CN102759407B - 一种利用光纤干涉仪精密测量宽谱光源平均波长的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光纤干涉仪精密测量宽谱光源平均波长的方法。测量所用光纤干涉仪为赛格奈克光纤干涉仪，将光纤干涉仪固定安装在转台上，以波长为λ₁的He-Ne激光器输出作为光纤干涉仪的光源，转台转速设定±1000°/s，采集光纤干涉仪输出；然后将光纤干涉仪的光源替换为待测宽谱光源，再次采集转台转速为±1000°/s下的光纤干涉仪输出，由两次测试所得的数据计算待测宽谱光源的平均波长λ₂。利用精度为1°/h，最大输入角速度±1000°/s的赛格奈克光纤干涉仪和波长稳定性优于1ppm的He-Ne激光器，宽谱光源平均波长的测试精度可达1ppm以下。该测试方法无复杂的机械部件和光学镜头，测试过程简单可靠，测试精度高。

Description

一种利用光纤干涉仪精密测量宽谱光源平均波长的方法

技术领域

本发明涉及一种光源波长的测量方法，尤其是涉及一种利用光纤干涉仪精密测量宽谱光源平均波长的方法。

背景技术

宽谱光源由于具有输出光谱宽、功率大、发散角较小的特点，在医学、生物、信息、测量、军事等领域得到了广泛应用，如光纤陀螺、光时域反射仪、局域网、光学相干层析成像、光波分复用系统以及光处理技术。

以光学相干层析成像技术为例，它是根据生物组织不同部位之间对红外或近红外光的吸收量存在差异的原理而实现的一种图像重现方法，光源为红外或者近红外宽谱光。

而在宽谱光源应用最多的光纤陀螺中，宽谱光源能一定程度上消除偏振效应、Kerr效应以及背向散射和反射带来的非互易相位误差，从而提高光纤陀螺的精度。同时宽谱光源的平均波长与光纤陀螺的标度因数成比例关系，因此准确测量宽谱光源的平均波长对于提高光纤陀螺的测量精度由重要意义。

目前测量光波长的仪器主要有波长计和光谱仪，波长计主要用来测量窄谱光的波长，窄谱是指谱宽小于5nm。由于宽谱光的谱宽远大于5nm，空间相干性差，现有波长计无法精确测量宽谱光平均波长。宽谱光源平均波长的测量一般采用用光谱仪实现，目前光谱仪测量宽谱光源平均波长精度最高达到0.01nm即10ppm左右，而在一些对宽谱光源波长测量提出高精度要求的场合，例如高精度光纤陀螺的波长测量精度需在1ppm左右，现有光谱仪测量难以满足。

赛格奈克光纤干涉仪是一种角速率测量仪，当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转角速率的赛格奈克相位差，通过检测该相位差，可推算得到环形干涉仪所在系统的角速率。赛格奈克相移φ_s和系统旋转速率Ω的关系如下：

${\mathrm{\φ}}_s=\frac{2\mathrm{\πLD}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}c}\mathrm{\Ω}=K_{\mathrm{SF}}\mathrm{\Ω}---\left(1\right)$

式中：

为赛格奈克光纤干涉仪所用光源的平均波长，c为真空中光速，L、D分别为光纤环长度和直径；

为赛格奈克光纤干涉仪的标度因数。从式（1）中可以看出，赛格奈克光纤干涉仪的标度因数与线圈的等效面积和光源的波长有关，由于石英的热膨胀，线圈的面积有一个小于1ppm/℃的典型变化，在实际操作时，通过稳定光纤线圈的温度，可以消除L、D对光纤干涉仪标度因数的影响。而此时波长的影响则相对更为显著。将赛格奈克光纤干涉仪固定在转台上，转台以一定角速度启动，赛格奈克光纤干涉仪输出的数字量与标度因数呈线性关系，利用标度因数K_SF和光源平均波长的关系，可以计算解得赛格奈克光纤干涉仪所用光源的平均波长。

发明内容

针对宽谱光源的平均波长的精密测量，本发明的目的在于提供一种利用光纤干涉仪精密测量宽谱光源平均波长的方法，利用赛格奈克光纤干涉仪结合速率转台进行测量，该方法相对于传统测试方法，具有操作简单可靠，测试过程简单，测试精度高的特点。

本发明采用的技术方案的步骤如下：

（1）将赛格奈克光纤干涉仪固定安装在转台台面上，赛格奈克光纤干涉仪的敏感轴与转台旋转轴平行；

（2）以波长为λ₁的He-Ne激光器光源的输出光波I₁作为赛格奈克光纤干涉仪的光源，设定转台以1000°/s启动，记录转台转动N圈的赛格奈克光纤干涉仪输出累加和K₁₀₀₀；

（3）保持赛格奈克光纤干涉仪的光源为He-Ne激光器的输出光波I₁不变，设定转台以-1000°/s启动，记录转台转动N圈的赛格奈克光纤干涉仪输出累加和K_-1000；

（4）将赛格奈克光纤干涉仪的光源换成待测宽谱光源的输出光波I₂，设定转台以1000°/s启动，记录转台转动N圈的赛格奈克光纤干涉仪输出累加和K’₁₀₀₀；

（5）保持赛格奈克光纤干涉仪的光源为待测宽谱光源的输出光波I₂不变，设定转台以-1000°/s启动，记录转台转动N圈的赛格奈克光纤干涉仪输出累加和K’_-1000；

（6）计算待测宽谱光源输出光波I₂的平均波长

步骤（2）、（3）、（4）和（5）中的转台转动圈数N均相同。

所述的He-Ne激光器光源的输出光波I₁的波长λ₁为632.800nm，波长稳定性优于1ppm。

所述的待测宽谱光源输出光波I₂的平均波长

计算方法如下：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_2={\mathrm{\λ}}_1(K_{1000}-K_{-1000})/(K_{1000}^{\′}-K_{-1000}^{\′})---\left(2\right)$

本发明具有的有益效果是：

本发明首次提出了利用赛格奈克光纤干涉仪结合速率转台测量宽谱光源平均波长的方法，该方法相对于传统测试方法，无复杂的机械部件和光学镜头，具有测试过程简单可靠，测试精度高的特点。

采用精度为1°/h，最大测量角速度1000°/s的赛格奈克光纤干涉仪，波长的测量精度达到0.8ppm，满足实际需求。

附图说明

图1是He-Ne激光器光源作为赛格奈克光纤干涉仪光源的示意图。

图2是待测宽谱光源作为赛格奈克光纤干涉仪光源的示意图。

图中：1、He-Ne激光器光源，2、待测宽谱光源，3、光电探测器，4、光纤耦合器，5、相位调制器，6、信号处理模块，7、光纤环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是He-Ne激光器光源作为赛格奈克光纤干涉仪光源的示意图，其中He-Ne激光器光源1、光电探测器3、光纤耦合器4、相位调制器5，信号处理模块6，光纤环7。图2为待测宽谱光源作为赛格奈克光纤干涉仪光源的示意图，将He-Ne激光器光源1替换为待测宽谱光源2。

测试时步骤如下：

（1）将赛格奈克光纤干涉仪固定安装在转台台面上，赛格奈克光纤干涉仪的敏感轴与转台旋转轴平行；

（2）以波长为λ₁的He-Ne激光器光源1的输出光波I₁作为赛格奈克光纤干涉仪的光源，设定转台以1000°/s启动，记录转台转动100圈的赛格奈克光纤干涉仪输出累加和K₁₀₀₀；

（3）保持赛格奈克光纤干涉仪的光源为He-Ne激光器光源1的输出光波I₁不变，设定转台以-1000°/s启动，记录转台转动100圈的赛格奈克光纤干涉仪输出累加和K_-1000；

（4）将赛格奈克光纤干涉仪的光源换成待测宽谱光源2的输出光波I₂，设定转台以1000°/s启动，记录转台转动100圈的赛格奈克光纤干涉仪输出累加和K’₁₀₀₀；

（5）保持赛格奈克光纤干涉仪的光源为待测宽谱光源2的输出光波I₂不变，设定转台以-1000°/s启动，记录转台转动100圈的赛格奈克光纤干涉仪输出累加和K’_-1000；

（6）计算待测宽谱光源2输出光波I₂的平均波长

其中，He-Ne激光器光源1和待测宽谱光源2是赛格奈克光纤干涉仪的两个可选光源，进行步骤（2）和步骤（3）时，He-Ne激光器光源1的尾纤接入光纤耦合器4；进行步骤（4）和步骤（5）时，待测宽谱光源2的尾纤接入光纤耦合器4。

所述的待测宽谱光源2输出光波I₂的平均波长

计算方法如下：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_2={\mathrm{\λ}}_1(K_{1000}-K_{-1000})/(K_{1000}^{\′}-K_{-1000}^{\′})$

令式中K₁₀₀₀-K_-1000=K₁，K′₁₀₀₀-K′_-1000＝K₂，

利用非线性函数的误差传递函数求解的测量误差

如下：

$m{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_2=\±\sqrt{{\left(\frac{K_1}{K_2}m{\mathrm{\λ}}_1\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{K_2}m{K}_1\right)}^2+{(-\frac{K_1{\mathrm{\λ}}_1}{K_2^2}m{K}_2)}^2}$

He-Ne激光器光源1的输出光波I₁的波长λ₁为632.800nm，波长稳定性优于1ppm，赛格奈克光纤干涉仪的指标为精度1°/h，最大测量角速度1000°/s，以测量1310nm波段的宽谱光源为例，式中mK₁/K₂≈0.5×10^-6，mK₂/K₂≈0.25×10^-6，K₁/K₂≈2，宽谱光源平均波长的测量误差

即宽谱光源的平均波长的测量精度达到了0.8ppm，满足实际需求。

Claims (2)

1.一种利用光纤干涉仪精密测量宽谱光源平均波长的方法，其特征在该方法的步骤如下：

（1）将赛格奈克光纤干涉仪固定安装在转台台面上，赛格奈克光纤干涉仪的敏感轴与转台旋转轴平行；

（2）以波长为λ₁的He-Ne激光器光源的输出光波I₁作为赛格奈克光纤干涉仪的光源，设定转台以1000°/s启动，记录转台转动N圈的赛格奈克光纤干涉仪输出累加和K₁₀₀₀；

（3）保持赛格奈克光纤干涉仪的光源为He-Ne激光器的输出光波I₁不变，设定转台以-1000°/s启动，记录转台转动N圈的赛格奈克光纤干涉仪输出累加和K_-1000；

（4）将赛格奈克光纤干涉仪的光源换成待测宽谱光源的输出光波I₂，设定转台以1000°/s启动，记录转台转动N圈的赛格奈克光纤干涉仪输出累加和K’₁₀₀₀；

（5）保持赛格奈克光纤干涉仪的光源为待测宽谱光源的输出光波I₂不变，设定转台以-1000°/s启动，记录转台转动N圈的赛格奈克光纤干涉仪输出累加和K’_-1000；

（6）计算待测宽谱光源输出光波I₂的平均波长

计算方法如下：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_2={\mathrm{\λ}}_1(K_{1000}-K_{-1000})/(K_{1000}^{\′}-K_{-1000}^{\′});$

步骤（2）、（3）、（4）和（5）中的转台转动圈数N均相同。

2.根据权利要求1所述的利用光纤干涉仪精密测量宽谱光源平均波长的方法，其特征在于：所述的He-Ne激光器光源的输出光波I₁的波长λ₁为632.800nm，波长稳定性优于1ppm。

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