CN106568507B - 基于特征吸收谱线测量f‑p腔自由光谱范围的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于特征吸收谱线测量F‑P腔自由光谱范围的方法，采用可调谐窄线宽二极管激光器波长扫描的方法同时测量F‑P腔透过率曲线和两条特征吸收谱线的吸收光谱，然后通过计数两条特征吸收谱线的谱线间隔内F‑P腔透过率曲线的干涉峰数量来实现F‑P腔自由光谱范围的测量。由于特征谱线的中心频率非常准确，达10‑6cm‑1，且不受测量环境及测量系统的影响，所以本发明创造有效的提高了F‑P腔自由光谱范围的测量精度，FSR的测量精度可优于10‑6cm‑1。此外，本发明创造的所有计算步骤均可通过计算机编程实现自动处理，易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学精密测量技术，特别是涉及F-P腔自由光谱范围测量的方法及装置。
背景技术
Fabry-Perot标准具(简称F-P腔)是实现多光束等倾干涉的重要仪器，不仅在高分辨光谱学中用来研究谱线的超精细结构，而且广泛用于激光器激光波长稳定，测量长度、波长和折射率等领域。自由光谱范围(FSR)作为表征F-P腔的一个重要特征参数，在很多使用场合下需要精确确定。
现有技术中，自由光谱范围通常根据它的定义计算获得，对于平行平面驻波腔，光在腔内往返传播，自由光谱范围的表达式如下：
FSR＝c/2nL (1)
对于环形腔，光在腔内单向传播，自由光谱范围的表达式如下：
FSR＝c/nL (2)
公式(1)和(2)中，c为真空中的光束，n为光学腔内介质的折射率，L为光学腔的腔长。因此，自由光谱范围的计算以光学腔腔长和腔内介质折射率两个参数已知为前提。但是，腔长L和折射率n随材料的不同和周围温度、气流等均有变化，不易得到精确结果，从而影响自由光谱范围的计算结果。鉴于此，F-P腔即使出厂时经过精确标定，但是当使用环境发生改变时，其自由光谱范围也会发生变化，因此在很多光学精密测量实验中需要重新测量。
目前，F-P腔自由光谱范围的测量主要采用光谱仪或波长计来检测F-P腔透射谱两峰值波长间隔来换算，由于光谱仪或波长计精度有限(约10-3cm-1)，且扫描的波长范围有限，所以用来测量F-P腔自由光谱范围具有灵敏度低、精度差、动态范围小等缺点。此外，高质量的光谱仪和波长计价格昂贵，且需人工判读F-P腔的投射谱峰，对操作人员的专业技术要求较高。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是提供了一种高精度的F-P腔自由光谱范围的测量方法及装置，且测量装置价格相对低廉、测量方法采用程序化，易于操作。
本发明的技术解决方案是提供一种基于特征吸收谱线测量F-P腔自由光谱范围的方法，包括以下步骤：
步骤一：选定两条特征吸收谱线，根据特征吸收谱线选定特征吸收谱线样品；
步骤二：调整二极管激光器调谐电流，使调谐电流以一个锯齿波的形式进行周期性扫描；调整激光波长，使得波长扫描范围包含所选定的两条特征吸收谱线；
步骤三：激光经一分二光纤分束器分成两路，一路激光准直后穿过特征吸收谱线样品，得到样品光信号；另一路准直后穿过F-P腔，得到F-P腔光信号；
步骤四：将样品光信号和F-P腔光信号分别转化为样品电信号和F-P腔电信号，并同步记录；
步骤五：根据记录的样品电信号数据得到激光经过特征吸收谱线样品后的样品光强曲线I；根据记录的F-P腔电信号数据得到激光经过F-P腔后的光强曲线IF-P；
步骤六：利用样品光强曲线I中非吸收区域的激光光强并采用多项式拟合的方式取零吸收基线I0；对样品光强曲线I和零吸收基线I0作ln(I0/I)运算，获得两条特征谱线的吸收光谱；
步骤七：利用谱线线型函数对步骤六测量的吸收光谱进行拟合，并获取两条特征谱线的中心位置P1与P2，截取P1与P2之间的穿过F-P腔的激光光强曲线，该曲线由一系列的干涉峰组成，并用峰值计数程序计算干涉峰个数N；相邻干涉峰的波长间隔即为F-P腔自由光谱范围。
上述的谱线线型函数为吸收谱线的线型，为Guass,Lorentz,Voigt三种函数形式。
上述特征吸收谱线样品为含有选定特征吸收谱线的分子或原子成分，特征吸收谱线至少选择两条且谱线之间的波长间隔须小于二极管激光器的最大波长扫描范围，同时两条吸收谱线的波长间隔还须大于待测F-P腔的自由光谱范围。
本发明还提供一种基于特征吸收谱线测量F-P腔自由光谱范围的装置，其特别之处在于：包括可调谐窄线宽二极管激光器、一分二光纤分束器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、特征吸收谱线样品、第一光电探测器、F-P腔、第二光电探测器和数据采集设备；
上述可调谐窄线宽二极管激光器的出口端与一分二光纤分束器连接；
一分二光纤分束器的第一输出口端依次连接有第一光纤准直器、特征吸收谱线样品和第一光电探测器；
一分二光纤分束器的第二输出端口依次连接有第二光纤准直器、F-P腔和第二光电探测器；
上述第一光电探测器和第二光电探测器均与数据采集设备连接。
上述F-P腔为平行平面F-P腔、环形F-P腔等各类型的F-P腔。
上述的光电探测器是指将光强信号转化为电压信号。
上述的数据采集设备是指将模拟电压信号转化为数字信号并存储，包括数据采集卡、示波器等。
上述装置中的特征吸收谱线样品为含有选定特征吸收谱线的分子或原子成分，上述特征吸收谱线至少选择两条且谱线之间的波长间隔须小于二极管激光器的最大波长扫描范围，同时两条吸收谱线的波长间隔还须大于待测F-P腔的自由光谱范围。
上述特征吸收谱线样品为自由空气，所述特征吸收谱线为水蒸气在7139.61009cm-1与7139.08913cm-1处的两条吸收线。
本发明装置的具体工作原理为：
二极管激光器的调谐电流以一个锯齿波的形式反复的进行扫描，在该调谐电流的作用下，激光器的输出波长及光强均以锯齿波的形式变化。输出的激光经一分二光纤分束器分成两路，两路激光通过光纤准直器准直后，一路穿过特征吸收谱线样品，另一路穿过F-P腔。最后均由光电探测器将光信号转化为电信号，并由数据采集设备同步记录。
本发明的有益效果是：
本发明创造提出了一种利用特征谱线中心频率的方法测量F-P腔自由光谱范围，由于特征谱线的中心频率非常准确，达10-6cm-1，且不受测量环境及测量系统的影响，所以本发明创造有效的提高了F-P腔自由光谱范围的测量精度，FSR的测量精度可优于10-6cm-1。此外，本发明创造的所有计算步骤均可通过计算机编程实现自动处理，易于操作。
附图说明
图1为本发明的F-P腔自由光谱范围测量装置；
图2为一个波长扫描周期内的典型测量信号；
图3(a)特征吸收峰的基线拟合示意图；
图3(b)特征吸收峰的线型函数拟合示意图；
图4为实施例中装置结构示意图。
图中附图标记为：1-锯齿波的形式；2-二极管激光器；3-一分二光纤分束器；4-第一准直器；5-第二准直器；6-特征吸收谱线样品；7-F-P腔；8-第一光电探测器；9-第二光电探测器；10-数据采集设备；11-光纤法兰头，12-环形光纤F-P腔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
本发明创造采用可调谐窄线宽二极管激光器波长扫描的方法同时测量F-P腔透过率曲线和两条特征吸收谱线的吸收光谱，然后通过计数两条特征吸收谱线的谱线间隔内F-P腔透过率曲线的干涉峰数量来实现F-P腔自由光谱范围的测量。
本发明二极管激光器的波长扫描范围需包含两条选定的特征吸收谱线，则一个波长扫描周期内，激光经过特征吸收谱线样品后光强曲线如图2虚线所示，曲线中的凹陷为特征吸收谱线的吸收引起的，其极值点对应特性吸收谱线的中心频率ν1与ν2。
为了提高特征谱线吸收峰位置的判别精度，首先，利用非吸收区域的激光光强并采用多项式拟合的方式获取零吸收基线I0，如图3(a)中的虚线所示。其次，对图3(a)中的光强曲线作ln(I0/I)运算，式中I是指第一光电探测器所测量的光强曲线，I0是指采用多项式对非吸收区域光强I拟合的拟合结果，便获得两条特征谱线的吸收光谱，如图3(b)实线所示。最后，利用谱线线型函数对实验测量的吸收光谱进行拟合，并获取两条特征谱线的中心位置P1与P2，P1与P2为两条特征吸收谱线峰值位置所对应的数据采样点或采样时刻，图3(b)虚线所示。
截取P1与P2之间的穿过F-P腔的激光光强(图2探测器9测量信号)曲线，该曲线由一系列的干涉峰组成，并用峰值计数程序计算其个数N。干涉峰如图2中虚线框的放大图所示，相邻干涉峰的波长间隔即为F-P腔自由光谱范围。
F-P腔的自由光谱范围(FSR)的计算公式为：
式中ν1与ν2是指通过光谱数据库查阅的两条特征吸收谱线的中心频率，单位为cm-1，N是指两条特征吸收谱线的吸收峰位置P1与P2之间的穿过F-P的激光光强干涉峰数量，FSR的单位为cm-1。
上述所有测量数据均是指二极管激光器的一个波长扫描周期内，即一个锯齿波周期。由于二极管激光器的波长扫描频率可达数千赫兹，可很容易的对上述计算过程做多周期取平均，进一步提高测量精度。
实施例
由光纤构成的环形F-P腔在光学测量中均有广泛的应用，其自由光谱范围是重要的参数。利用本发明方法对环形光纤F-P腔的自由光谱范围测的典型参数为：
两条特征吸收谱线为水蒸气在7139.61009cm-1与7139.08913cm-1处的两条吸收线，该参数由光谱数据库HITRAN2012查阅。特征吸收谱线样品为自由空气，激光在自由空气中的传播长度约为1m。
本实施例的测量装置如图4所示，二极管激光器2的调谐电流以一个锯齿波的形式1反复的进行扫描，在该调谐电流的作用下，激光器的输出波长及光强均以锯齿波的形式变化。输出的激光经一分二光纤分束器3分成两路，一路激光通过第一光纤准直器准直4后穿过自由空气6。另一路通过光纤法兰头11穿过环形光纤F-P腔12。最后均由第一光电探测器8和第二光电探测器9将光信号转化为电信号，并由数据采集设备10同步记录。
二极管激光器采用日本NTT Electronics公司生产NLK1E5EAAA型二极管激光器，其中心波长1400.6nm，锯齿波的调谐频率为100Hz，调谐幅度2V；光电探测器为美国Thorlabs公司生产的DET50B型光电二极管；数据采集设备为PCI4712型数据采集卡，采样率为4M，则一个扫描周期内有40000采样点。
零吸收基线I0的获取方式为采样二次多项式对非吸收区域的I进行拟合。谱线线型函数拟合采用Voigt函数。
利用本专利所述其自由光谱范围的计算公式为：
Claims (7)
1.一种基于特征吸收谱线测量F-P腔自由光谱范围的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：选定两条特征吸收谱线，根据特征吸收谱线选定特征吸收谱线样品；
步骤二：调整二极管激光器调谐电流，使调谐电流以一个锯齿波的形式进行周期性扫描；调整激光波长，使得波长扫描范围包含所选定的两条特征吸收谱线；
步骤三：激光经一分二光纤分束器分成两路，一路激光准直后穿过特征吸收谱线样品，得到样品光信号；另一路准直后穿过F-P腔，得到F-P腔光信号；
步骤四：将样品光信号和F-P腔光信号分别转化为样品电信号和F-P腔电信号，并同步记录；
步骤五：根据记录的样品电信号数据得到激光经过特征吸收谱线样品后的样品光强曲线I；根据记录的F-P腔电信号数据得到激光经过F-P腔后的光强曲线IF-P；
步骤六：利用样品光强曲线I中非吸收区域的激光光强并采用多项式拟合的方式取零吸收基线I0；对样品光强曲线I和零吸收基线I0作ln(I0/I)运算，获得两条特征谱线的吸收光谱；
步骤七：利用谱线线型函数对步骤六测量的吸收光谱进行拟合，并获取两条特征谱线的中心位置P1与P2，截取P1与P2之间的穿过F-P腔的激光光强曲线，该曲线由一系列的干涉峰组成，并用峰值计数程序计算干涉峰个数N；相邻干涉峰的波长间隔即为F-P腔自由光谱范围。
2.根据权利要求1所述的基于特征吸收谱线测量F-P腔自由光谱范围的方法，其特征在于：所述的谱线线型函数为吸收谱线的线型，为Guass,Lorentz,Voigt三种函数形式。
3.根据权利要求1或2所述的基于特征吸收谱线测量F-P腔自由光谱范围的方法，其特征在于：所述特征吸收谱线样品为含有选定特征吸收谱线的分子或原子成分，特征吸收谱线至少选择两条且谱线之间的波长间隔须小于二极管激光器的最大波长扫描范围，同时两条吸收谱线的波长间隔还须大于待测F-P腔的自由光谱范围。
4.一种基于特征吸收谱线测量F-P腔自由光谱范围的装置，其特征在于：包括可调谐窄线宽二极管激光器、一分二光纤分束器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、特征吸收谱线样品、第一光电探测器、F-P腔、第二光电探测器和数据采集设备；
所述可调谐窄线宽二极管激光器的出口端与一分二光纤分束器连接；
一分二光纤分束器的第一输出口端依次连接有第一光纤准直器、特征吸收谱线样品和第一光电探测器；
一分二光纤分束器的第二输出端口依次连接有第二光纤准直器、F-P腔和第二光电探测器；
所述第一光电探测器和第二光电探测器均与数据采集设备连接。
5.根据权利要求4所述的基于特征吸收谱线测量F-P腔自由光谱范围的装置，其特征在于：所述F-P腔为平行平面F-P腔或环形F-P腔。
6.根据权利要求4所述的基于特征吸收谱线测量F-P腔自由光谱范围的装置，其特征在于：所述特征吸收谱线样品为含有选定特征吸收谱线的分子或原子成分，特征吸收谱线至少选择两条且谱线之间的波长间隔须小于二极管激光器的最大波长扫描范围，同时两条吸收谱线的波长间隔还须大于待测F-P腔的自由光谱范围。
7.根据权利要求6所述的基于特征吸收谱线测量F-P腔自由光谱范围的装置，其特征在于：所述特征吸收谱线样品为自由空气，所述特征吸收谱线为水蒸气在7139.61009cm-1与7139.08913cm-1处的两条吸收线。
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