CN101464189A - 基于光纤色散的脉冲光谱仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤色散的脉冲光谱仪及测量方法，利用一段材料色散较大而模式色散、波导色散等很小的光纤作为光谱分光器件，光学系统简单，无可调机构；通过改变光纤长度或数据采集系统采样时间间隔就可以调整光谱分辨率。光谱仪中使用单一的光电探测器测量光谱，无扫描机构，不仅结构简单，而且测量一致性好，工作条件要求低。本发明适用于脉冲光信号的光谱测量，如脉冲激光荧光光谱测量、脉冲激光拉曼(Raman)光谱测量等。

Description

基于光纤色散的脉冲光谱仪及测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤色散的脉冲光谱仪及测量方法，更具体地说属于一种适用于测量脉冲光谱信号的光谱仪及测量方法。

背景技术

光谱测量的应用越来越普遍，以脉冲激光为光源的脉冲光谱信号测量有广泛的需求。已有的光谱仪多采用以下方法或结构：

1.光谱分光器件选用光栅，常见结构有单光栅、双光栅、三光栅型。为了实现光谱分光的目的，还需要狭缝、反射镜等匹配的光学器件和专门设计的光路。光谱分辨率主要由光栅的结构参数和光电传感器的光敏面尺寸决定，一旦定型就难以改变。因此，这种方法缺点是光学系统复杂、光学系统稳定性要求高、光谱分辨率难以调整，设备对外部环境的干扰较为敏感。

2.光栅摄谱仪中的光电传感器采用CCD线阵或面阵、ICCD面阵。线阵和面阵传感器一次可以测量整个光谱，光谱分辨率较好。CCD器件缺点是噪声大，积分时间长，不适合脉冲信号测量。ICCD器件缺点是噪声大，有时间门控的ICCD虽然可以测量脉冲信号，但是门控时间调节范围有限。

3.扫描式单色仪中采用光电倍增管。光电倍增管具有灵敏度高、响应时间快的优点，但是进行光谱测量要匹配的机械扫描部件；由于光谱测量周期较长，不适合同时测量瞬间变化光脉冲的整个光谱。

以上方法和结构有局限性，难以进行脉冲光谱信号的快速、高灵敏度、光谱分辨率可灵活调整的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤色散的脉冲光谱仪及测量方法，用于脉冲光信号的光谱测量，具有结构简单、对工作条件要求较低、测量灵敏度高、光谱分辨率可以灵活调整的特点，可以弥补已有技术的不足。

由于光纤的材料色散，不同光波长(λ₁，λ₂，...，λ_n)对应的折射率不同，分别为(n₁，n₂，...，n_n)。真空中的光速为c，由式(1)

$T_i=\frac{L}{{\mathrm{cn}}_i},i=\mathrm{1,2},...,n---\left(1\right)$

可以得到不同波长的光脉冲通过长度为L的光纤的时间Ti。根据(1)式，相邻的波长为(λ_k，λ_k+1)的光脉冲经过长度为L的光纤的时间差异可由式(2)

$\mathrm{\ΔT}=(\frac{1}{n_k}-\frac{1}{n_{k+1}})\frac{L}{c},---\left(2\right)$

计算出。由此，可以测量出不同时间序列对应的不同波长的脉冲光谱信号。光谱仪的光谱分辨率可以通过两种方式调整：

1.光纤长度L固定，提高数据采集电路的采样时间间隔，可以提高光谱分辨率数据；

2.采集电路的采样时间间隔固定，增加光纤长度L，可以提高光谱分辨率。

本发明将含有多种波长的光脉冲信号耦合到长度为L的光纤中。长度为L的光纤作为分光谱器件，将不同波长的光脉冲分到不同的时间段上。由单一的快速响应光电探测器接收上述光脉冲信号序列，经过数据采集和接口电路与外部计算机相连，完成脉冲光谱仪的功能。

本发明包括光纤、光电探测器、数据采集和接口电路，其特征在于，所采用一段材料色散较大而模式色散、波导色散、偏振色散较小的光纤，光纤一端为光信号输入端，另一端为光信号输出端，光纤输出端连接有光电探测器，光电探测器又电连接有数据采集电路和接口电路。所述光纤的材料色散大于光纤的模式色散、波导色散、偏振色散。所采用的光电探测器是单一的、在所测量波长范围内均可快速响应的光电探测器。所述的数据采集电路的特征是采样时间间隔小于或等于需测量的相邻波长光谱信号在光纤内传输的时间差异。输入到光纤中光信号的特征是其光谱范围在光纤材料色散变化的单调区间。本发明不需采用可调整部件。

由本发明构建的基于光纤色散的脉冲光谱仪，利用一段材料色散较大而模式色散、波导色散、偏振色散很小的光纤作为光谱分光器件，光学系统简单，无可调机构，对光学系统稳定性几乎没有要求；同时，通过改变光纤长度或数据采集系统采样时间间隔就可以调整光谱分辨率。光谱仪中仅使用单一的光电探测器测量光谱，不使用扫描机构，不仅结构简单，而且测量一致性好，抗震性好。本光谱仪适用于脉冲光信号的光谱测量，如脉冲激光荧光光谱测量、脉冲激光拉曼(Raman)光谱测量等。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1，本发明的总体结构框图

图2，本发明的光纤入射脉冲光信号示意图

图3，本发明的光纤出射脉冲光信号示意图

图4，本发明的长度加长光纤出射脉冲光信号示意图

图中：1.材料色散较大而模式色散、波导色散、偏振色散很小的光纤，2.单一的光电探测器，3.数据采集和接口电路

具体实施方式

本发明的目的是提供一种用于测量脉冲光谱信号的光谱仪，以解决相关领域的技术问题。

本发明的实施例如图1所示。图2中所示含有不同光波长(λ₁，λ₂，λ₃，...，λ_n)的光脉冲从光纤(1)A端耦合进去，从光纤(1)B端输出。由于光纤(1)的材料色散，输出光信号为图3所示光脉冲序列。该光脉冲序列输入到单一光电传感器(2)中。单一光电传感器(2)可以采用光电倍增管或雪崩光电二极管等。光电传感器(2)的输出经过数据采集和接口电路与外部计算机相连，将光谱数据存储或显示，实现脉冲光谱仪的功能。

光谱仪的光谱分辨率可以通过两种方式调整：

1.光纤长度固定，调整数据采集电路的采样时间间隔。如图3中，如果采样时间间隔为ΔT₂，则可以测量波长为λ₁，λ₃，...的光信号；如果采样时间间隔为ΔT₁，则可以测量波长为λ₁，λ₂，λ₃，...的光信号，光谱分辨率提高。

2.采集电路的采样时间间隔固定，增加光纤长度。如图4中，增加光纤长度，根据式(2)，使λ₁和λ₂的时间间隔达到ΔT₂。这样采样时间间隔为ΔT₂的采集电路也能达到较高的光谱分辨率。

总之，图1中光谱仪具有光学系统简单、无可调机构的特点，利用单一光电探测器可以获得灵敏度高、一致性好的脉冲光谱信号。图1中光谱仪又具有光谱分辨率灵活调整的优点，适用于脉冲光谱测量领域。

Claims (7)

1.一种基于光纤色散的脉冲光谱仪，其特征在于：采用一段材料色散较大而模式色散、波导色散、偏振色散较小的光纤，光纤一端为光信号输入端，另一端为光信号输出端，光纤输出端连接有光电探测器，光电探测器又电连接有数据采集电路和接口电路。

2.权利要求1所述的脉冲光谱仪的光谱分辨率通过调整权利要求1所述光纤的长度或数采集电路的采样时间间隔调整。

3.权利要求1所述光纤的特征在于光纤的材料色散大于光纤的模式色散、波导色散、偏振色散。

4.权利要求1所述的光电探测器的特征在于是单一的、在所测量波长范围内均可快速响应的光电探测器。

5.权利要求1所述的数据采集电路的特征在于采样时间间隔小于或等于需测量的相邻波长光谱信号在光纤内传输的时间差异。

6.权利要求1所述的输入到光纤中光信号的特征在于其光谱范围在光纤材料色散变化的单调区间。

7.基于光纤色散的脉冲光谱测量方法其特征是：由于光纤的材料色散，不同光波长(λ₁，λ₂，...，λ_n)对应的折射率不同，分别为(n₁，n₂，...，n_n)；真空中的光速为c，由式(1)

$T_i=\frac{L}{{\mathrm{cn}}_i},i=\mathrm{1,2},...,n---\left(1\right)$

可以得到不同波长的光脉冲通过长度为L的光纤的时间T_i；根据(1)式，相邻的波长为(λ_k，λ_k+1)的光脉冲经过长度为L的光纤的时间差异可由式(2)

$\mathrm{\ΔT}=(\frac{1}{n_k}-\frac{1}{n_{k+1}})\frac{L}{c},---\left(2\right)$

计算出；将含有多种波长的光脉冲信号耦合到长度为L的光纤中；长度为L的光纤作为分光谱器件，将不同波长的光脉冲分到不同的时间段上；由单一的快速响应光电探测器接收上述光脉冲信号序列，经过数据采集和接口电路与外部计算机相连，完成脉冲光谱的测量。

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