CN106940220A - 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。首先，当光经1分4的光纤耦合器后，光功率将被平均分为四份，其中一束光先与线性滤波器相连然后接入光电探测器，另外一束光直接与光电探测器连接，剩余的两束光分别同时先与光纤环形器相连，然后各自连接两个F-P标准具，接着分别与光电探测器和相连，从两环形器支路3出射的两条光线直接分别连至光电探测器和中，然后将光电探测器出射的六条光线经过光电转换后全部接入数据采集卡，最后数据采集卡连接到电脑。(如图1所示)由温控装置控制两个F-P标准具的温度；滤波器用来初步确定波长区间，可实现大范围波长测量，两个F-P标准具用来精确测量波长值。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
背景技术
激光作为一种光源由于其单色性好、方向性强、色散小等特点在现代科学技术与工程实践中得到了广泛的应用。激光波长是物理检测的基准值，被广泛应用于长度、速度、角度、平面度、直线度和垂直度等的测量，是精密计量、精密机械和微电子工业领域重要的测量参数。精确地测量激光波长，在光学的基础研究与应用领域具有重要的意义。现在的波长测量仪器主要是光谱仪和波长计，但分光型光谱仪受限于其测量原理只能实现激光中心波长的粗略测量(约几十pm)，而且价格比较昂贵；波长计因其高精度测量的优点，而被广泛应用于激光波长的测量中。现代商用的波长计按照测量原理分类，主要有斐索干涉型波长计、法布里-珀罗干涉型波长计和迈克尔逊干涉型波长计，其基本工作原理都是基于光的干涉，但是前两者都需要面阵CCD探测干涉条纹以及复杂的图像处理；([1]吴瑞坤.F-P标准具激光波长测量系统.中国激光，1986，14(5)：287-291.[2]宋建明，是度芳.利用斐索干涉测量激光波长.量子电子学报，2001，18(3)：224-227.)后两者(法布里-珀罗干涉型和迈克尔逊干涉型)都需要内置参考激光器，通过波长值已知的参考激光和待测激光产生的干涉条纹进行对比，从而得到待测激光的波长值。([3]陆宏.利用F-P标准具实时测量激光波长的研究.激光技术，1996，20(3)：143-146.[4]王利强，左爱斌，彭月祥.光波长测量仪器的分类、原理及研究进展.科技导报，2005，23(6)：31-33)这些因素都使现在的波长计成本较高，并且受原理所限无法大规模降低成本。另外，迈克尔逊干涉型波长计(如HP 81620c)由于内置机械扫描部件，受振动影响大，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。
本发明提出了一种无需参考激光器，利用双F-P(Fabry-Pérot)标准具与线性滤波器结合的全光纤结构的波长实时测量装置。相对于现有技术，本发明有如下优点：1、全光纤结构，布局灵活，不需要空间准直，大大减少了光在传输过程中的所受环境等不可控因素的影响，拓宽了该波长测量装置的应用领域和使用条件。2、原理方面，本发明所述测量系统只需分别探测经过双F-P腔和滤波器的光功率，就可以测量入射激光的波长值，不需要图像处理，后期的数据处理简单；3、本发明所述测量系统无需使用参考激光器和面阵CCD，从而使得系统的成本更低。
发明内容
本发明提出了一种简易低成本的波长实时测量装置，即入射光经过分束后，分别通过一个线性滤波器和两个F-P标准具，通过测量透过的光功率值实现对激光波长的精确测量。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(1)1分4光纤耦合器、(2)线性滤波器、(3)光电探测器、(4)光纤环形器、(5)和(7)F-P标准具、(6)温度控制装置、(8)数据采集卡、(9)电脑，组成，上述各部分的位置关系如下：
首先，当光经1分4的光纤耦合器后，光功率将被平均分为四份，其中一束光先与线性滤波器相连然后接入光电探测器，另外一束光直接与光电探测器连接，剩余的两束光分别同时先与光纤环形器相连，然后各自连接两个F-P标准具，接着分别与光电探测器和相连，从两光纤环形器支路3出射的两条光纤直接分别连至光电探测器和中，然后将光电探测器出射的六条光纤经过光电转换后全部接入数据采集卡，最后数据采集卡连接到电脑。(如图1所示)
由温控装置控制两个F-P标准具的温度；线性滤波器用来初步确定波长区间，可实现大范围波长测量，两个F-P标准具用来精确测量波长值。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。
所述的线性滤波器(2)，在一定范围内，不同波长的激光入射后其透过的光功率会不同，由此通过探测到的光功率值来粗略确定波长。基于原理所限，F-P标准具对波长的响应是正弦周期变化的，而线性滤波器的主要目的就是确定入射光波长值对应于F-P标准具的波长响应正弦曲线的一个准确周期，从而确定一个周期范围内的准确单调区间，所以线性滤波器的波长分辨率应小于F-P标准具FSR(自由光谱范围)的1/4。
所述的两个F-P标准具(5)和(7)各自对应的光强-波长曲线均为正弦型，且两曲线的相位差为90度，具有互补的波长响应特性，因此F-P标准具(5)和(7)可以用来互相补偿在响应曲线波峰和波谷附近的测量，从而提高测量精度；温度控制装置(6)使用两块铜块与F-P标准具(5)和(7)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，其对应的波长控制精度为0.1nm。(温控装置如图2所示)
本发明的有益效果是：该装置使用线性滤波器先粗略测量待测激光的波长，确定其在F-P标准具对应的光强-波长曲线的准确周期；然后使待测激光分别入射到两个F-P标准具中，测量其在两个F-P标准具的光强透过率，最后通过相关计算就可以得到入射激光的波长值， 这种方法不仅避免了图像处理步骤，大大简化了后期的数据处理，而且使得整个装置结构紧凑简单，体积较小易于携带；光电探测器分为和，和，和三组，通过测量线性滤波器和两个F-P标准具的光透过率排除因入射光功率变化造成的测量误差；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，用于排除外界温度变化对其不良影响。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是本发明的温度控制装置图；
图3是F-P标准具的I(t)/I(r)～λ波形图；
图4是F-P标准具的补偿实验结果波形图；
图5是波长测量的流程图。
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：
F-P腔标准具由两块平行放置的平面玻璃板组成，两板的内表面镀以高反射率的银膜或铝膜，其结构可看成一块平行平面玻璃板，由于F-P腔两端高反射膜的特性，光在腔内来回反复的反射与折射，如果平行平面玻璃板的左、右两端面对光信号没有吸收，当待测激光以一定的角度θ入射到F-P腔标准具时，经过一系列的推断，可得出反射光强度和透射光强度之比为
δ为相位，R为F-P标准具内高反射率膜的反射率。
由相位和腔长的关系
δ＝KΔ＝K·2nlcosθ (1-2)
式中：Δ为相邻光束的光程差；K为自由空间中光的传输常数，K＝2π/λ；n为腔内的折射率；l为腔长；θ为光在腔内反射的夹角。
结合公式(1-1)和(1-2)可得：
若入射激光的中心波长λ0为1550nm，所对应的F-P标准具的FSR为100GHz(波长间隔为0.8nm)，由自由光谱范围
可知2nl＝3003000nm，代入等式(1-3)，取高反射率膜的反射率为0.8时，当待测激光近似垂直入射至F-P标准具时，θ＝0，cosθ＝1。归一化后相应的I(t)/I(r)～λ波形如图3所示。
由所示波形图的周期性可知，当我们探测到一个光功率值时，除了波峰和波谷处外，在波长响应曲线的一个周期内对应有两个波长值(如图3中的a、b两点)。这里我们用到的线性滤波器对信号光波长的分辨率为0.1nm，而F-P标准具的FSR为100GHz(约0.8nm)，滤波器的分辨率小于波长响应曲线的1/4周期，所以我们能够根据测得的线性滤波器透射率所对应的波长值，来进一步确定波长响应曲线横坐标所在的某个准确单调区间(即图3中从a、b两点中确定出其中一点所对应的波长值)，最终求得此时光功率对应的准确λ值。
然而对于波长响应曲线斜率无限趋近于0时(即波形图中的波峰和波谷附近)，由于光电探测器热噪声、放大电路噪声等因素，会大大影响数据的可靠性和真实性。
由等式(1-3)可知，我们可以通过改变相关未知数的值，从而使得I(t)/I(r)～λ曲线在原来的基础上产生约90度的相移，这样就可以利用相移后的波长响应曲线来补偿原图形在波峰和波谷附近的误差。此处，我们让产生的相移约为90度(对应波长响应曲线的1/4个周期)，从而使得原波长响应曲线(I)的波峰和波谷对应于相移后的波长响应曲线(II)的线性度高的区域，如图4所示，当我们探测到原波长响应曲线(I)的光功率值(c点处)位于波峰或波谷附近时，这时我们取同一时间探测到的相移后的波长响应曲线(II)对应的光功率值(d点处)，所对应的λ值(e点处)，最终就得到了此时待测激光的准确波长值。
综上，本发明的部分重要流程如下：
首先，由通过线性滤波器的光功率值来缩小F-P标准具的波长响应曲线至某个确定的周期中的单调区间；然后，若测得的光功率值在波函数线性度高的区域，就读取与F-P标准具(5)相连的光电探测器(和)的光功率值；若测得的光功率值在靠近波峰或波谷附近时，此时读取与F-P标准具(7)相连的光电探测器(和)的光功率值；最后由测得的光功率值求出相应的波长值。(流程图如图5所示)
本发明的波长测量步骤为：
步骤1)按照图1，连接光路：当一束待测激光经过1分4光纤耦合器(1)等分为四束 光①、②、③、④，光纤①的光经过线性滤波器(2)被光电探测器探测，光纤②的光直接被光电探测器探测；光纤③先连接一个光纤环形器(4)，环形器其中一分路2连入F-P标准具(5)中，经过F-P标准具(5)的透射功率被光电探测器探测，另一分路3的反射光功率被光电探测器探测；光纤④同样也先连接一个光纤环形器(4)，环形器其中一分路2连入F-P标准具(7)中，然后其透射功率被光电探测器探测，另一分路3的反射光功率被光电探测器探测；光电探测器(3)的6个电信号由数据采集卡(8)采集，最后将数据采集卡(8)连接至电脑(9)。
步骤2)按照图2，温度控制：温度控制装置使用两块铜片与F-P标准具5(7)上下紧密贴合，将半导体制冷片(11)贴在铜块底面，热敏电阻(12)置于铜块内部用于实时采集温度值，外接温度控制电路(13)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，其对应的信号激光的波长控制精度为0.1nm。
步骤3)，数据采集与处理：参照图1，光电探测器(3)探测各通道输出光功率；然后将所有通道信号连接到数据采集卡(8)中，数据采集卡(8)通过USB连接电脑(9)，最后通过电脑(9)中的程序分析计算从而得到待测激光波长。
Claims (4)
1.一种简易低成本的波长实时测量装置，其特征在于：由(1)1分4光纤耦合器、(2)线性滤波器、(3)光电探测器(4)光纤环形器、(5)和(7)F-P标准具、(6)温度控制装置、(8)数据采集卡、(9)电脑，组成，上述各部分的位置关系如下：
待测激光经过1分4光纤耦合器(1)等分为四束光①、②、③、④，光纤①的光经过线性滤波器(2)被光电探测器探测，光纤②的光直接被光电探测器探测；光纤③先连接一个光纤环形器(4)，环形器的分路2接F-P标准具(5)，经过F-P标准具(5)的透射光被光电探测器探测，另一分路3的反射光被光电探测器探测；光纤④同样也先连接一个光纤环形器(4)，环形器的分路2接F-P标准具(7)，然后其透射光被光电探测器探测，另一分路3的反射光被光电探测器探测；光电探测器(3)的6个电信号由数据采集卡(8)采集，最后通过电脑(9)中的程序分析计算从而得到待测激光波长。其中，F-P标准具(5)和(7)分别放置在温度控制装置(6)中以隔绝外界温度变化的影响。
2.根据权利要求1所述的一种简易低成本的波长实时测量装置，其特征在于：通过测量激光通过线性滤波器(2)的透射率粗略估算光波长值；由于F-P标准具(5)和(7)的透射率对波长的响应是正弦周期变化的，线性滤波器主要用来确定入射光波长值对应于F-P标准具(5)和(7)的波长响应正弦曲线的哪个周期，因此线性滤波器(2)对激光波长的测量误差应小于F-P标准具(5)和(7)波长响应正弦曲线周期的1/4。
3.根据权利要求1所述的一种简易低成本的波长实时测量装置，其特征在于：F-P标准具(5)和(7)相位差为90度，这样F-P标准具(5)或(7)的波长响应曲线的波峰和波谷都对应于F-P标准具(7)或(5)线性区，通过这种互补测量的方式可以解决波长响应正弦曲线在波峰和波谷附近处引起的测量误差大的问题。
4.根据权利要求1所述的一种简易低成本的波长实时测量装置，其特征在于：温度控制装置(6)使用两块铜块与F-P标准具(5)或(7)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。
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