CN104729710B - 一种基于硅基液晶的光谱分析仪及其实现方法 - Google Patents

一种基于硅基液晶的光谱分析仪及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于硅基液晶的光谱分析仪及其实现方法，该实现方法包括以下步骤：光束经准直器阵列准直后，由偏振转换单元转换为同一偏振态的偏振光，再经扩束单元扩束后，输出X方向偏振光投射在衍射光栅上产生相应的衍射光；通过控制单元改变硅基液晶的相位，使衍射光投射在硅基液晶的不同位置上；硅基液晶反射回的衍射光经汇聚单元汇聚后再次投射在衍射光栅上；衍射光栅返回的衍射光穿过扩束单元并由准直器阵列输出；利用光电探测器接收由准直器阵列输出的光束并记录光强度。本发明，利用硅基液晶进行光谱分析，谱线分布均匀且光谱分析不受外界震动影响。

Description

一种基于硅基液晶的光谱分析仪及其实现方法
技术领域
本发明涉及光通信领域，具体涉及一种基于硅基液晶的光谱分析仪及其实现方法。
背景技术
光谱分析仪是一种常用的对光信号进行频谱分析的仪器，具有光信号采集、色散、成像等几大功能。光谱分析仪的分析原理是将光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品的蒸汽中待测元素的基态原子所吸收，由发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量。
发射光谱分析的过程为：把试样在能量的作用下蒸发、原子化，并使气态原子的外层电子激发至高能态，当从较高的能级跃迁到较低的能级时，原子将释放出多余的能量而发射出特征谱线，这一过程称为蒸发、原子化和激发，需借助于激发光源来实现；把原子所产生的辐射进行色散分光，按波长顺序记录在感光板上，就可呈现出有规则的光谱线条，即光谱图，系借助于摄谱仪器的分光和检测装置来实现；根据所得光谱图进行定性鉴定或定量分析，由于不用元素的原子结构不同，当被激发后发射光谱线的波长不尽相同，即每种元素都有特征的波长，故根据这些元素的特征光谱就可以准确无误的鉴别元素的存在，而这些光谱线的强度与试样中该元素的含量有关，因此还可利用这些谱线的强度来测定元素的含量。
目前市场上的大多数光谱分析仪的原理都是利用机械转动衍射光栅来分光和进行光谱分析，但是射到衍射光栅上的光束将按照波长的不同进行色散，长波部分的谱线很密集且占据谱图的少部分，短波部分的谱线占据大部分谱图，使得谱线分布不均匀，同时，在机械转动过程中，光谱分析容易受到外界震动的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决现有的光谱分析仪利用机械转动衍射光栅来分光和进行光谱分析，使得谱线分布不均匀和光谱分析容易受到外界震动影响的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于硅基液晶的光谱分析仪，包括：准直器阵列、偏振转换单元、衍射光栅、光电探测器和控制单元，还包括硅基液晶，
光束经所述准直器阵列准直后，由所述偏振转换单元转换为同一偏振态的偏振光，再经扩束单元扩束后，输出X方向偏振光投射在所述衍射光栅上产生相应的衍射光；所述硅基液晶通过所述控制单元相位改变，并使所述衍射光投射在所述硅基液晶的不同位置上，所述硅基液晶反射回的衍射光经汇聚单元汇聚后再次投射在所述衍射光栅上，并穿过所述扩束单元由所述准直器阵列输出，所述光电探测器接收由所述准直器阵列输出的光束并记录光强度。
在上述技术方案中，所述扩束单元由X方向第一柱透镜和X方向第二柱透镜在光路上串联组成。
在上述技术方案中，所述汇聚单元由Y方向柱透镜和X方向第三柱透镜汇聚在光路上串联组成。
本发明还提供了一种光谱分析仪的实现方法，包括以下步骤：
步骤101：光束经所述准直器阵列准直后，由所述偏振转换单元转换为同一偏振态的偏振光，再经扩束单元扩束后，输出X方向偏振光投射在所述衍射光栅上产生相应的衍射光；
步骤102：通过所述控制单元改变所述硅基液晶的相位，使所述衍射光投射在所述硅基液晶的不同位置上；
步骤103：所述硅基液晶反射回的衍射光经汇聚单元汇聚后再次投射在所述衍射光栅上；
步骤104：所述衍射光栅返回的衍射光穿过所述扩束单元并由所述准直器阵列输出；
步骤105：利用所述光电探测器接收由所述准直器阵列输出的光束并记录光强度
在上述技术方案中，所述扩束单元由X方向第一柱透镜和X方向第二柱透镜在光路上串联组成。
在上述技术方案中，所述汇聚单元由Y方向柱透镜和X方向第三柱透镜汇聚在光路上串联组成。
本发明，光束经准直器阵列、偏振转换单元、扩束单元后投射在衍射光栅上产生相应的衍射光，通过控制单元改变硅基液晶的相位，使衍射光投射在硅基液晶的不同位置上，硅基液晶反射回的衍射光经汇聚单元再次投射在衍射光栅上，返回的衍射光穿过扩束单元由准直器阵列输出，光电探测器输出光束并记录光强度，该方案利用硅基液晶进行光谱分析，谱线分布均匀且光谱分析不受外界震动影响。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于硅基液晶的光谱分析仪的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种光谱分析仪的实现方法流程图；
图3为本发明实施例提供的硅基液晶上的光斑形状示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于硅基液晶的光谱分析仪的具体工作过程图；
图5为本发明实施例提供的另一种基于硅基液晶的光谱分析仪的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细的说明。
本发明实施例提供了一种基于硅基液晶的光谱分析仪，如图1所示，包括：准直器阵列101、偏振转换单元102、衍射光栅105、光电探测器110和控制单元109，还包括硅基液晶108。
光束经准直器阵列101准直后，由偏振转换单元102转换为同一偏振态的偏振光，再经扩束单元扩束后，输出X方向偏振光投射在衍射光栅105上产生相应的衍射光；硅基液晶108通过控制单元109相位改变，并使衍射光投射在硅基液晶108的不同位置上，硅基液晶108反射回的衍射光经汇聚单元汇聚后再次投射在衍射光栅105上，并穿过扩束单元由准直器阵列101输出，光电探测器110接收由准直器阵列101输出的光束并记录光强度。
其中，扩束单元由X方向第一柱透镜103和X方向第二柱透镜104在光路上串联组成，汇聚单元由Y方向柱透镜106和X方向第三柱透镜107汇聚在光路上串联组成。
本发明实施例还提供了一种光谱分析仪的实现方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤101、光束经准直器阵列101准直后，由偏振转换单元102转换为同一偏振态的偏振光，再经扩束单元扩束后，输出X方向偏振光投射在衍射光栅105上产生相应的衍射光。
扩束单元由X方向第一柱透镜103和X方向第二柱透镜104在光路上串联组成，该扩束单元使X方向偏振光投射在衍射光栅105上产生的衍射光光斑足够大，以达到提高衍射光栅105衍射效率的目的。
步骤102、通过控制单元109改变硅基液晶108的相位，使衍射光投射在硅基液晶108的不同位置上。
衍射光投射在硅基液晶108上的光斑形状如图3所示，为一束束长条形光斑。
步骤103、硅基液晶108反射回的衍射光经汇聚单元汇聚后再次投射在衍射光栅105上。
汇聚单元由Y方向柱透镜106和X方向第三柱透镜107汇聚在光路上串联组成。
步骤104、衍射光栅105返回的衍射光穿过扩束单元并由准直器阵列101输出。
步骤105、利用光电探测器110接收由准直器阵列101输出的光束并记录光强度。
基于LCOS(Liquid Crystal On Silicon，硅基液晶)的光谱分析仪的具体工作过程如图4所示，在t1时刻利用控制单元109改变硅基液晶108的相位，使其只偏转一个波长的光束，例如波长为1530nm的光束，硅基液晶108反射回的光束经汇聚单元汇聚后再次投射在衍射光栅105上，衍射光栅105返回的衍射光穿过扩束单元并由准直器阵列101输出，光电探测器110接收输出的光束并记录其光强度P1；在t2时刻利用控制单元109改变硅基液晶108的相位，使其只偏转一个波长的光束，例如波长为1530.05nm的光束，硅基液晶108反射回的光束经汇聚单元汇聚后再次投射在衍射光栅105上，衍射光栅105返回的衍射光穿过扩束单元并由准直器阵列101输出，光电探测器110接收输出的光束并记录其光强度P2；以此方式继续利用控制单元109改变硅基液晶108的相位，使其它波长的光束发生偏转，持续扫描，即可得到连续的光谱分析图，如图4所示的1530nm到1570nm波长的光谱分析图。
本发明，光束经准直器阵列、偏振转换单元、扩束单元后投射在衍射光栅上产生相应的衍射光，通过控制单元改变硅基液晶的相位，使衍射光投射在硅基液晶的不同位置上，硅基液晶反射回的衍射光经汇聚单元再次投射在衍射光栅上，返回的衍射光穿过扩束单元由准直器阵列输出，光电探测器输出光束并记录光强度，该方案利用硅基液晶进行光谱分析，谱线分布均匀且光谱分析不受外界震动影响。
本发明实施例还提供了一种基于硅基液晶的光谱分析仪，如图5所示，其工作原理与图1类似，区别在于图5使用单光纤准直器接收入射光束，使用环形器接收出射光束，其具体工作过程此处不再赘述。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于硅基液晶的光谱分析仪，包括：准直器阵列、偏振转换单元、衍射光栅、光电探测器和控制单元，其特征在于，还包括硅基液晶，
光束经所述准直器阵列准直后，由所述偏振转换单元转换为同一偏振态的偏振光，再经扩束单元扩束后，输出X方向偏振光投射在所述衍射光栅上产生相应的衍射光；所述硅基液晶通过所述控制单元相位改变，每次只偏转一个波长的所述衍射光，并使所述衍射光投射在所述硅基液晶的不同位置上，所述硅基液晶反射回的衍射光经汇聚单元汇聚后再次投射在所述衍射光栅上，并穿过所述扩束单元由所述准直器阵列输出，所述光电探测器接收由所述准直器阵列输出的光束并记录光强度。
2.如权利要求1所述的一种基于硅基液晶的光谱分析仪，其特征在于，所述扩束单元由X方向第一柱透镜和X方向第二柱透镜在光路上串联组成。
3.如权利要求1所述的一种基于硅基液晶的光谱分析仪，其特征在于，所述汇聚单元由Y方向柱透镜和X方向第三柱透镜汇聚在光路上串联组成。
4.一种光谱分析仪的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤101：光束经准直器阵列准直后，由偏振转换单元转换为同一偏振态的偏振光，再经扩束单元扩束后，输出X方向偏振光投射在衍射光栅上产生相应的衍射光；
步骤102：通过控制单元改变硅基液晶的相位，使其每次只偏转一个波长的所述衍射光，使所述衍射光投射在所述硅基液晶的不同位置上；
步骤103：所述硅基液晶反射回的衍射光经汇聚单元汇聚后再次投射在所述衍射光栅上；
步骤104：所述衍射光栅返回的衍射光穿过所述扩束单元并由所述准直器阵列输出；
步骤105：利用光电探测器接收由所述准直器阵列输出的光束并记录光强度。
5.如权利要求4所述的实现方法，其特征在于，所述扩束单元由X方向第一柱透镜和X方向第二柱透镜在光路上串联组成。
6.如权利要求4所述的实现方法，其特征在于，所述汇聚单元由Y方向柱透镜和X方向第三柱透镜汇聚在光路上串联组成。
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