光源(9)为发光二极管或半导体激光器或掺铒光纤放大自发辐射光源。

3.根据权利要求1所述的全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置，其特征是参考光隔离器(2)和测试光隔离器(10)均由其光轴上依次置有的楔形双折射晶体(P1)、法拉第旋转器(FR)和楔形双折射晶体(P2)构成，其中，楔形双折射晶体(P1)和楔形双折射晶体(P2)间的光轴夹角为45度。

4.根据权利要求1所述的全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置，其特征是参考光光纤耦合器(4)和测试光光纤耦合器(8)均为单模光纤耦合器。

5.根据权利要求1所述的全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置，其特征是参考光光纤耦合器(4)的第一输出端面(403)与单模光纤(5)的第一端面(501)的平行度公差≤0.01度、两者的间距为10～100μm，测试光光纤耦合器(8)的第三输出端面(803)与单模光纤(5)的第二端面(502)的平行度公差≤0.01度、两者的间距为10～100μm。

6.根据权利要求1所述的全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置，其特征是压电陶瓷(6)的位移量调节范围为1～100μm。

7.根据权利要求1所述的全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置，其特征是参考光滤光片(12)为滤去测试光及杂散光，通过参考光的滤光片，测试光滤光片(14)为滤去参考光及杂散光，通过测试光的滤光片。

8.根据权利要求1所述的全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置，其特征是参考光光电探测部件(13)和测试光光电探测部件(15)均含有依次电连接的光电探测器和前置放大器。

9.根据权利要求8所述的全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置，其特征是光电探测器为光敏电阻或光电二极管或光电倍增管。

10.根据权利要求1所述的全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置的测量方法，包括光源的发光、F-P腔长的调节和输出干涉光，其特征在于所说方法包含以下步骤：

(a)设定F-P腔长的调节范围和精度；

(b)开启参考光源，根据设定的F-P腔长的调节范围和精度调节由参考光光纤耦合器的第一输出端面与单模光纤的第一端面构成的F-P腔长，由参考光光电探测部件获得参考光干涉信号，并由此建立起参考光干涉信号与数学表达式：I_R＝2R(1-cosφ)I₀＝A+Bcosφ间对应的定标关系，数学表达中，A＝2RI₀为干涉信号的直流部分、B＝-2RI₀为干涉信号交流部分的振幅、I₀为入射参考光的强度、R为单模光纤端面的反射率、φ＝(4π/λ)nL为光学相位，其中的λ为光源波长、n为单模光纤的折射率、L为法布里-珀罗腔长；

(c)开启测试光源，由测试光光电探测部件获得测试光干涉信号，并根据定标数学表达式：I_r＝2R(1-cosφ)I₀＝A+Bcosφ来对测试光干涉信号进行处理，定标数学表达式中，A＝2RI₀为干涉信号的直流部分、B＝-2RI₀为干涉信号交流部分的振幅、I₀为入射测试光的强度、R为单模光纤端面的反射率、φ＝(4π/λ)nL为光学相位，其中的λ为光源波长，n为单模光纤的折射率，L为法布里-珀罗腔长；

(d)先对测试光干涉信号进行隔直放大，并利用参考光的干涉图来测量测试光在测试光路上的光程差，再在参考光的过零点对测试光的干涉图进行采样，采样间隔为半个参考光波长；

(e)对采样的测试光干涉图进行切趾处理、相位校正和快速傅立叶变换，得到测试光的光谱。