CN102353452A - 一种f-p腔自由光谱范围测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种F-P腔自由光谱范围测量系统，其特征是，脉冲光源通过光纤连接第一光纤耦合器，第一光纤耦合器的一个输出端连接高速光电转换模块，高速光电转换模块连接频谱分析仪，频谱分析仪连接计算机；第一光纤耦合器的另一个输出端连接第二光纤耦合器，第二光纤耦合器的一个输出端连接第一光电探头，另一个输出端连接透过式F-P腔，透过式F-P腔连接第二光电探头，第一、第二光电探头的输出端连接差分检测模块，差分检测模块连接计算机。本发明的与传统的光谱仪测量方法相比，频谱分析仪具有高分辨率，其测量灵敏度大大提高；本发明通过两路光功率的差分检测来测量F-P腔的损耗，消除了由于脉冲光源功率不稳定带来的测量漂移的问题，确保了测量的精度。

Description

一种F-P腔自由光谱范围测量系统

技术领域

 本发明涉及一种F-P腔自由光谱范围测量系统。

背景技术

在纳米技术和超高精度工程等领域，采用F-P干涉仪代替法实现宽范围和小不确定度的绝对长度测量被广泛推崇和使用。在F-P腔内，由于光经过多次反射反复叠加后可以形成一定精细度的透射谱，在光学滤波，传感解调和光纤传感头，光谱检测中经常用到。FP自由光谱范围的测量成为了F-P腔作为光纤传感头的关键技术。测量F-P腔自由光谱范围的基本原理是：F-P腔干涉产生的多光束干涉，形成一定精细度的梳状透射谱，以一定的频率间隔产生周期性的干涉极大值，通过测量干涉极大值之间的频率间隔就得到了F-P腔的自由光谱范围。

目前检测F-P自由光谱范围的方法主要有利用光谱仪和频率调制技术（FM）。

光谱仪法，采用光谱仪来检测F-P腔投射谱两峰值波长间隔来换算，由于光谱仪精度有限，长期使用还会存在波长漂移的问题，而且扫描的波长范围有限，所以用来测量F-P标准具自由光谱范围具有灵敏度低，精度差，动态范围小等缺点。例如，2003年中国科学技术大学物理系黄文财等人，利用高分辨率光谱分析仪对空气隙F-P标准具投射谐振峰频率进行测量，然后通过直线拟合获得自由光谱范围，用所测自由光谱范围来计算F-P标准具的间距，相对误差为2×10^-3。

FM技术，利用电光调制器实现和FSR相当的调制频率的测量方法已经达到了10^-6到10^-8的不确定度。这类检测方法主要应用FM边带技术、电光调制器和光谱仪对F-P腔的透射光或反射光进行分析，从而得带到自由光谱范围。这些方法称之为具有锁定方向探测的null method。例如，2010年日本长冈技术科技大学机械工程系Masato Aketagawa等人提出一种调频技术，利用电光调制器（EOM）和null method,实现对F-P腔自由光谱的测量。但是此类方法没有减少测量误差的相关评述。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种灵敏度高、精度高的F-P腔自由光谱范围测量系统。

为解决上述技术问题，本发明的F-P腔自由光谱范围测量系统包括脉冲光源，第一、第二光纤耦合器，透过式F-P腔，第一、第二光电探头，高速光电转换模块，频谱分析仪，差分检测模块，第一、第二GPIB数据线,计算机；

所述脉冲光源通过光纤连接所述第一光纤耦合器，第一光纤耦合器的一个输出端连接所述高速光电转换模块，所述高速光电转换模块连接所述频谱分析仪，所述频谱分析仪通过第一GPIB数据线连接所述计算机；第一光纤耦合器的另一个输出端连接所述第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器的一个输出端连接第一光电探头，另一个输出端连接所述透过式F-P腔，所述透过式F-P腔连接所述第二光电探头，所述第一、第二光电探头的输出端连接所述差分检测模块，所述差分检测模块通过第二GPIB数据线连接所述计算机。

所述脉冲光源为纵模间隔可调的锁模光纤激光器。

所述锁模光纤激光器包括，掺铒光纤，第三光纤耦合器，波分复用器，隔离器，饱和吸收体，中心波长980nm尾纤输出式泵浦源，第一光纤调节架，可调光纤延迟线。所述中心波长为980nm的泵浦源输出的泵浦光通过波分复用器耦合到掺铒光纤中，使掺铒光纤处于粒子数反转状态，通过光纤延迟线、饱和吸收体、光隔离器、波分复用器和第三光纤耦合器的光纤串联，将掺铒光纤头尾相连组成了一个环形振荡腔；一段光纤安装固定在所述第一光纤调节架上，环形振荡腔产生的脉冲激光信号通过所述第三光纤耦合器的尾纤输出。

本发明的有益效果在于：

1、与传统的光谱仪测量方法相比，本发明采用了频谱分析仪，由于频谱分析仪具有高分辨率，其测量灵敏度比光谱仪测量大大提高：

2、本发明通过两路光功率的差分检测来测量F-P腔的损耗，消除了由于脉冲光源功率不稳定带来的测量漂移的问题，确保了测量的精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明的高精度FP自由光谱范围测量系统结构图；

图2为本发明的F-P腔的结构图；

图3为本发明的测量系统光源结构图。

具体实施方式

图1给出了高精度F-P自由光谱范围测量系统结构图，脉冲光源1输出光通过第一光纤耦合器2分为两路，一路光通过高速光电转换模块9转化成电信号后接入到频谱分析仪7中，实时动态扫描脉冲光源1纵模间隔，并通过第一GPIB数据线10实时输入计算机12中。另一路光通过第二光纤耦合器3再分为两路，一路光通过F-P腔4后接入第二光电探头6检测光功率，另一路直接连接第一光电探头5检测光功率，差分检测模块8组成，两个光电探头连接在差分检测模块8上，采集到数据通过第二GPIB数据线11实时输入到计算机12中进行数据处理。通过脉冲光源1的纵模间隔的调整，来测量多组数据。通过电路差分运算，使用dBm单位测量出两路功率差，从而在计算机12中测量出F-P腔4的损耗和频谱分析仪7所测量频谱。当F-P损耗达到最小的时候，F-P腔4纵模间隔为脉冲激光光源1的纵模间隔的整数倍，计算腔长倍数和频谱分析仪7所测激光光源纵模间隔之积，得到F-P纵模间隔，即自由光谱范围。

图2给出了F-P腔4的结构图，F-P腔4是光纤接入式，制作时，先用调整架调整固定在调整架上的两个相对的带尾纤的自聚焦透镜23、24，单模光纤接入功率稳定的光源，通过XY方向，即垂直光出射方向，和俯仰角的调整，使多模光纤输出光功率达到最大，这样单模光纤自聚焦透镜23出来的光就准确地耦合进多模光纤自聚焦透镜24。然后，将两个带有高反膜和增透膜的基片垂直于光线方向放入两自聚焦透镜23、24中，用调整架固定，高反膜20向内，增透膜21向外。通过第二调整架26调整基片22的角度，直到多模光纤输出光功率最大。

图3给出了测量系统所用到的脉冲光源1的内部结构图，波长为980nm的泵浦模块18输出的泵浦光通过波分复用器15耦合到掺铒光纤13中，使掺铒光纤13处于粒子数反转状态，通过光纤延迟线19、饱和吸收体17、光隔离器16、波分复用器15和第三光纤耦合器14等光学器件的串联，将掺铒光纤13头尾相连组成了一个环形振荡腔，且光隔离器16实现光的单向传输从而实现了稳定的多纵模的激光输出。腔内加入损耗随着光功率变化的饱和吸收体17来调制光强，使腔内纵模产生一个稳定的相位差，从而实现脉冲激光的输出。通过调整可调光纤延迟线19来粗调光源的纵模间隔，通过拉伸用胶水固定在第一调整架25上的光纤，来进行微调光源纵模间隔。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种F-P腔自由光谱范围测量系统，其特征在于，包括脉冲光源，第一、第二光纤耦合器，透过式F-P腔，第一、第二光电探头，高速光电转换模块，频谱分析仪，差分检测模块，第一、第二GPIB数据线，计算机；

所述脉冲光源通过光纤连接所述第一光纤耦合器，第一光纤耦合器的一个输出端连接所述高速光电转换模块，所述高速光电转换模块连接所述频谱分析仪，所述频谱分析仪连接所述计算机；第一光纤耦合器的另一个输出端连接所述第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器的一个输出端连接第一光电探头，另一个输出端连接所述透过式F-P腔，所述透过式F-P腔连接所述第二光电探头，所述第一、第二光电探头的输出端连接所述差分检测模块，所述差分检测模块连接所述计算机。

2.根据权利要求1所述的F-P腔自由光谱范围测量系统，其特征在于，所述脉冲光源为纵模间隔可调的锁模光纤激光器。

3.根据权利要求2所述的F-P腔自由光谱范围测量系统，其特征在于，所述锁模光纤激光器包括掺铒光纤，第三光纤耦合器，波分复用器，隔离器，饱和吸收体，中心波长980nm尾纤输出式泵浦源，第一光纤调节架，可调光纤延迟线；所述中心波长为980nm的泵浦光通过波分复用器耦合到掺铒光纤中，使掺铒光纤处于粒子数反转状态，通过光纤延迟线、饱和吸收体、光隔离器、波分复用器和第三光纤耦合器的光纤串联，将掺铒光纤头尾相连组成了一个环形振荡腔，一段光纤安装在所述调节架上，环形振荡腔产生的脉冲激光信号通过所述第三光纤耦合器的尾纤输出。

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