CN105890778B - 一种简易低成本的波长实时测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种简易低成本的波长实时测量装置。待测激光器发出的光经3dB光纤耦合器分为两束，一束进入多通道粗波分复用器(或微型光谱仪)，其多条输出光纤分别接入到对应的光电探测器；另一束依次准直进入起偏器、磁光晶体和渥拉斯顿棱镜，出射的两束线偏振光通过单模光纤分别接入平衡光电探测器的两个探测端口；上述光电探测器和平衡光电探测器的信号线与数据采集卡相连，数据采集卡连接到电脑；起偏器、磁光晶体和渥拉斯顿棱镜被套在磁环中并被封装在金属套管中，由温控装置控制温度。多通道粗波分复用器(或微型光谱仪)用来确定波长区间，可实现大范围波长测量；本发明结构紧凑简单，成本低，测量范围大，可实时测量，应用于精密计量领域。
Description
技术领域
一种简易低成本的波长实时测量装置，属于光波测量领域。
背景技术
激光波长是一项基本光学参数，作为测量的最基准值，在光学应用领域具有重要作用。例如激光器出厂和维修以后要精确测量激光波长；还有一些激光器在改变工作温度或驱动电流时，其输出光波长会发生改变，这时也需要波长测量仪器对输出光波长进行重新标定；此外，随着光纤通信的迅猛发展，光波长测量也显得越来越重要了，特别是随着使用不同波长同时传送多路光波信号的DWDM(密集波分复器)系统的快速普及，光波长测量仪器也已成为光学应用领域中必不可少的基本测量仪器。现在的波长测量仪器主要是光谱仪、波长计等，光谱仪能实现激光波长的粗略测量，而且价格比较昂贵；波长计因其高精度测量，而更广泛的应用于激光波长测量中，现代商用的波长计主要有迈克尔逊干涉型波长计、法布里-波罗干涉型波长计和斐索干涉型波长计，其工作原理都是基于光的干涉，但是这几种波长计都需要内置参考激光，成本较高，其中法布里-波罗干涉型波长计内置机械活动部件，不能在环境较为复杂的场所运行且难以实现窄脉冲光的波长测量。
本发明提供一种简易低成本的波长实时测量装置，是基于磁光晶体的磁致旋光效应的。虽然，早在1845年法拉第就发现了磁光效应，但之后相当长一段时间内并未获得应用，直到100年以后，随着激光和光电子学领域的不断进步，才使磁光效应的研究向应用领域发展，进而产生了许多新型的光学器件，如磁光调制器、磁光开关、磁光隔离器、磁光环形器、磁光旋转器、磁光相移器、法拉第反射镜和磁光传感器等，这些器件在现代光学领域都是不可或缺的，这它们大都是基于磁光效应的非互易性或考虑了磁光偏转角度与磁场的关系来实现实际应用的，本发明与以上磁光器件不同，是基于磁光效应的波长色散原理，即通过测量光在磁光晶体的偏振面的偏转角度来测量光波长，由于使用的是毫米量级的磁光晶体结构组装而成，因此该装置相对于上述光谱仪和波长计，结构紧凑简单，体积较小易于携带，而且成本较低，并且可高速实时测量光波长。
发明内容
本发明提供一种简易低成本的波长实时测量装置，即利用光在磁光晶体中发生磁致旋光效应实现对激光波长的测量。该装置能够大范围、高精度的实时测量激光波长，具有结构紧凑简单，低成本，易于操作等特点。
通过以下技术方案实现：
一种简易低成本的波长实时测量装置，其特征在于：由待测光源(1)、3dB光纤耦合器(2)、多通道粗波分复用器(或微型光谱仪)(3)、光电探测器(4)、起偏器(5)、磁光晶体(6)、渥拉斯顿棱镜(7)、磁环(8)、金属套管(9)、温度控制装置(10)、平衡光电探测器(11)、数据采集卡(12)、电脑(13)组成，上述各部分的位置关系如下：
待测光源(1)发出的光经过3-dB光纤耦合器(2)分为两束，一束进入多通道粗波分复用器(或微型光谱仪)(3)，其多条输出光纤分别接入到对应的光电探测器(4)；另一束依次准直进入起偏器(5)、磁光晶体(6)和渥拉斯顿棱镜(7)，出射的两束线偏振光通过单模光纤分别接入平衡光电探测器(11)的两个探测端口；以上所述光电探测器(4)和平衡光电探测器(11)的信号线与数据采集卡(12)相连，数据采集卡(12)连接到电脑(13)；起偏器(5)、磁光晶体(6)和渥拉斯顿棱镜(7)被套在磁环(8)中并被封装在金属套管(9)中，由温度控制装置(10)控制温度。
所述的多通道粗波分复用器(或小型光谱仪)粗略测量光波长，确定波长区间。
所述的起偏器(5)、磁光晶体(6)和所述的渥拉斯顿棱镜(7)被封装在金属套管(9)中构成一组合器件，温度控制装置使用两块铜片将封装有起偏器(5)、磁光晶体(6)、渥拉斯顿棱镜(7)的金属套管上下紧密贴合，将半导体制冷片贴在铜块底面，热敏电阻置于铜块内部用于实时采集温度值，外接温度控制电路构成负反馈闭环控制系统，采用PID算法进行精确温度控制，控制精度为0.001度。
本发明的有益效果是：该装置使用起偏器、旋光晶体和偏振分束器等毫米量级的结构组装而成，极大减小了器件的体积，并节约了成本；使用粗波分复用器(或微型光谱仪)先粗略测量待测光波长，成本低，结构简单；温度控制装置与以上器件紧密接触，最终实现高精度温度控制，基于以上性质使得该装置结构紧凑简单，成本低，测量范围大，可实时测量光波长。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明的角度偏转示意图；
图3是本发明的温度控制装置图；
图4是该装置的实验结果曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步描述：
本发明利用光在磁光晶体的磁致旋光效应测量激激光波长，即一束线偏振光沿外加磁场方向或磁化强度方向通过介质时偏振面发生旋转，其中偏转的角度θ与磁光晶体长度L、磁场强度H、维尔德常数V有关，其中偏转角可以表示如下：
θ＝VHL (1)
其中维尔德常数与磁光材料本身性质、温度t和光波长λ有关，对一确定装置，磁光晶体长度L是一定的，并对磁光晶体施加饱和磁场，因此H也是确定的，再控制温度不变t不变，则表达式为：
θ(λ)＝V(λ)HL (2)
可知，光在晶体中的偏转角θ就只是波长λ的函数。
本发明将渥拉斯顿棱镜连接在磁光晶体后端，棱镜将从磁光晶体出射的偏振光分为o、e两束线偏振光，通过探测这两束光的光功率来计算光在磁光晶体中的偏转角θ(λ)。结合图2，X方向为起偏器的起偏方向，X方向和Y方向分别为渥拉斯顿棱镜中两个棱镜的主轴方向，θ(λ)是待测光在磁光晶体中的偏转角(偏振面由AB到A′B′)，偏转后的待测光沿X、Y方向分解，其幅值分别为Ex、Ey。利用几何三角函数关系可得偏转角：
其中，Px和Py分别是从渥拉斯顿棱镜出射的两束线偏振光光功率，由后端的平衡光电探测器探测得到，上式适用范围为[0，90]，而要实现波长的大范围测量，偏转角的范围也会较大，当偏转角超过90度时，(3)式不再适用，例如当角度偏转为在[90，180]区间时，其角度表示为依此推广关系式(3)得偏转角(在室温情况下)：
因此首先需要确定待测光所在区间，本发明在前端加一多通道粗波分复用器，要求其通道间隔小于或等于(4)式列出的区间间隔(7-8nm)，基于波分复用器的解复用功能，粗波分复用器可将不同波长的光信号分开送入不同的输出光纤，从而实现波长选择功能，每条输出光纤都连接到一个光电探测器，这些光电探测器用来探测光信号的有无，进而确定粗波分复用器的出光通道，或者使用一低分辨率的微型光谱仪来粗略测量待测光波长，最终确定待测光的波长区间。图4为使用该装置测得的1530——1558.6nm波长光与其在磁光晶体中偏转角的对应关系，其线性度为0.99975。波长与偏转角的关系表示为：
λ＝αθ+β (5)
其系数α、β由系统参数进行标定，这些参数主要是磁光晶体本身的材料特性、厚度、温度、外加磁场强度等。
如图1所示，本发明包括：由待测光源(1)、3dB光纤耦合器(2)、多通道粗波分复用器(或微型光谱仪)(3)、光电探测器(4)、起偏器(5)、磁光晶体(6)、渥拉斯顿棱镜(7)、磁环(8)、金属套管(9)、温度控制装置(10)、平衡光电探测器(11)、数据采集卡(12)、电脑(13)。待测激光器(1)发出的光经过3dB光纤耦合器(2)分为两束，一束进入多通道粗波分复用器(或微型光谱仪)(3)，其多条通道输出线分别接入到对应光电探测器(4)；另一束依次准直进入起偏器(5)、磁光晶体(6)和渥拉斯顿棱镜(7)，出射的两束线偏振光通过单模光纤分别接入平衡光电探测器(11)的两个探测端口；以上所述光电探测器(4)和平衡光电探测器(11)的信号线与数据采集卡(12)相连，数据采集卡(12)连接到电脑(13)；起偏器(5)、磁光晶体(6)和渥拉斯顿棱镜(7)被套在磁环(8)中并被封装在金属套管(9)中，由温度控制装置(10)控制温度。
本发明的波长测量步骤为：
步骤1)按照图1，连接光路：待测激光器(1)发出的光经过3dB光纤耦合器(2)分为两束，一束进入多通道粗波分复用器(或微型光谱仪)(3)，其多条输出光纤分别接入到对应光电探测器(4)；另一束依次准直进入起偏器(5)、磁光晶体(6)和渥拉斯顿棱镜(7)，出射的两束线偏振光通过单模光纤分别接入平衡光电探测器(11)的两个探测端口；以上所述n+1个光电探测器(4)和平衡光电探测器(11)的信号线与数据采集卡(12)相连，数据采集卡(12)连接到电脑(13)；
步骤2)按照图3，温度控制：起偏器(5)、磁光晶体(6)和渥拉斯顿棱镜(7)被封装在金属套管中构成一组合器件，温度控制装置使用两块铜片将封装有起偏器(2)、磁光晶体(3)、渥拉斯顿棱镜(4)的金属套管(9)上下紧密贴合，将半导体制冷片(15)贴在铜块底面，热 敏电阻(16)置于铜块内部用于实时采集温度值，外接温度控制电路(17)构成负反馈闭环控制系统，采用PID算法进行精确温度控制，控制精度为0.001度。
步骤3)，数据采集与处理：参照图1，光电探测器(4)探测多通道粗波分复用器的各通道输出光功率；平衡光电探测器(11)用来探测从渥拉斯顿棱镜出射的两束线偏振光的光功率；以上所述光电探测器(4)和平衡光电探测器(11)的信号线分别连接到多通道数据采集卡(12)，数据采集卡(12)通过USB连接电脑(13)，打开电脑(13)上LabVIEW开发的软件，读取并处理数据采集卡采集到的数据，首先处理从光电探测器(4)中采集的多路数据来确定光波长所在区间，再处理从平衡光电探测器(11)中采集到的两路数据，获得更高精度的波长值，最终可实现对波长的实时、高速测量。
Claims (1)
1.一种简易低成本的波长实时测量装置，由待测激光器(1)、3dB光纤耦合器(2)、多通道粗波分复用器(3)、光电探测器(4)、起偏器(5)、磁光晶体(6)、渥拉斯顿棱镜(7)、磁环(8)、金属套管(9)、温度控制装置(10)、平衡光电探测器(11)、数据采集卡(12)、电脑(13)组成，上述各部分的位置关系为：待测激光器(1)发出的光经过3dB光纤耦合器(2)分为两束，一束进入多通道粗波分复用器(3)，其多条输出光纤分别接入到对应的光电探测器(4)；另一束依次准直进入起偏器(5)、磁光晶体(6)和渥拉斯顿棱镜(7)，出射的两束线偏振光通过单模光纤分别接入平衡光电探测器(11)的两个探测端口；以上所述光电探测器(4)和平衡光电探测器(11)的信号线与数据采集卡(12)相连，数据采集卡(12)连接到电脑(13)；其特征在于：磁环(8)将磁光晶体(6)套在其环中心，并为其提供合适的磁场；温度控制装置(10)使用两块铜块将封装有起偏器(5)、磁光晶体(6)、渥拉斯顿棱镜(7)的金属套管(9)上下紧密贴合，将半导体制冷片贴在铜块底面，热敏电阻置于铜块内部用于实时采集温度值，外接温度控制电路构成负反馈闭环控制系统，采用PID算法对每一块磁光晶体进行精确温度控制。
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