CN105841825B - 一种基于硅基液晶的波长分辨监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硅基液晶的波长分辨监测方法。基于硅基液晶在同样的偏置电压下，对不同波长入射光有不同的相位调制的特性，对在硅基液晶波长工作范围内的光信号实现分析与监测，并能在入射光波长未知的条件下，对该波长进行测量，并能随着相位调制精度的提高，提高波长的分辨精度。本发明元件少，系统结构简单紧凑，对光路的准直要求不高，无需苛刻光路的耦合与复杂操作就能进行波长的分辨，并且有着与入射光偏振态无关的特性，在分辨出波长的同时，还能对入射光束的偏振态进行测量，适用范围更广。
Description
技术领域
本发明属于波长分辨与监测技术领域，更具体地，涉及一种基于硅基液晶的波长分辨监测方法，能根据所使用的硅基液晶的工作波段(可见光波段420～650nm，近红外光波段650～1100nm，以及通信波段1400～1700nm等)，对硅基液晶工作波段下的光信号进行波长分辨及监测。
背景技术
波长是光的基本特征之一，而波长分辨技术在许多场合下有很重要的应用。在气象学领域，根据雾与霾对可见光不一样的散射和吸收性质，通过分辨出具体波长，能将雾和霾进行区分；在生物科学领域，通常需要检测物体反射光的波长大小来确定具体波长，分析物质成分；在光纤通信领域，通过具体的波长分析，在波长复用装置中，能识别发生故障波长的具体位置。在光通信领域，波长分析和监测的应用越来越广泛。传统的测量、分析波长的方法包括使用牛顿环法，双缝衍射法，体光栅等进行测量。然而这些方法对光路的准直要求较高，并且都需要通过手动或是机械控制，每测量一个波长都要进行一次调整，步骤繁琐，测试时间长，同时装置结构复杂，价格昂贵。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于硅基液晶的波长分辨监测方法，基于硅基液晶在同样的偏置电压下，对不同波长入射光有不同的相位调制的特性，对在硅基液晶波长工作范围内的光信号实现分析与监测，并能在入射光波长未知的条件下，对该波长进行测量。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于硅基液晶的波长分辨监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用硅基液晶接收波长在其工作波长范围内的已知信号光；
(2)在硅基液晶的输出光路上设置检偏器，探测由检偏器输出的光信号强度I；
(3)调整硅基液晶的相位调制值γ，使其在0到2π范围内变化，得到多组与γ对应的光信号强度；
(4)根据这多组与γ对应的光信号强度，找出I的最大值点与最小值点对应的γ，得到其对应的灰度电平值，进而计算得到这两个点的灰度电平差；
(5)在硅基液晶的工作波长范围内，调整已知信号光的波长，重复执行步骤(3)和(4)，得到不同波长下的灰度电平差；
(6)利用硅基液晶接收波长在其工作波长范围内的未知信号光，重复执行步骤(3)和(4)，得到未知信号光波长下的灰度电平差，对照步骤(5)得到的不同波长下的灰度电平差，得到未知信号光的波长，达到波长检测的目的。
优选地，所述步骤(3)中，得到三组与γ对应的光信号强度；所述步骤(4)中，利用求解得到信号光p方向的振幅a和s方向的振幅b，以及p方向和s方向的相位差，进而得到I的最大值点与最小值点对应的γ。
优选地，所述步骤(4)中，根据这多组与γ对应的光信号强度，绘制出信号光波长下的γ-I曲线，找出I的最大值点与最小值点对应的γ。
优选地，所述硅基液晶，反射式或透射式硅基液晶都适用于该系统。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、根据硅基液晶的工作波长范围，能完成相应范围内待测光的波长分辨任务，即能分辨紫外波段、可见光波段、红外波段甚至通信波段，并能随着相位调制精度的提高，提高波长的分辨精度。
2、与其他分辨波长的技术相比，本发明元件少，系统结构简单紧凑，并且有着与入射光偏振态无关的特性，适用范围更广。
3、本发明中所使用的硅基液晶(LCOS)，是一个波长相关的空间相位调制器件，硅基液晶的相位控制由计算机程序执行，精度高并且容易控制，自动化数据采集处理准确可信。
4、在进行波长分辨和监测的过程中能定量地求出入射光的振幅与相位值，所以在分辨出波长的同时，还能对入射光束的偏振态进行测量。
5、引入的元件少，对光路的准直要求不高，无需苛刻光路的耦合与复杂操作就能进行波长的分辨，简单实用，并且光路一旦搭建好就不需要进行手动调整，实施起来非常方便。
附图说明
图1是本发明实施例的基于硅基液晶的波长分辨监测系统的结构框图；
图2是本发明实施例的基于硅基液晶的波长分辨监测方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例的基于硅基液晶的波长分辨监测系统包括：硅基液晶、检偏器和光探测器，其中，硅基液晶由计算机控制下的液晶驱动模块驱动。
某波长λ1下的光由光源发出后，经过硅基液晶的调制作用，改变入射光的偏振态。在实施过程中，以最小的相位调制精度(普通的LCOS均可以达到1°以下)，由0到2π连续调制某个方向上的分量(此处为沿竖直方向偏振，定义为p偏振光)，经探测器得到一系列的光强度值I，从而绘制出γ-I曲线；根据绘制出的γ-I曲线，找到光强最大值与最小值点，进而分别根据光强值找出其对应的调制γ，并找出所对应的灰度电平值，计算出两个点的灰度电平差。
由液晶的工作原理可知，液晶器件是波长敏感器件，即同一个加载相位值对不同的波长可产生不同的相位调制。在硅基液晶的工作波长范围内，改变入射光波长为λ2，重复上述操作，能绘制出另一条对应的γ-I曲线，并同时找出该波长下的灰度电平差，由此得到一些列曲线，达到波长监测的效果。
在硅基液晶的工作范围内，以最小波长间隔确定出一系列波长曲线后并得到各个波长下的灰度电平差，此时再以未知波长入射，经过同样操作后获得γ-I曲线，与已经得到的曲线族进行对照(实际为灰度电平差的比对)，找到所对应的波长值，也就是入射光的波长值，达到分辨波长的效果。
与此相对应地，本发明实施例的基于硅基液晶的波长分辨监测方法包括如下步骤：
(1)利用硅基液晶接收波长在其工作波长范围内的已知信号光；
(2)在硅基液晶的输出光路上设置检偏器，利用光探测器(PD)探测由检偏器输出的光信号强度I；
(3)调整硅基液晶的相位调制值γ，使其在0到2π范围内连续变化，得到多组与γ对应的光信号强度；
(4)根据这多组与γ对应的光信号强度，绘制出信号光波长下的γ-I曲线，找出I的最大值点与最小值点对应的γ，得到其对应的灰度电平值，进而计算得到这两个点的灰度电平差；
(5)在硅基液晶的工作波长范围内，调整已知信号光的波长，重复执行步骤(3)和(4)，得到不同波长下的灰度电平差；
(6)利用硅基液晶接收波长在其工作波长范围内的未知信号光，重复执行步骤(3)和(4)，得到未知信号光波长下的灰度电平差，对照步骤(5)得到的不同波长下的灰度电平差，得到未知信号光的波长，达到波长检测的目的。
下面对上述方法的工作原理进行详细说明。
利用斯托克斯矢量开展分析，设定原入射光p和s方向振幅分别为a和b，相位差为则入射光的斯托克斯矢量可以表示如下：
经过一个空间相位调制器。此处我们使用硅基液晶，由于它是一个偏振敏感型器件，只能对某一特定方向上的线偏振光产生相位调制的效果，即液晶分子的慢轴方向(定义为p方向偏振光)。对p光产生γ的相位延迟，硅基液晶的穆勒矩阵可表示为：
其中，所加载的相位γ与驱动电压和待测波长有关。
在LCOS和光探测器之间放置一个逆时针偏转θ角的检偏器，其穆勒矩阵可以表示成：
经过上述光学元件的传输后，输出光强可以表示为：
Sout＝Tpolarizar(θ)MLCOS(γ)Sin (4)
将各个部分代入，得到具体表达式为：
探测器探测到的光强值为：
因为检偏器的放置角度是固定的，即θ是已知，为了简化计算便于理论分析，令θ＝45°，故光强表达式可以简化为：
对于中心波长为λ0的硅基液晶，当驱动电压为U，液晶分子的厚度为D时，所对应的相位调制值为：
根据柯西色散公式，在某一特定驱动电压下折射率与波长的关系式为：
因此相位调制值γ与加载电压U和波长λ都有关(此处作为分析，可将波长的平方项省略，做近似计算)，即：
故所测得的功率值就可以写成：
式(11)的意义在于，这是一条余弦曲线，当LCOS每加载一个相位调制值γ，光探测器就会探测到一个对应的光强度。因此，至少通过三个不同的γ，和相对应的光强度Idet，可通过解方程组，求出三个表示入射光偏振状态的未知量：振幅a，b和相位差得到光强值最大或最小时对应的γ，据此算出灰度电平差值。更为准确的计算方式是，利用相位扫描程序施加的相位调制值，获得不同的波长λ下与其一一对应的光强度值，根据所施加的相位以及相对应的强度，获得一条I-γ曲线，再通过计算机程序进行数据拟合，即可算出此时的灰度电平差。通过改变波长，则可得到另一条不同波长处的的I-γ曲线。利用自动反馈输入计算机的相位调制值和光强探测值，通过数据分析软件，如Matlab等，就可以实现对各个不同波长的灰度电平差的记录。由于在同一个驱动电压下，LCOS对不同波长光信号产生不同的相位调制效果。
对于式(11)要使各个波长曲线间获得区分度，则要使不同波长所对应的灰度电平差互不相等。下面讨论这套装置可获得的波长分辨精度。
对于工作中心波长为λ0的硅基液晶，其相位调制值对着驱动加载电压呈线性变化。设定入射波范围为硅基液晶的工作波长，入射中心波长为λ0，达到最大调制相位时所对应的灰度电平为m(若加载的相位模板信号为b位数字信号，则m＝2b)，当LCOS未上电(未加载电压)时，对入射来的波长没有调制作用，因此，波长间隔与灰度值的关系可写成(12)
可以得出中心波长分辨率Δλ0与灰度值m的关系式为(13)
由上式可知，当选用中心波长为1550nm的硅基液晶，9位的输入相位模板数字信号，则可以获得Δλ0＝3nm的分辨精度。
当选用的硅基液晶工作波长范围为[λmin,λmax]，中心波长为λ0，中心波长处的最大调制相位为采用9位相位模板数字信号，则最大灰度值为m＝29＝512，由上述推导可知在中心波长处的分辨率由式(13)表示，当远离中心波长时，设在中心波长λ0处的最大相位调制值为对应灰度值为512，则在当在λ0处的调制值为2π时所对应的灰度值为m1，因此，在远离中心波长的λmax处，达到2π的相位调制值所对应的灰度值为则有以下关系(15)：
故边缘波长的分辨率为其中 为中心波长处的最大相位调制值，m1表达的意义为中心波长的相位调制值为2π时所对应的灰度值。
因此可以获得不同波长下的灰度电平差对照表，在入射未知波长的情况下，根据对照表，可以查找出所对应的波长值。
这套测试装置的一个突出的特点是，由于硅基液晶的驱动电压是可通过编程控制精确调整的，数据也通过软件采集处理，所以这套装置结果采集自动化，无需人工干预就可以进行准实时控制。
硅基液晶的响应速度一般为50ms，市场化成熟的高速硅基液晶相位调制的响应时间可以低至7ms，相比于光栅，其响应时间得到显著的优化。同时，由于相位调节是由程序控制实现而不是机械控制或者手动控制，其分析测量的精度也得到极大提升。此外，本发明中，用于相位调制的硅基液晶是商用空间相位调制器，相应波长的检偏器与光探测器也容易采购。不需要其它波长敏感器件，如光栅等。同时，在实际操作过程中，硅基液晶可以使用反射式的，也可以使用透射式的，这对于本发明所涉及的理论分析模型不会产生本质影响。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于硅基液晶的波长分辨监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用硅基液晶接收波长在其工作波长范围内的已知信号光；
(2)在硅基液晶的输出光路上设置检偏器，探测由检偏器输出的光信号强度I；
(3)调整硅基液晶的相位调制值γ，使其在0到2π范围内变化，得到多组与γ对应的光信号强度；
(4)根据这多组与γ对应的光信号强度，找出I的最大值点与最小值点对应的γ，得到其对应的灰度电平值，进而计算得到这两个点的灰度电平差；
(5)在硅基液晶的工作波长范围内，调整已知信号光的波长，重复执行步骤(3)和(4)，得到不同波长下的灰度电平差；
(6)利用硅基液晶接收波长在其工作波长范围内的未知信号光，重复执行步骤(3)和(4)，得到未知信号光波长下的灰度电平差，对照步骤(5)得到的不同波长下的灰度电平差，得到未知信号光的波长，达到波长检测的目的。
2.如权利要求1所述的基于硅基液晶的波长分辨监测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，得到三组与γ对应的光信号强度；所述步骤(4)中，利用求解得到信号光p方向的振幅a和s方向的振幅b，以及p方向和s方向的相位差进而得到I的最大值点与最小值点对应的γ。
3.如权利要求1所述的基于硅基液晶的波长分辨监测方法，其特征在于，所述步骤(4)中，根据这多组与γ对应的光信号强度，绘制出信号光波长下的γ-I曲线，找出I的最大值点与最小值点对应的γ。
4.如权利要求1至3中任一项所述的基于硅基液晶的波长分辨监测方法，其特征在于，所述硅基液晶包括反射式或透射式硅基液晶。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |