CN105953919A - 一种全光纤傅里叶光谱分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于光谱分析技术领域，具体涉及一种可用于各种光源光谱的精确分析与测量的全光纤傅里叶光谱分析仪。一种全光纤傅里叶光谱分析仪，包括待测光源1、连接器2、第一三端口光纤环行器3和第二三端口光纤环行器4、第一波分复用器5和第二波分复用器6、双端口连接的光纤耦合器7、差动式光程扫描装置8、窄带半导体激光器9、第一差分式光电探测信号放大器10和第二差分式光电探测信号放大器11。本发明中采用了差分式光电探测信号放大器的一个输入端采用可调衰减器，实现对光路的平衡调整，消除了直流强度信号和探测器暗电流的影响，提高了系统测量的动态范围，同时增强了干涉信号的强度，也进一步提高了系统的信噪比。

Description

一种全光纤傅里叶光谱分析仪

技术领域

本发明属于光谱分析技术领域，具体涉及一种可用于各种光源光谱的精确分析与测量的全光纤傅里叶光谱分析仪。

背景技术

随着现代科技的进步和行业技术的发展，分析仪器和测试系统得到了快速发展和应用。光谱分析仪是光学仪器家族中的重要组成员，在分析测试领域具有广阔的应用前景和实用价值。

傅里叶变换光谱仪具有高通量、高分辨率、高波数精度等多种优点，是光谱分析的强有力工具，可用于宽光谱、复杂光谱或极弱光谱的测量。傅里叶变换光谱法被广泛用于分子光谱学和天体物理学中的红外光谱分析。傅里叶变换光谱仪其核心思想是通过计算干涉仪输出的干涉图的傅里叶逆变换得到光谱图，进而获取光谱的信息。

光谱仪根据工作原理，可以分为色散型光谱仪和干涉型光谱仪，色散型光谱仪采用棱镜或光栅作为色散元件获取目标光谱，具有体积小、性能稳定等优点，但是采用这种结构的光谱仪实现高精度光谱分析和测量时，系统相对复杂，限于光栅的限制，难以实现高光谱分辨率的测量。而干涉型光谱仪采用双光束干涉的信号做傅里叶逆变换获取光谱，具有高分辨率、光谱范围宽等优点。

随着光谱技术的发展，在生物检测、环境监测、军事侦察等领域，对光谱仪提出了实时准确地获取光谱信息的要求。为此，国内外研究者进行了大量的研究工作。1985年，美国科学家A.D.Kersey在文献Single mode fiber Fourier trans-form spectrometer中介绍了一种全光纤器件傅里叶变换光谱检测装置,反射镜移动扫描的情况下,光谱分辨率在820nm达到1cm^-1。1990年英国伦敦帝国学院的M.A.Page Jones在文献Optical-fiberSpectrum Analyzers中介绍采用保偏光纤实现了光程扫描，克服了光纤弯曲的双折射效应，分辨率达到0.67cm^-1。1996年Martint Selzele等人用温度效应实现了相位调制，建立了全光纤傅里叶变换光谱仪，从理论上分析了耦合器分束比影响，测量了激光二极管的谱线，并且测量了卤素灯的谱线。采用温度效应实现光纤的拉伸，光谱分辨率达到4cm^-1。文献All-fiber wavenumber and Fourier-transform spectrometer中介绍了一种基于光纤光栅的全光纤傅里叶变换光谱检测装置，这种全光纤光谱检测装置简单结构紧凑，但是受光纤光栅周期的限制，光谱分辨率和测量范围受到很大的限制。刘勇等人在文献(光纤傅里叶变换光谱分析装置)中提出基于Mach-Zehnder干涉仪的全光纤变换光谱仪，利用压电陶瓷的压电效应来改变光程差，但伸缩缠绕在PZT环上的光纤会产生双折射，同时由于PZT的引入也会带来温度漂 移，而且由于受光纤光栅周期的限制，光谱分辨率和测量范围受到很大的限制，只适合测量相干长度比较长的谱线。

此外，申请人于2015年公开的一种宽谱光源光谱分布函数和相关函数的测量与构造方法(中国专利：201510001556.7)主要解决了将光谱仪测得待测的宽谱光源的采集数据进行傅里叶逆变换得到宽谱光源光谱的一种简便的数学方法。申请号201180042065.7专利公开发明一种用于测量样品光伏电池中的量子效率的系统中仅是将傅里叶变换红外光谱仪作为系统的一部分。申请号200820071669.X实用新型专利提出一种微型傅里叶变换光谱仪没有采用光纤技术。申请号201420434050.6实用新型专利涉及一种动镜偏振干涉傅里叶变换成像光谱仪，扫描范围有限。申请专利号201420347014.6实用新型专利涉及一种窗扫型傅里叶变换成像光谱仪，其扫描范围也非常有限。

全光纤系统比其他常规的系统具有不可比拟的优越性，如灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、结构简单、体积小、重量轻等优点。成为近三十年来国际光纤领域研究和应用的热点和重点。本发明所提出的全光纤傅里叶光谱分析仪，不但具备全光纤器件的优点，而且克服了在先技术上的不足，为光源光谱测量提供了一种技术先进的解决方案，可广泛用于各种光谱测量与高精度光谱分析领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扫描范围大、精度高的全光纤傅里叶光谱分析仪。

本发明的目的是这样实现的：

一种全光纤傅里叶光谱分析仪，包括待测光源1、连接器2、第一三端口光纤环行器3和第二三端口光纤环行器4、第一波分复用器5和第二波分复用器6、双端口连接的光纤耦合器7、差动式光程扫描装置8、窄带半导体激光器9、第一差分式光电探测信号放大器10和第二差分式光电探测信号放大器11、第一可调衰减器12和第二可调衰减器13以及第一信号处理单元14和第二信号处理单元15，所述系统中待测光源1发出的光经由第一三端口光纤环行器后经由第一波分复用器5和双端口连接的光纤耦合器7被注入到差动式光程扫描装置8，该光程扫描匹配装置产生两束问讯光信号，再次经过双端口连接的光纤耦合器7、第一波分复用器5、第二波分复用器6和第一三端口光纤环行器3被第二差分式光电探测信号放大器11所接收并放大，信号最后经由第二信号处理单元15处理给出测量结果；窄带半导体激光器9发出的光经由第二三端口光纤环行器4经由第一波分复用器5和双端口连接的光纤耦合器7被注入到同一个差动式光程扫描装置8，再由光程扫描匹配装置产生两束问讯光信号，再次经过双端口连接的光纤耦合器7、第一波分复用器5、第二波分复用器6和第二三端口光纤环行器4，形成均匀的干涉条纹，被第一差分式光电探测信号放大器10所接收并放大，该 信号最后经由第一信号处理单元14处理得到干涉信号。

差动式光程扫描装置是由第一光纤自聚焦透镜准直器、第二光纤自聚焦透镜准直器和一个双端面全反射镜组成，光纤自聚焦透镜准直器被固定在一个精密滑移台的基座上，双端面全反射镜被固定在可以滑移的平台上，正对着光纤准直器，该光程扫描匹配装置通过移动光学反射镜来改变该两束光信号的光程差，实现对光源光程变化的匹配测量。

将窄带激光光源与待测光源形成了共光路Michelson型干涉测量系统，可实现激光干涉信号对扫描光程的均匀校正。

差分式光电探测信号放大器的一个输入端采用可调衰减器，实现对光路的平衡调整。

本发明的有益效果在于：

本发明中采用了差分式光电探测信号放大器的一个输入端采用可调衰减器，实现对光路的平衡调整，消除了直流强度信号和探测器暗电流的影响，提高了系统测量的动态范围，同时增强了干涉信号的强度，也进一步提高了系统的信噪比。

附图说明

图1是全光纤傅里叶光谱分析仪结构示意图。

图2是全光纤傅里叶光谱分析仪原理框图。

图3是重建窄带激光的均匀干涉条纹作为校正的参考信号来完成对激光干涉信号的均匀性校正的示意图。

图4是全光纤傅里叶光谱分析仪等间隔采样示意图。

图5是采用全光纤傅里叶光谱分析仪得到的光谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供的是一种全光纤傅里叶光谱分析仪。其特征是：它由待测光源1、连接器2、三端口光纤环行器3和4、波分复用器5和6、双端口连接的光纤耦合器7、差动光程匹配扫描装置8、窄带半导体激光器9、差分式光电探测信号放大器10和11、可调衰减器13和14以及信号处理单元14和15组成。本发明采用全光纤设计，具备全光纤器件的优点，用光纤耦合器代替分束器，用差动扫描镜作为光学延迟线，不仅简化了光路，还具有扫描范围大、精度高等特点。光电探测信号放大器输入端采用可调衰减器，实现对光信号的调整匹配，将用于精确定位的激光光源与待测光源共光路，形成差动式Michelson干涉测量系统，可实现激光干涉信号对扫描光程的均匀校正。而差分光电探测信号放大器消除了直流强度信号和探测器暗电流的影响，提高了系统测量的动态范围，同时增强了干涉信号的强度，也进一步提高了系统的信噪比。

本发明公开了一种全光纤傅里叶变换光谱分析仪，可用于宽光谱、复杂光谱或者极弱光谱的测量。本发明采用全光纤设计，具备全光纤器件的优点，用光纤耦合器代替分束器，用 差动扫描镜作为光学延迟线，不仅简化了光路，还具有扫描范围大、精度高等特点。光电探测信号放大器输入端采用可调衰减器，实现对光信号的调整匹配。将用于精确定位的激光光源与待测光源共光路，形成差动式Michelson干涉测量系统，可实现激光干涉信号对扫描光程的均匀校正。而差分光电探测信号放大器消除了直流强度信号和探测器暗电流的影响，提高了系统测量的动态范围，同时增强了干涉信号的强度，也进一步提高了系统的信噪比。

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、扫描光程范围大、实现等间隔采样的全光纤傅里叶变换分析仪。

如图1所示，该全光纤傅里叶变换分析仪是由待测光源1、连接器2、三端口光纤环行器3和4、波分复用器5和6、双端口连接的光纤耦合器7、差动式光程扫描装置8、窄带半导体激光器9、差分式光电探测信号放大器10和11、可调衰减器13和14以及信号处理单元14和15组成。所述系统中待测光源1发出的光经由三端口光纤环行器3后经由波分复用器5和双端口光纤耦合器7被注入到差动光程扫描匹配装置8，该光程扫描匹配装置产生两束问讯光信号，再次经过双端口环形器7和波分复用器5、6和三端口环形器3被差分式光电探测器11所接收并放大，该信号最后经由信号处理单元15处理给出测量结果。窄带半导体激光器9发出的光经由三端口环形器4经由波分复用器5和双端口环形器7被注入到同一个差动光程扫描匹配装置8，再由光程扫描匹配装置产生两束问讯光信号，再次经过双端口环形器7和波分复用器5、6和三端口环形器4，形成均匀的干涉条纹，被差分式光电探测器10所接收并放大，该信号最后经由信号处理单元14处理得到干涉信号。

本发明中的差动式光程扫描匹配装置8如图1所示，是由两个光纤自聚焦透镜准直器8-1、8-2和一个双端面全反射镜8-3组成，光纤自聚焦透镜准直器被固定在一个精密滑移台的基座上，光学反射镜8-3被固定在可以滑移的平台上，正对着光纤准直器，该光程扫描匹配装置通过移动光学反射镜来改变该两束光信号的光程差，实现对光源光程变化的匹配测量。

全光纤傅里叶变换光谱分析仪主要分为四个部分：(1)产生待测光源干涉信号的光学系统；(2)用于精确测量扫描镜位移的光学系统；(3)扫描镜位移干涉信号数据处理部分；(4)基于扫描位移校正的待测光源干涉信号及其傅立叶变换光谱分析部分。

待测光源经过2×2光纤耦合器分光后，进入差动Michelson干涉仪，产生干涉条纹信号，但是在光程扫描测量装置中，由于扫描速度的非均匀性，导致干涉条纹时域及频域信号均与理想干涉条纹存在误差，因此，这样的干涉信号需要得到校正。

为了实现对扫描镜的位移进行精确测量，本发明采用了窄带激光器作为位置测量光源，将该光源注入同一个光路中，窄带激光将产生一个均匀的干涉条纹信号，这个信号就可以用来对扫描镜进行精确的位置测量。但是在光程扫描测量装置中，由于扫描速度的非均匀性， 导致干涉条纹时域及频域信号均与理想干涉条纹存在误差，因此，这样的干涉信号需要得到校正。为此，采用慢扫描的密集采样方法，重建窄带激光的均匀干涉条纹作为校正的参考信号来完成对激光干涉信号的均匀性校正，如图3所示。

本发明中将光程扫描位置测量系统与光源测量系统合二而一，将窄带激光光源与待测光源形成了共光路Michelson型干涉测量系统，可实现激光干涉信号对扫描光程的均匀校正，如图2和图3所示。

为了实现对待测光源的等光程差的数据采集。需要对所采集的数据进行处理。这里所说的等间隔，指的是光程差相等，在相等的光程差间隔位置采集数据点，而不能在动镜连续移动的情况下，在相等的时间间隔采集数据点。因为动镜移动速度的微小变化都会改变数据点采集的位置，因而影响到光谱的测量。由于本发明采用了共光路Michelson型干涉测量系统，扫描镜对窄带激光干涉条纹的影响与对于待测光源干涉信号的影响是相同的，为了修正扫描镜所带来的影响，可采用窄带激光干涉信号的修正参数来然后进行修正，如图4所示。

本发明中采用了差分式光电探测信号放大器的一个输入端采用可调衰减器，实现对光路的平衡调整，消除了直流强度信号和探测器暗电流的影响，提高了系统测量的动态范围，同时增强了干涉信号的强度，也进一步提高了系统的信噪比。

图1给出了全光纤傅里叶光谱分析仪结构示意图。该全光纤傅里叶变换分析仪是由待测光源1、连接器2、三端口光纤环行器3和4、波分复用器5和6、双端口连接的光纤耦合器7、差动光程扫描匹配装置8、窄带半导体激光器9、差分光电探测信号放大器10和11、可调衰减器13和14以及信号处理单元14和15组成。所述系统中待测光源1发出的光经由三端口光纤环行器3后经由波分复用器5和双端口光纤耦合器7被注入到差动光程扫描匹配装置8，该光程扫描匹配装置产生两束问讯光信号，再次经过双端口环形器7和波分复用器5、6和三端口环形器3被光电探测器11所接受并放大，该信号最后经由信号处理单元15处理给出测量结果。窄带半导体激光器9发出的光经由三端口环形器4经由波分复用器5和双端口环形器7被注入到差动光程扫描匹配装置8，再由光程扫描匹配装置产生两束问讯光信号，再次经过双端口环形器7和波分复用器5、6和三端口环形器4被光电探测器10所接受并放大，该信号最后经由信号处理单元14处理得到的干涉信号。

本发明所给出的差动光程扫描匹配装置8是由两个光纤自聚焦透镜准直器8-1、8-2和一个双端面全反射镜8-3组成的，光纤自聚焦透镜准直器被固定在一个精密滑移台的基座上，光学反射镜8-3被固定在可以滑移的平台上，正对着光纤准直器，该差动光程扫描匹配装置通过移动光学反射镜来改变两束光信号的光程差，实现对光源光程变化的差动匹配测量。

为了更好的理解本全光纤傅里叶光谱分析仪是如何实现的，下面给出详细的数学描述：

设入射光束在波数为ν的时侯，其光谱分布为I(ν)，光程差为δ，依据物理光学中关于简谐波合成的知识，当光束经过干涉系统之后，其输出的干涉信号的光强表达式为：

$\begin{array}{c}{I}^{\′}\left(\mathrm{\δ}\right)=0.5I\left(\mathrm{\ν}\right)\[1+\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}\right)\]\\ =0.5I\left(\mathrm{\ν}\right)\[1+\cos \left(2\mathrm{\π}\mathrm{\ν}\mathrm{\δ}\right)\]\end{array}---\left(1\right)$

其中交流部分含有光谱调制信息，本发明中由于使用了差分光电探测器，因此探测到的交流部分I(δ)的干涉信号为：

I(δ)＝B(ν)cos(2πνδ) (2)

其中B(ν)＝I(ν)，从式(2)中可以看出单色光通过改变光程差δ之后所得到的干涉图是一条余弦曲线。当入射光不只是单色光时，输出的干涉信号可看成是将各种频率成份的干涉信号之间的叠加。在一般情况下，具有连续光谱成份的光入射时，干涉输出的结果为：

$I\left(\mathrm{\δ}\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}B\left(\mathrm{\ν}\right)cos\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\ν}\mathrm{\δ}\right)d\mathrm{\ν}---\left(3\right)$

I(δ)表示光程差为δ这一点时，检测器检测到的信号强度。这个信号是从-∞到+∞对所有波数ν进行积分得到的，即所有不同波长的光强度的加和。

式(3)中得到的只是干涉图，为了得到光谱图，需要对式(3)实施傅里叶逆变换：

$B\left(\mathrm{\ν}\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}I\left(\mathrm{\δ}\right)cos\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\ν}\mathrm{\δ}\right)d\mathrm{\δ}---\left(4\right)$

从式(3)和(4)中可以看出构成了一组傅里叶变换对，所以根据傅里叶变换理论，只需要对干涉图I(δ)做傅里叶逆变换，就可以得到任意波数的光谱图B(ν)。

当然，所有的傅里叶光谱分析仪中，扫描光程差都是有限的，因此光谱测量和变换只能在一个有限的光程差区间上完成。

Claims (4)

1.一种全光纤傅里叶光谱分析仪，包括待测光源(1)、连接器(2)、第一三端口光纤环行器(3)和第二三端口光纤环行器(4)、第一波分复用器(5)和第二波分复用器(6)、双端口连接的光纤耦合器(7)、差动式光程扫描装置(8)、窄带半导体激光器(9)、第一差分式光电探测信号放大器(10)和第二差分式光电探测信号放大器(11)、第一可调衰减器(12)和第二可调衰减器(13)以及第一信号处理单元(14)和第二信号处理单元(15)，其特征在于：所述系统中待测光源(1)发出的光经由第一三端口光纤环行器后经由第一波分复用器(5)和双端口连接的光纤耦合器(7)被注入到差动式光程扫描装置(8)，该光程扫描匹配装置产生两束问讯光信号，再次经过双端口连接的光纤耦合器(7)、第一波分复用器(5)、第二波分复用器(6)和第一三端口光纤环行器(3)被第二差分式光电探测信号放大器(11)所接收并放大，信号最后经由第二信号处理单元(15)处理给出测量结果；窄带半导体激光器(9)发出的光经由第二三端口光纤环行器(4)经由第一波分复用器(5)和双端口连接的光纤耦合器(7)被注入到同一个差动式光程扫描装置(8)，再由光程扫描匹配装置产生两束问讯光信号，再次经过双端口连接的光纤耦合器(7)、第一波分复用器(5)、第二波分复用器(6)和第二三端口光纤环行器(4)，形成均匀的干涉条纹，被第一差分式光电探测信号放大器(10)所接收并放大，该信号最后经由第一信号处理单元(14)处理得到干涉信号。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤傅里叶光谱分析仪，其特征在于：差动式光程扫描装置(8)是由第一光纤自聚焦透镜准直器(8-1)、第二光纤自聚焦透镜准直器(8-2)和一个双端面全反射镜(8-3)组成，光纤自聚焦透镜准直器被固定在一个精密滑移台的基座上，双端面全反射镜(8-3)被固定在可以滑移的平台上，正对着光纤准直器，该光程扫描匹配装置通过移动光学反射镜来改变该两束光信号的光程差，实现对光源光程变化的匹配测量。

3.根据权利要求1所述的一种全光纤傅里叶光谱分析仪，其特征在于：将窄带激光光源与待测光源形成了共光路Michelson型干涉测量系统，可实现激光干涉信号对扫描光程的均匀校正。

4.根据权利要求1所述的一种全光纤傅里叶光谱分析仪，其特征在于：差分式光电探测信号放大器的一个输入端采用可调衰减器，实现对光路的平衡调整。