CN103852164B - 一种获取光源光谱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取光源光谱的方法，包括：通过利用多种已知波长的单色光源测量集成光波导电光调制器在不同波长下的半波电压，建立半波电压与波长的单调函数关系；把未知光源与同一集成光波导电光调制器光连接之后，测量集成光波导电光调制器随调制电压线性变化的干涉图谱，再对测得的干涉图谱进行傅里叶变换处理，得到入射光功率随半波电压的分布曲线，再利用已经建立的半波电压与波长的单调函数关系得出入射光功率随波长的分布曲线，由此获得未知光源的光谱。该方法无需确定集成光波导电光调制器的各种参数，操作简便、精确度高、抗干扰能力强，不仅能确定光源光谱，还可用于测量物质的可见-红外吸收光谱和荧光光谱。

Description

一种获取光源光谱的方法

技术领域

本发明属于光谱测量技术、集成光波导电光调制技术、离散傅立叶变换技术等技术领域，是涉及一种基于集成光波导电光调制技术获取光源光谱的方法。

背景技术

商业化傅里叶变换光谱仪具有较高的光谱分辨率和信噪比，在环境监测、食品安全检测、产品质量检测、防化反恐、生物医学、石油化工、空间探测、材料研发等众多领域有着广泛应用。但是，商业化的傅里叶变换光谱仪由分离光学元件构成，体积大，价格高，抗震性差，不适合携带和现场快速检测。为了满足现场实时光谱检测和在线提供光谱数据的现实需求，对微小型光谱仪的研发在国内外获得了高度重视。国际上研究较多的微小型傅里叶变换光谱仪是基于动镜迈克尔逊干涉仪系统的微型化，但这种微光谱仪仍由分离元件组成，仍然存在抗机械振动性差，性能易受环境温度、湿度、气压及气氛变化的干扰等问题。这些微小型傅立叶光谱仪目前仍停留于实验室制发阶段。

集成光波导电光调制器可用于制作微小型静态傅里叶变换光谱仪，这种光谱仪完全不同于传统的动镜迈克尔逊干涉仪结构的傅里叶变换光谱仪，具有不含运动部件，抗干扰能力强，光谱测试范围宽，适合携带和现场快速光谱检测等优点，显示出广阔的应用前景。但是，如何在不需要确定集成光波导电光调制器的波导结构参数和色散特性以及电极结构参数的情况下准确建立基于集成光波导电光调制技术的光谱确定方法，仍然是一个需要研究的问题，据我们所知，目前还未见相关报导。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明的目的是提出一种基于集成光波导电光调制技术获取光源光谱的方法。

为达成所述目的，本发明提供一种基于集成光波导电光调制技术的获取光源光谱的方法，所述获取光源光谱的方法包含以下步骤：

步骤1：将已知波长的单色光光源和光探测器分别与集成光波导电光调制器光输入端和光输出端进行光连接，将信号控制与处理模块分别与集成光波导电光调制器的调制电极和光探测器输出端电连接；

步骤2：通过信号控制与处理模块给集成光波导电光调制器施加调制电压，利用多种已知波长的单色光光源测量集成光波导电光调制器在不同波长下的半波电压V_π，建立半波电压V_π与波长λ的单调函数关系V_π＝f(λ)；

步骤3：用未知光源取代已知波长的单色光光源，利用信号控制与处理模块给集成光波导电光调制器施加随时间t线性变化的调制电压U＝S_p·t+U₀，并利用该信号控制与处理模块同步同频记录调制电压和光探测器输出信号，得到集成光波导电光调制器输出光强随调制电压变化的干涉图谱，其中，S_p为调制电压变化速率，U₀为初始调制电压；

步骤4：对测得的光探测器输出信号采样序列进行离散傅立叶变换，并根据公式：V_π＝(S_p·N)/(2·m·f_s)，得到半波电压-光功率谱图；其中，N为光探测器输出信号采样序列长度，m为采样序列中的某个采样点数，f_s为米样频率；

步骤5：利用已建立的半波电压与波长的单调函数关系V_π＝f(λ)，将半波电压-光功率谱图转化为波长-光功率谱图，获取未知光源的光谱。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：本发明通过利用多种已知波长的单色光光源测量集成光波导电光调制器在不同波长下的半波电压，建立半波电压与波长的单调函数关系；把未知光源与同一集成光波导电光调制器光连接之后，测量该集成光波导电光调制器随调制电压线性变化的干涉图谱，再对测得的干涉图谱进行傅里叶变换处理，得到入射光功率随半波电压的分布曲线，再利用已经建立的半波电压与波长的对应关系得出入射光功率随波长的分布曲线，由此获得未知光源的光谱。该方法无需确定集成光波导电光调制器的各种参数，操作简便、精确度高、抗干扰能力强，不仅能确定光源光谱，还可用于测量物质的可见-红外吸收光谱和荧光光谱。

1、本发明方法所使用的集成光波导电光调制器的制作工艺已经成熟，基于集成光波导电光调制技术的光谱确定方法实现成本较低。

2、本发明方法不需要测定集成光波导电光调制器的各种光学参数和几何参数就能够准确确定光源光谱，简单易行。

3、基于本发明方法制备的光谱仪体积小、重量轻、便于携带。

4、本发明方法，可实现实时连续光谱分析，在选取较高的调制电压频率时，可以实现很短的光谱分析间隔(＜0.1s)。

4、本发明方法不涉及可动部件，采用集成光波导马赫-曾德尔干涉仪结构，抗干扰能力强，保证了系统的稳定性。

5、本发明方法可确定的光谱范围宽(通常大于400nm)，通过选取不同工作波长的集成光波导电光调制器和对应响应范围的光探测器，可以对可见-红外区间的不同波长范围进行光谱分析

6、本发明方法简单灵活、实用性强，对待探测光信号容许光纤活动连接耦合或光束聚焦透镜耦合，不仅可以用于确定未知光源的光谱，还可用于测量物质的可见-红外吸收光谱和荧光光谱。

附图说明

图1为本发明实施例基于集成光波导电光调制技术获取光源光谱的方法流程图。

图2为本发明基于集成光波导电光调制技术获取光源光谱实施例的第一种装置结构示意图；

图3为本发明基于集成光波导电光调制技术获取光源光谱实施例的第二种装置结构示意图；

图4为本发明实施例将波长为1590nm的激光光源与集成光波导电光调制器光连接后测得的调制器输出光强在周期性三角波调制电压的驱动下随时间(即采样点数)的变化，图中虚线部分为选取的分析区域。

图5为本发明实施例利用不同波长的激光光源测得的集成光波导电光调制器半波电压与波长的依赖曲线。

图6为本发明实施例分别利用波长为1267.8nm和1653.7nm的两个激光光源测得的集成光波导电光调制器输出信号随调制电压从-60V线性变化至+60V所产生的干涉图谱。

图7为本发明实施例利用离散傅立叶变换方法对图6给出的两个干涉图谱分别进行数据处理并结合图5显示的调制电压与波长的依赖关系而得到的相应的波长-光功率谱。图中虚线指出两光谱的谱峰分别出现在1268.7nm和1654.3nm波长处，与所用激光光源的波长相吻合。

图中元件标号说明

1-光源；2-集成光波导电光调制器；

3-光探测器；4-信号控制与处理模块；

5-电源及后续设备；6-光纤；

7-电压函数发生器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图2或图3基于集成光波导电光调制技术的获取光源光谱装置，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，实施例以简化或是方便标示。附图2和图3中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

第一实施例：如图1本发明公开了一种基于集成光波导电光调制技术的光谱确定方法，并给出对两种红外激光器光谱的测量结果，证实了这种简单廉价的新方法的可靠性和精确性。如图2和图3示出基于集成光波导电光调制技术的获取光源光谱装置，所述包括：光源1、集成光波导电光调制器2、光探测器3、信号控制与处理模块4和光源及后续设备5，下面利用获取光源光谱装置对本发明获取光源光谱的方法作进一步描述，所述方法包括以下步骤：

步骤1：将已知波长的单色光光源1和光探测器3分别与集成光波导电光调制器2光输入端和光输出端进行光连接，将信号控制与处理模块4分别与集成光波导电光调制器2的调制电极和光探测器3输出端电连接；

步骤2：通过信号控制与处理模块4给集成光波导电光调制器2施加调制电压，利用多种已知波长的单色光光源1测量集成光波导电光调制器2在不同波长下的半波电压V_π，建立半波电压V_π与波长λ的单调函数关系V_π＝f(λ)；

步骤3：用未知光源取代已知波长的单色光光源1，利用信号控制与处理模块4给集成光波导电光调制器3施加随时间t线性变化的调制电压U＝S_p·t+U₀，并利用信号控制与处理模块4同步同频记录调制电压和光探测器3输出信号，得到集成光波导电光调制器2输出光强随调制电压变化的干涉图谱，其中，S_p为调制电压变化速率，U₀为初始调制电压；

步骤4：对测得的光探测器3输出信号采样序列进行离散傅立叶变换，并根据公式：V_π＝(S_p·N)/(2·m·f_s)，得到半波电压-光功率谱图；其中，N为光探测器3输出信号采样序列长度，m为采样序列中的某个采样点数，f_s为采样频率；

步骤5：利用已建立的半波电压与波长的单调函数关系V_π＝f(λ)，将半波电压-光功率谱图转化为波长-光功率谱图，获取未知光源的光谱。

其中，在建立集成光波导电光调制器2半波电压与波长的单调函数关系时所使用的已知波长单色光光源1不少于3个，这些光源1的发射光谱覆盖可见-近红外区间，而且每个光源1的谱线宽度小于1nm，确保在宽的光谱范围内准确建立集成光波导电光调制器2的半波电压与波长的单调函数关系。

其中，所述调制电压是随时间周期性变化的三角波电压，三角波电压上升沿和下降沿的线性度大于99.999，上升段或下降段的电压变化正负对称，三角波电压幅值低于集成光波导电光调制器2击穿电压。

其中，所述三角波调制电压也可以使用电压函数信号发生器7提供，在此情况下，电压函数信号发生器7的输出端不仅要与集成光波导电光调制器2电连接还要和信号控制与处理模块4电连接(图3示出)，以便由信号控制与处理模块同步同频记录调制电压和光探测器3输出信号。

其中，在利用已知波长单色光光源测量集成光波导电光调制器2半波电压时，集成光波导电光调制器2输出光强度在调制电压随时间的变化过程中产生至少一个周期的变化。

其中，利用线性函数、多项式函数、指数函数等函数中的一种函数关系式，对测得的集成光波导电光调制器2半波电压随波长的变化曲线进行最佳拟合，在给定的光谱区间内准确建立集成光波导电光调制器2半波电压与波长的单调函数关系V_π＝f(λ)。

其中，利用信号控制与处理模块4同步同频记录光探测器3输出信号和施加给集成光波导电光调制器2的调制电压时，信号控制与处理模块4的采样频率大于集成光波导电光调制器2输出光信号变化频率的2倍。

其中，在利用傅里叶变换方法对采集的光探测器3输出信号采样序列进行数据处理时，选取三角波调制电压的上升沿或下降沿所对应的光探测器3输出信号采样序列段作为分析区间进行离散傅里叶变换。

其中，所述光源光谱，包括各种发光体的发射光谱、溶液和气体的发射光谱。

在本发明的一个示例性实施例中，基于一种商业化集成光波导电光调制器2，在近红外区间，进行了光谱分析。如图1示出的是基于集成光波导电光调制器2的获取光源光谱的识别流程，该光谱分析按照以下流程进行：

步骤1：本示例中选用商业化集成光波导电光调制器2，采用1270nm，1310nm，1390nm，1450nm，1490nm，1550nm，1590nm，1653nm等已知波长的半导体激光器作为光源1，依次通过半导体激光器的光纤适配器与集成光波导电光调制器2光输入端尾纤相连接。集成光波导电光调制器2的输出光通过尾纤进入光探测器3，光源1的激光由半导体激光器所带的尾纤输出。光探测器3为InGaAs光探测器。

步骤2：使用信号控制与处理模块4一端口提供的周期性变化的三角波电压作为集成光波导电光调制器2的调制电压，所述调制电压幅度为-60V-60V，频率为10Hz，调制电压作用在集成光波导电光调制器2的调制电极上，再利用信号控制与处理模块4对光探测器3的输出电信号和调制电压以20000Hz的采样频率进行同步采样。集成光波导电光调制器2的输出光强可由光探测器3的输出电信号表示，设定调制电压的上升沿作为分析区域，从采样得到的输出光信号随调制电压变化的关系中(如图4所示已知波长为1590nm的激光器的出射光耦合进入集成光波导电光调制器2后，采样得到的集成光波导电光调制器2输出光强随调制电压的变化，图中虚线部分为选取的分析区域)，得到相应单色光波长下集成光波导电光调制器2的半波电压。

步骤3：依次测量步骤1中的8种激光器1单波长下对应的集成光波导电光调制器2的半波电压，对这8组半波电压和对应的波长采用最小二乘多项式拟合曲线(如图5所示)，建立半波电压V_π(V)与波长λ(μm)的单调函数关系：

V_π(λ)＝2.34052·λ⁴-9.15599·λ³+12.34434·λ²-2.19734·λ

步骤4：为了验证本专利方法的准确性，对两种激光器1的出射光进行光谱分析。将波长分别为1267.8nm和1653.7nm的激光器1(尾纤输出)通过光纤活动连接器与集成光波导电光调制器2光输入端尾纤相连接。集成光波导电光调制器2的输出光通过尾纤进入InGaAs光探测器3。

步骤5：重复步骤2，在集成光波导电光调制器2调制电极上施加周期变化的三角波调制电压(幅度为-60V-60V，频率为10Hz)，信号控制与处理模块4以20000Hz的采样频率对光探测器3的输出电信号和调制电压同步采样。在调制电压的上升沿区域，分别得到两种待探测波长下，集成光波导电光调制器2的输出光信号随调制电压变化的干涉图谱如图6所示，所述两种待测波长为1267.8nm/1653.7nm下，集成光波导电光调制器2的调制电极上施加的随时间线性变化的调制电压，和随调制电压变化的集成光波导电光调制器2输出光强干涉图谱。

步骤6：由信号控制与处理模块4对步骤5中得到的两种干涉图谱采样序列分别进行离散傅立叶变换(补零至200000点以提高计算精度)，由于干涉图谱的有限长度，傅立叶变换后的存在谱线展宽和旁瓣，可以通过对干涉图谱的采样序列进行加窗滤波，以抑制旁瓣。根据公式V_π＝(S_p·N)/(2·m·f_s)，对离散傅立叶变换后的序列赋予物理意义，将其转化为半波电压-光功率谱图。

步骤7：根据步骤3中建立的半波电压与波长一一对应的单调函数关系，将步骤6中的半波电压-光功率谱图转换成为波长-光功率谱图，如图7所示，由两种待测波长为1267.8nm/1653.7nm下的半波电压-光功率谱图得到的波长-光功率谱图，图中虚线分别表示两种波长下的光谱谱峰，实现对未知光信号的光谱确定功能。可以看出，光谱谱峰分别出现在1268.7nm和1654.3nm波长处，与所用激光光源波长吻合得非常好，说明了本专利方法能够很准确地对未知光谱进行分析。

基于以上具体实施例所得的结果可推知，本发明方法除了能够对未知光源的发射光谱进行测试分析外，还可用于测量物质的可见-红外吸收光谱。测量时，首先把一宽带光源与集成光波导电光调制器2光输入端进行光连接，然后依次执行图1所述的步骤1至步骤5，用以获取宽带光源光谱I₀(λ)。之后将被测物质置于宽带光源1与集成光波导电光调制器2连接的光路上，再次执行步骤3至步骤5，用以获取宽带光源1发出的光穿过被测物质后的光谱I(λ)，然后按照公式A(λ)＝-log[I(λ)/I₀(λ)]求得被测物质的吸收光谱A(λ)。

这种基于集成光波导电光调制器的光谱确定方法，与传统的光谱确定方法相比，操作简单，成本较低，易于携带，可实现实时连续测量，测量范围广，具有可靠性强和精度高的优点。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

与本发明现有技术提出的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪和基于集成光波导的衰减全反射测量式傅里叶光谱仪相比，本发明提出的一种基于集成光波导电光调制技术的光谱确定方法，是先建立集成光波导电光调制器的半波电压与波长的单调函数关系，然后从离散傅立叶变换得到的半波电压-光功率谱图，得到波长-光功率谱图，实现了光谱确定；这种方法普遍适用于具有基于电光效应材料的光波导马赫-曾德尔干涉仪结构的电光调制器件，无需确定器件的具体结构参数。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种获取光源光谱的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：将已知波长的单色光光源和光探测器分别与集成光波导电光调制器光输入端和光输出端进行光连接，将信号控制与处理模块分别与集成光波导电光调制器的调制电极和光探测器输出端电连接；

步骤2：通过信号控制与处理模块给集成光波导电光调制器施加调制电压，利用多种已知波长的单色光光源测量集成光波导电光调制器在不同波长下的半波电压V_π，建立半波电压V_π与波长λ的单调函数关系V_π＝f(λ)；

步骤3：用未知光源取代已知波长的单色光光源，利用信号控制与处理模块给集成光波导电光调制器施加随时间t线性变化的调制电压U＝S_p·t+U₀，并利用该信号控制与处理模块同步同频记录调制电压和光探测器输出信号，得到集成光波导电光调制器输出光强随调制电压变化的干涉图谱，其中，S_p为调制电压变化速率，U₀为初始调制电压；

步骤4：对测得的光探测器输出信号采样序列进行离散傅立叶变换，并根据公式：V_π＝(S_p·N)/(2·m·f_s)，得到半波电压-光功率谱图；其中，N为光探测器输出信号采样序列长度，m为采样序列中的某个采样点数，f_s为采样频率；

步骤5：利用已建立的半波电压与波长的单调函数关系V_π＝f(λ)，将半波电压-光功率谱图转化为波长-光功率谱图，获取未知光源的光谱。

2.如权利要求1所述获取光源光谱的方法，其特征在于，在建立集成光波导电光调制器半波电压与波长的单调函数关系时所使用的已知波长单色光光源不少于3个，这些光源的发射光谱覆盖可见-近红外区间，而且每个光源的谱线宽度小于1nm，确保在宽的光谱范围内准确建立集成光波导电光调制器半波电压与波长的单调函数关系。

3.如权利要求1所述获取光源光谱的方法，其特征在于，所述调制电压是随时间周期性变化的三角波电压，三角波电压上升沿和下降沿的线性度大于99.999，上升段或下降段的电压变化正负对称，三角波电压幅值低于集成光波导电光调制器击穿电压。

4.如权利要求3所述获取光源光谱的方法，其特征在于，使用电压函数信号发生器提供所述三角波调制电压，在此情况下，电压函数信号发生器输出端不仅要与集成光波导电光调制器电连接还要和信号控制与处理模块电连接，以便由信号控制与处理模块同步同频记录调制电压和光探测器输出信号。

5.如权利要求2所述获取光源光谱的方法，其特征在于，在利用已知波长单色光光源测量集成光波导电光调制器半波电压时，集成光波导电光调制器输出光强度在调制电压随时间的变化过程中产生至少一个周期的变化。

6.如权利要求1、2和5中任一项所述获取光源光谱的方法，其特征在于，利用线性函数、多项式函数、指数函数中的一种函数关系式，对测得的集成光波导电光调制器半波电压随波长的变化曲线进行最佳拟合，在给定的光谱区间内准确建立集成光波导电光调制器半波电压与波长的单调函数关系V_π＝f(λ)。

7.如权利要求1所述获取光源光谱的方法，其特征在于，利用信号控制与处理模块同步同频记录光探测器输出信号和施加给集成光波导电光调制器的调制电压时，信号控制与处理模块的采样频率大于集成光波导电光调制器输出光信号变化频率的2倍。

8.如权利要求7所述获取光源光谱的方法，其特征在于，在利用傅里叶变换方法对采集的光探测器输出信号采样序列进行数据处理时，选取三角波调制电压的上升沿或下降沿所对应的光探测器输出信号采样序列段作为分析区间进行离散傅里叶变换。

9.如权利要求1所述获取光源光谱的方法，其特征在于，所述光源光谱，包括各种发光体的发射光谱、溶液和气体的发射光谱。

10.如权利要求1所述获取光源光谱的方法，其特征在于，该方法，用于测量物质的可见-红外吸收光谱的步骤是：首先把一宽带光源与集成光波导电光调制器光输入端进行光连接，然后依次执行权利要求1所述的步骤1至步骤5，用以获取宽带光源光谱I₀(λ)；之后将被测物质置于宽带光源与集成光波导电光调制器连接的光路上，再次执行步骤3至步骤5，用以获取宽带光源发出的光穿过被测物质后的光谱I(λ)，然后按照公式A(λ)＝-log[I(λ)/I₀(λ)]求得被测物质的吸收光谱A(λ)。