CN102607702A - 宽带参考光源光频域游标法光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽带参考光源光频域游标法光谱仪，包括：入射准直透镜；宽带光源；幅度调制器，将来稳频基准光波调制为一幅度调制光波；光纤耦合器，将来自幅度调制光波与来自所述入射准直透镜的待测入射光叠加在一起；可调谐F-P干涉仪，其通过调谐腔长在来自光纤耦合器光波中选择一单色光波通过；F-P标准具，用于提取可调谐F-P干涉仪中特定频率的光波；低通滤波器，用于提取光电信号中待测光波所产生的电信号；带通滤波器，用于提取光电信号中宽带光源所产生的电信号；功率测量模块；波长解调模块。本发明宽带参考光源光频域游标法光谱仪实现光频率选择；且可以在很小的幅度上调谐谐振腔的腔长，避免了采用活动部件所产生的技术问题。

Description

宽带参考光源光频域游标法光谱仪

技术领域

本发明涉及一种宽带参考光源光频域游标法光谱仪，属于光谱探测领域，可以应用于物质的吸收光谱的测定、光通信和光纤传感等领域。

背景技术

测定光谱的现有技术目前主要有两类。一类是将不同波长的光波分布在不同的空间方向上，其中常见的分光元件是棱镜和光栅。另一类是将不同波长的光波在时间上分开，其中常见的是傅里叶变换光谱仪，可以利用迈克耳逊干涉仪或者马赫-曾德干涉仪实现。

在先技术之一，利用光栅将不同波长的光波分散到不同的空间方向，利用线性探测器阵列或者线性图象传感器(如CCD或者CMOS图像传感器)探测不同波长光波的功率，由此得到待测光谱。这种方法的优点是：响应速度快，波长分辨率也可以很高。缺点主要在于探测器和光栅之间需要较大的距离，因而导致机械加工困难，设备庞大笨重，而且价格昂贵。

在先技术之二，将光波导入一个迈克耳逊或者马赫-曾德干涉仪，输出的光波是两臂中传输的光波的相干光，其功率是波长和相位差的函数。通过调节一条光臂的长度，改变相位差，可以得到光功率随腔长的变化。而光谱与这个信号的关系正好是余弦傅里叶变换，因此，通过求解逆傅里叶变换，可以得到待测光谱。这种方法的优点是，光谱探测范围和波长分辨率都很高。缺点是：非常耗费时间，不能够测量变化较快的光谱；具有运动部件，对机械加工的要求也很高；设备也庞大而昂贵。因此如何克服现有技术中上述技术问题，成为本领域普通技术人员努力的方向。

发明内容

本发明目的是提供一种宽带参考光源光频域游标法光谱仪，其避免了使用体积较大的迈克耳逊干涉仪和光栅-图像传感器结构，而实现光频率选择；且可以在很小的幅度上调谐谐振腔的腔长，避免了采用活动部件所产生的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于频率选择的光频域游标法光谱仪，包括：

入射准直透镜，用于将待测入射光耦合入光纤；

光电探测装置，用于将光波转化为电信号；

前置放大模块，用于将来自所述光电探测装置的电信号进行放大处理；

宽带光源，用于提供一稳频基准光波；

幅度调制器，将来自所述宽带光源的稳频基准光波调制为一幅度调制光波；

光纤耦合器，将来自所述幅度调制器幅度调制光波与来自所述入射准直透镜的待测入射光叠加在一起；

可调谐F-P干涉仪，其通过调谐腔长在来自所述光纤耦合器光波中选择一系列单色光波通过；

F-P标准具，用于提取来自所述可调谐F-P干涉仪中特定频率的光波；

低通滤波器，用于提取光电信号中待测光波所产生的电信号；

带通滤波器，带通滤波器的通带的中心频率等于所述幅度调制器的频率，用于提取光电信号中宽带光源所产生的电信号；

功率测量模块，根据来自所述低通滤波器电信号计算光功率，依次测量和记录待测光波中不同频率的光波并储存光功率数据；

波长解调模块，根据来自所述带通滤波器的信号，用于分析当前所测量的光波的频率。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、本发明利用两个体积很小的谐振腔实现了光频率选择的功能，避免了使用体积较大的迈克耳逊干涉仪，或者是光栅-图像传感器结构中较长的自由空间传播距离。

2、本发明只需要一个光电探测器，避免了使用价格昂贵的仪器级的图像传感器。

3、本发明在扫描光频率的过程中只需要在很小的幅度上调谐谐振腔的腔长。因此可以采用电光调制等手段，避免了采用活动部件所造成的问题。

4、本发明的频谱分辨率由标准具的自由光谱范围决定，可以很容易地达到极高的分辨精度。

附图说明

图1为本发明的结构；

图2为谐振腔的功率透射谱；

图3为F-P标准具和可调谐F-P干涉仪的功率透射谱；

图4为通过调谐可调谐F-P干涉仪实现频率扫描；

图5为调谐谐振腔长度的电压信号。

以上附图中：1、入射准直透镜；2、可调谐F-P干涉仪；3、F-P标准具；4、光电探测装置；5、前置放大模块；6、光纤耦合器；7、宽带光源；8、幅度调制器；9、低通滤波器；10、带通滤波器；11、功率测量模块；12、波长解调模块；13、光纤隔离器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：一种用于频率选择的光频域游标法光谱仪，如附图所示，包括：

入射准直透镜1，用于将待测入射光耦合入光纤；

光电探测装置4，用于将光波转化为电信号；

前置放大模块5，用于将来自所述光电探测装置4的电信号进行放大处理；

宽带光源7，用于提供一稳频基准光波；

幅度调制器8，将来自所述宽带光源的稳频基准光波调制为一幅度调制光波；

光纤耦合器6，将来自所述幅度调制器8幅度调制光波与来自所述入射准直透镜1的待测入射光叠加在一起；

可调谐F-P干涉仪2，其通过调谐腔长在来自所述光纤耦合器6光波中选择一系列单色光波通过；

F-P标准具3，用于提取来自所述可调谐F-P干涉仪2的一系列单色光波中特定频率的光波；

低通滤波器9，用于提取光电信号中待测光波所产生的电信号；

带通滤波器10，带通滤波器9的通带的中心频率等于所述幅度调制器8的频率，用于提取光电信号中宽带光源所产生的电信号；

功率测量模块11，根据来自所述低通滤波器9电信号计算光功率，依次测量和记录待测光波中不同频率的光波并储存光功率数据；

波长解调模块12，根据来自所述带通滤波器10，用于分析当前所测量的光波的频率。

上述F-P标准具3和可调谐F-P干涉仪2之间设置有一光纤隔离器13，用于隔离反射光。

上述内容进一步阐述如下。

根据多光束干涉的知识，谐振腔的功率透射谱呈现梳状，如图2所示。其中自由光谱范围(腔纵模间隔)与谐振腔内的光程(简称为腔长)成反比。腔纵模的宽度，也就是透射光谱的宽度，是由精细度决定的。精细度越高，纵模的形状越尖锐，纵模宽度D越窄。

本发明中存在有两个串接的谐振腔，即腔长可变的可调谐F-P干涉仪和腔长固定的F-P标准具。两者的自由光谱范围有一个微小的差别。如图3所示，图3(a)为F-P标准具的透射谱，图3(b)为可调谐F-P干涉仪的透射谱，两者的透射光谱在光频率v_i处重合，而在其它任何波长都不重合，因此，待测光波穿过两个谐振腔之后，只剩下频率为v_i的单色光波。

根据谐振腔的相关知识，其纵模频率为

$v=\frac{\mathrm{nC}}{2L}---\left(1\right)$

其中C是光速，L是腔内光程，n是一个正整数，是纵模的序号。

从式(1)可以得到谐振腔的自由光谱范围，也就是相邻纵模的频率差为

$\mathrm{\Δv}=\frac{C}{2L}---\left(2\right)$

从式(1)和式(2)可以看出，当改变腔长L时，自由光谱范围和第n个纵模所在的光频率v都会变化。但是，如果腔长的改变量ΔL远小于腔长，即有关系ΔL＜＜L，从式(2)可以看出，分母上的一点微小变化不会对自由光谱范围Δv产生显著的影响，我们可以认为Δv是不变的。另一方面，在光频波段，腔纵模的序数n是很大的。因此，自由光谱范围(纵模间隔)的一点微小变化都会累加起来，使第n个纵模所在的光频率产生显著的变化。综上所述，微调腔长L的效果就相当于平移谐振腔的透射光谱，如图4所示。图中为了便于区别，将干涉仪的透射光谱的位置略微下移了一些。

如附图4所示，其中：v1：采样光频率1，v2：采样光频率2，v3：采样光频率3，v4：采样光频率4，V5：可调谐F-P干涉仪的光谱，V6：F-P标准具的光谱，d1：纵模的偏移，d2：采样光频率的偏移；图4(a)中，当标准具7光谱的第m个纵模与干涉仪3光谱的第n个纵模相重合时，采样光频率v1能够通过；图4(b)中，第m+1个纵模与第n+1个纵模相重合，采样光频率v2能够通过；图4(c)中，第m+2个纵模与第n+2个纵模相重合，采样光频率v3能够通过；图4(d)中，第m+3个纵模与第n+3个纵模相重合，采样光频率v4能够通过。

从图4中我们可以看出，第n个纵模的频率仅仅只漂移了很小的量值d1，系统的采样光频率就已经跨越了很大的范围d2。这个特点决定了本发明所需要的腔长调谐量值非常的小，因而可以采用电光调制等技术，避免了使用活动部件。

技术方案如图1所示。

待测的入射光被入射准直透镜1耦合入光纤；经过光纤耦合器6，进入可调谐F-P干涉仪2；可调谐F-P干涉仪2是一个梳状的光滤波器，其透射光谱如图2所示。待测的入射光波中，只有那些频率与干涉仪的纵模相重合的光波能够通过。

干涉仪输出的光波经过光纤隔离器13，进入标准具。在可调谐F-P干涉仪2和F-P标准具3之间插入光纤耦合器6的目的是为了隔离反射光。

F-P标准具3也是一个梳状的光滤波器，其透射光谱如图2、图3所示。从图3、图4及前文的说明可知，穿过干涉仪的若干个光频率成分中，最多只有一个能够穿过标准具。

从图3、图4及前文的说明可知，通过调谐可调谐F-P干涉仪2的腔长，可以人为地选择最终穿过标准具的光波的频率。也就是说，可以从待测光波中选出一个单色光波。这个功能是实现光谱测量的基础。

从F-P标准具3出射的单色光波，被光电探测装置4和前置放大模块5转变为电信号并放大，然后通过低通滤波器9，进入功率测量模块11。功率测量模块11的作用为：从电信号计算光功率；采样并储存光功率数据。

在本发明中，可调谐F-P干涉仪2的腔长被连续地调谐，因而其透射光谱也连续地移动。从图3、图4及前文的说明可知，在一个调谐周期中，待测光波中不同的频率成分在不同的时间穿过系统，被功率测量模块11所测量和记录。所以，功率测量模块11得到的数据中包含有不同波长的光波的功率信息。

对于一台光谱分析仪器，仅仅只是将待测光谱中的单色光波分离测量是不够的，还必须能够判断当前所测量的光波的频率。直观地看，可以通过测量干涉仪的腔长计算出当前通过的光波的光频率。但是，由于腔长的变化量很小，不可能得到足够精确的测量，所以本发明提供了一个宽带光源做为判断当前采样光频率的手段。

宽带光源发出的光波经过幅度调制器的调制，变成一个幅度调制的光波。这个光波经光纤耦合器6，与待测光波叠加在一起，经过可调谐F-P干涉仪2、光纤耦合器6、F-P标准具3，到达光电探测装置4和前置放大模块5。也就是说与待测光波经过同一条光路，并且被同一个探测器所探测。

带通滤波器10的通带的中心频率等于幅度调制器8的频率，所以宽带光源7产生的光电信号可以通过带通滤波器10，不能通过低通滤波器9；反之，待测光波产生的光电信号可以通过低通滤波器9，不能通过带通滤波器10。

在经过带通滤波器10以后，宽带光源7产生的光电信号进入波长解调模块12。波长解调模块的作用为：从光功率数据中解调得到波长数据。解调的原理叙述如下。

在干涉仪做腔长调谐的过程中，其透射光谱产生平移。当干涉仪的某个纵模与标准具的某个纵模对准时，有光波可以穿过两者；在其他时刻，没有光波能够穿过。有光波穿过时，可以得到光电信号；没有光波穿过时，光电信号为0。也就是说，在腔长调谐的过程中，光电信号是一系列的脉冲。计数脉冲的个数就可以得知当前通过的是哪个波长的光波。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种宽带参考光源光频域游标法光谱仪，其特征在于：包括：

入射准直透镜(1)，用于将待测入射光耦合入光纤；

光电探测装置(4)，用于将光波转化为电信号；

前置放大模块(5)，用于将来自所述光电探测装置(4)的电信号进行放大处理；

宽带光源(7)，用于提供一稳频基准光波；

幅度调制器(8)，将来自所述宽带光源的稳频基准光波调制为一幅度调制光波；

光纤耦合器(6)，将来自所述幅度调制器(8)的幅度调制光波与来自所述入射准直透镜(1)的待测入射光叠加在一起；

可调谐F-P干涉仪(2)，其通过调谐腔长在来自所述光纤耦合器(6)光波中选择一系列单色光波通过；

F-P标准具(3)，用于提取来自所述可调谐F-P干涉仪(2)的一系列光波中特定频率的光波；

低通滤波器(9)，连接到所述前置放大模块(5)输出端，用于提取光电信号中待测光波所产生的电信号；

带通滤波器(10)，连接到所述前置放大模块(5)输出端，带通滤波器(9)的通带的中心频率等于所述幅度调制器(8)的频率，用于提取光电信号中宽带光源所产生的电信号；

功率测量模块(11)，根据来自所述低通滤波器(9)电信号计算光功率，依次测量和记录待测光波中不同频率的光波并储存光功率数据；

波长解调模块(12)，根据来自所述带通滤波器(10)，用于分析当前所测量的光波的频率。

2.根据权利要求1所述的宽带参考光源光频域游标法光谱仪，其特征在于：所述F-P标准具(3)和可调谐F-P干涉仪(2)之间设置有一光纤隔离器(13)，用于隔离反射光。

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