CN104864961B - 一种基于光纤阵列的多通道脉冲光谱测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤阵列的多通道脉冲光谱测量装置及方法，包括脉冲光源、光谱仪、可调距大芯径紫外光纤阵列、紫外石英光纤束、光电倍增管和示波器；脉冲光源经光谱仪分光后产生空间分布脉冲谱线，调整可调距大芯径紫外光纤阵列的每一路光纤阵列的间距使得对准脉冲谱线位置后，经过紫外石英光纤束传输到光电倍增管进行光电转换，经信号电缆传输到示波器获得脉冲光谱。本发明解决了现有的光谱测量装置无法直接测量的技术问题，本发明通过设计可调距大芯径紫外光纤阵列，实现了同时测量脉冲光源的3条不同波长的谱线，与光谱仪同时使用，可实现光谱测量跨度80nm，光谱测量范围为320～400nm。
Description
技术领域
本发明属于脉冲光谱测量方法，特别涉及一种基于光纤阵列的多通道高灵敏度脉冲光谱测量方法。
背景技术
光谱测量作为一种重要的光学分析方法，是光谱光度学的前提和基础，对于光源发光机理以及物质结构提供根本依据，在科学实验、生物、医学医药、工农业生产、国防、天文观测等领域得到广泛应用。
在高压脉冲放电装置中，通过脉冲光谱诊断可获得放电等离子体电子密度、电子温度等特性，是研究放电特性、控制放电等离子体性能以及改进放电装置的一项重要研究手段。特别是在介质阻挡放电中，介质的放电光谱存在一个或多个线谱，这些线谱强度较弱，而且诊断设备又处在极强脉冲放电磁场中，极易受到干扰，光谱诊断难度大。要求光谱仪必须可工作在脉冲状态，具有高灵敏度，抗电磁干扰能力，而且同时能测量多个波长。
光谱测量方法很多，中国专利：1737514,2006-02-22，光谱测量系统和方法[P]，纰漏通过单色仪测得待测物的反射光和透射光的混合光的光谱；中国专利：102087142A,2011-06-08，一种光谱测量方法[P]，纰漏通过卷积计算实现对各采样点的光谱测量；中国专利：103728021A,2014-04-16，一种基于电光效应的光谱测量装置及其光谱测量方法[P]，公开了一种基于电光效应的光谱测量装置，通过调制电光晶体获得不同频率入射光的光功率，然后对其计算获得入射光的光谱。上述发明均属于间接测量，无法实现在脉冲条件下多个光谱的直接测量。
发明内容
为了解决现有的光谱测量装置无法直接测量的技术问题，本发明提供一种基于光纤阵列的多通道脉冲光谱测量装置及方法，能够实现在脉冲光谱测量中，对多个波长进行同时测量。
本发明的解决方案为：
一种基于光纤阵列的多通道脉冲光谱测量装置，其特殊之处：包括脉冲光源1、光谱仪2、可调距大芯径紫外光纤阵列3、紫外石英光纤束4、光电倍增管5和示波器7；
所述的脉冲光源1经光谱仪2分光后产生空间分布脉冲谱线，调整可调距大芯径紫外光纤阵列3的每一路光纤阵列的间距使得对准脉冲谱线位置后，经过紫外石英光纤束4传输到光电倍增管5进行光电转换，经信号电缆6传输到示波器7获得脉冲光谱。
上述的可调距大芯径紫外光纤阵列3包括封装壳体31、多组大芯径紫外光纤阵列32、调距装置34以及光纤束总体封装36；
所述的封装壳体31的一端设置有入射窗口37，所述封装壳体31的另一端设置有出射窗口38；
所述的调距装置34与大芯径紫外光纤阵列32连接，用于调节相邻两组大芯径紫外光纤阵列32之间的间距使得与脉冲谱线位置对准；
多组大芯径紫外光纤阵列32设置在封装壳体31内且朝向入射窗口37，所述光纤束总体封装36的一端与多组大芯径紫外光纤阵列32的光纤头连接，所述光纤束总体封装36的另一端固定在封装壳体31上且通过出射窗口38，
所述紫外石英光纤束4的一端与出射窗口38连接，所述紫外石英光纤束4的另一端与光电倍增管5连接。
上述调距装置34包括至少两根横梁41以及设置在大芯径紫外光纤阵列32底部上的螺孔43，所述横梁41上设置有狭缝42，
螺栓44能够通过横梁41上的狭缝42和螺孔43紧固在大芯径紫外光纤阵列32上。
大芯径紫外光纤阵列32由多束多芯紫外石英光纤束33组成，所述多芯紫外石英光纤束33的芯数为3-10芯。
上述光电倍增管5采用高增益紫外灵敏光电倍增管，增益系数高达105。
大芯径紫外光纤阵列32的数量与脉冲谱线数量一致。
基于光纤阵列的多通道脉冲光谱测量方法，其特殊之处在于包括以下步骤：
1】将光谱仪2的进光狭缝对准脉冲光源1；
2】通过标定脉冲光源1的脉冲谱线位置确定脉冲谱线的间距，松开螺栓44，通过调距装置34调节大芯径紫外光纤阵列32的间距，使其与脉冲谱线的中心波长一一对应，拧紧螺栓44，固定大芯径紫外光纤阵列位置；
3】关闭光谱仪2出光狭缝，将紫外石英光纤束4分别接入光电倍增管5，并使用黑布遮光；
4】连接光电倍增管5的电源线，连接信号电缆6至示波器7，给光电倍增管缓慢加升电压，加到设定电压；
5】逐步开启狭缝，进行测量。
本发明所具有的优点：
1、本发明通过设计可调距大芯径紫外光纤阵列，实现了同时测量脉冲光源的3条不同波长的谱线，与光谱仪同时使用，可实现光谱测量跨度80nm，光谱测量范围为320～400nm。
2、光纤阵列通过调距装置固定，间距调节方便，操作简单，调节最小间距为1.4mm，结合光谱仪，其光谱分辨率小于1.5nm。
3、本发明同样适用于直流光源3条及以下谱线的同时测量，以及脉冲光谱3条及以下谱线的测量。
4、本发明使用的紫外石英光纤，可测量光谱范围可拓展为250～1100nm。
5、根据谱线的数量，可以通过改变光纤阵列的数量，使用本发明的设计同时测得待测谱线。
6、本发明实现光电探测分离，使高灵敏光电探测器避离放电磁场，具有高信噪比和抗干扰能力。
7、本发明通过设计一种可调距大芯径紫外光纤阵列，成功实现了对脉冲光源经过光谱仪分解的三条谱线的同时测量，而且实现光电探测分离，使高灵敏探测器远离放电装置，提高抗电磁干扰能力。
附图说明
图1为本发明基于光纤阵列的多通道高灵敏度脉冲光谱测量方法示意图；
图2为本发明可调距大芯径紫外光纤阵列示意图；
图3为调距装置结构示意图；
图4为调距装置结构示意图；
图1标记如下：1-脉冲光源，2-光谱仪，3-可调距大芯径紫外光纤阵列，4-紫外石英光纤束，5-光电倍增管，6-信号电缆，7-示波器，31-封装壳体，32-大芯径紫外光纤阵列，33-多芯紫外石英光纤束，34-调距装置，35-光纤束，36-光纤束总体封装，37-入射窗口，38-出射窗口，41-横梁，42-狭缝，43-螺孔，44-螺栓。
具体实施方式
下面结合图1对本发明进一步描述：
在三通道三色光谱仪系统中，脉冲光源1发出的光通过光谱仪2分解为3条不同波长的谱线，可调距大芯径紫外光纤阵列3放置在光谱仪2的出光口，3条谱线经过3条紫外石英光纤束4分别进入3个光电倍增管5进行光电信号转换，经过3条信号电缆6进入示波器7进行数据采集。
所描述的可调距大芯径紫外光纤阵列3如图2所示，多芯紫外石英光纤束33为7芯紫外石英光纤，芯径为400μm，波段范围为250～1100nm，长度为1m，7芯光纤无间距排列，通过调距装置34可对大芯径紫外光纤阵列32的间距进行调节，3路光纤束35汇集在光纤束总体封装36输出，并分别输出到3个光纤头上，光纤头使用FC接口。
此处脉冲光源来自高压脉冲介质阻挡放电装置，其中心波长391.4nm、380.5nm、371.1nm。
如图3、4所示调距装置的结构示意图，调距装置包括横梁41，横梁41固定在封装壳体31上，横梁41上有狭缝42，大芯径紫外光纤阵列32上有螺孔43，螺栓44经过横梁41的狭缝42紧固在大芯径紫外光纤阵列32上。当螺栓44松开时，大芯径紫外光纤阵列32可以来回滑动，当滑动至指定位置时，拧紧螺栓44，固定位置。
具体操作步骤为：
1】将光谱仪2的进光狭缝对准脉冲光源1；
2】通过标定脉冲光源1的脉冲谱线位置确定三条谱线391.4nm、380.5nm、371.1nm的间距，松开螺栓44，通过调距装置34调节可调距大芯径紫外光纤阵列3的间距，使其与中心波长一一对应，拧紧螺栓44，固定位置；
3】关闭光谱仪2出光狭缝，将紫外石英光纤束4分别接入光电倍增管5，并使用黑布遮光；
4】连接光电倍增管5的电源线，连接信号电缆6至示波器7，给光电倍增管缓慢加升电压，加到设定电压；
5】逐步开启狭缝，进行实验。
该发明已被用于三通道三色光谱仪系统的高压脉冲介质阻挡放电发光特性研究。
Claims (5)
1.一种基于光纤阵列的多通道脉冲光谱测量装置，其特征在于：包括脉冲光源(1)、光谱仪(2)、可调距大芯径紫外光纤阵列(3)、紫外石英光纤束(4)、光电倍增管(5)和示波器(7)；
所述的可调距大芯径紫外光纤阵列(3)包括封装壳体(31)、多组大芯径紫外光纤阵列(32)、调距装置(34)以及光纤束总体封装(36)；
所述调距装置(34)包括至少两根横梁(41)以及设置在大芯径紫外光纤阵列(32)底部上的螺孔(43)，所述横梁(41)上设置有狭缝(42)，
螺栓(44)能够通过横梁(41)上的狭缝(42)和螺孔(43)紧固在大芯径紫外光纤阵列(32)上；
所述的封装壳体(31)的一端设置有入射窗口(37)，所述封装壳体(31)的另一端设置有出射窗口(38)；
所述的调距装置(34)与大芯径紫外光纤阵列(32)连接，用于调节相邻两组大芯径紫外光纤阵列(32)之间的间距使得与脉冲谱线位置对准；
多组大芯径紫外光纤阵列(32)设置在封装壳体(31)内且朝向入射窗口(37)，所述光纤束总体封装(36)的一端与多组大芯径紫外光纤阵列(32)的光纤头连接，所述光纤束总体封装(36)的另一端固定在封装壳体(31)上且通过出射窗口(38)，
所述紫外石英光纤束(4)的一端与出射窗口(38)连接，所述紫外石英光纤束(4)的另一端与光电倍增管(5)连接；
所述的脉冲光源(1)经光谱仪(2)分光后产生空间分布脉冲谱线，调整可调距大芯径紫外光纤阵列(3)的每一路光纤阵列的间距使得对准脉冲谱线位置后，经过紫外石英光纤束(4)传输到光电倍增管(5)进行光电转换，经信号电缆(6)传输到示波器(7)获得脉冲光谱。
2.根据权利要求1所述的基于光纤阵列的多通道脉冲光谱测量装置，其特征在于：大芯径紫外光纤阵列(32)由多束多芯紫外石英光纤束(33)组成，所述多芯紫外石英光纤束(33)的芯数为3-10芯。
3.根据权利要求2所述的基于光纤阵列的多通道脉冲光谱测量装置，其特征在于：所述光电倍增管(5)采用高增益紫外灵敏光电倍增管，增益系数高达105。
4.根据权利要求1所述的基于光纤阵列的多通道脉冲光谱测量装置，其特征在于：大芯径紫外光纤阵列(32)的数量与脉冲谱线数量一致。
5.基于权利要求1-4任一项所述的基于光纤阵列的多通道脉冲光谱测量装置的光谱测量方法，其特征在于包括以下步骤：
1】将光谱仪(2)的进光狭缝对准脉冲光源(1)；
2】通过标定脉冲光源(1)的脉冲谱线位置确定脉冲谱线的间距，松开螺栓(44)，通过调距装置(34)调节大芯径紫外光纤阵列(32)的间距，使其与脉冲谱线的中心波长一一对应，拧紧螺栓(44)，固定大芯径紫外光纤阵列位置；
3】关闭光谱仪(2)出光狭缝，将紫外石英光纤束(4)分别接入光电倍增管(5)，并使用黑布遮光；
4】连接光电倍增管(5)的电源线，连接信号电缆(6)至示波器(7)，给光电倍增管缓慢加升电压，加到设定电压；
5】逐步开启狭缝，进行测量。
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