CN109186765B - 一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振光谱分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振光谱分析系统，包括用于将外部信号光传输至光谱分析系统的传入光纤，用于分析信号光中的S偏振光成分的S偏振光分光单元，S偏振光接收透镜组，S偏振光探测单元，用于分析信号光中的P偏振光成分的P偏振光分光单元，P偏振光接收透镜组和P偏振光探测单元；其中S偏振光和P偏振光接收透镜组用于将对应偏振态的光斑进行聚焦压缩准直；S偏振光和P偏振光探测单元用于接收相应偏振光信号并转换成电信号上传至上位机处理获得信号光的光谱信息和偏振信息。本发明结构紧凑，具有良好的便携性和稳定性，适用于在线检测和快速测量；同时，在偏振成像和偏振光谱分析等领域也具有广泛的应用前景。

Description

一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振光谱分析系统

技术领域

本发明属于光谱分析系统领域，更具体地，涉及一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振光谱分析系统。

背景技术

在环境监测、地质勘探、卫生防疫等领域，通常需要对所采集到的样品进行分析，以获取其相应的组成成分，从而对其进行评价和判断。光谱分析方法为常用的分析方法之一，光谱分析法不仅具有较高灵敏度和准确度，还可以实现无损检测，可以在较短的时间内对多种成分进行同时分析。光谱分析法的关键在于光谱分析仪器，其中最重要的就是光谱仪。但是，目前常用的光谱仪大都是通过转动其中的分光部件实现对信号光的光谱分析测定，整个系统包含有可活动的部件，抗震性能较差，因此不适用于环境复杂、恶劣的野外实地实时测量分析，同时目前的光谱仪的价格较为高昂，维护成本较高，不利于光谱分析的广泛应用。

除了在物质分析领域，在偏振相关光谱成像和偏振相关光谱分析领域，具有偏振特性的光谱仪也具有重要的应用。通过分析偏振光谱，可以获得更多的信息。目前的偏振光谱分析系统，通常是利用偏振分束器等偏振分束器件对信号光中不同的偏振分量进行分离，再在接收端用检偏器件进行接收分析，因此这种系统的结构和光路较为复杂，光学元件较多，导致整体的稳定性和系统效率较低。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振光谱分析系统，旨在解决现有的光谱仪大部分通过转动其中的分光部件实现对信号光的光谱分析测定，整个系统包含有可活动的部件，导致稳定性较差，不适合环境复杂、恶劣的野外实地实时测量分析；同时现有的光谱仪大部分不适用于偏振相关光谱成像和偏振相关光谱分析领域的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振光谱分析系统，包括传入光纤，S偏振光分光单元，S偏振光接收透镜组，S偏振光探测单元，P偏振光分光单元，P偏振光接收透镜组，P偏振光探测单元。

上述传入光纤为保偏光纤，前端与外界传光光纤相连，末端依次与S偏振光分光单元和P偏振光分光单元相连，用于将外部光信号传入光谱分析系统中。

上述S偏振光分光单元为一位于保偏光纤快轴上的45°倾斜光纤光栅，45°倾斜光纤光栅倾角为45°，用于分离外部光信号中偏振矢量垂直于输入光和反射光平面的S偏振光分量，并使其中不同的波长分量以不同的衍射角度衍射至自由空间中，从而实现对光谱的分离。

上述P偏振光分光单元为一位于保偏光纤慢轴上的45°倾斜光纤光栅，其方向与S偏振光分光单元的倾斜光纤光栅相互垂直，用于分离光信号中偏振矢量平行于输入光和反射光平面的P偏振光分量。

上述S偏振光接收透镜组和P偏振光接收透镜组分别置于S偏振光分光单元和P偏振光分光单元的出光端，均由一柱透镜和一平凸透镜组成，其中柱透镜置于分光单元的45°倾斜光纤光栅后，用于将被45°倾斜光纤光栅衍射至自由空间的光进行准直和压缩，减小对应光的发散角和纵向尺寸。平凸透镜置于柱透镜后，用于聚焦光束，压缩光斑大小并将其投射至探测单元表面。

上述S偏振光探测单元和P偏振光探测单元均为一线阵CCD探测器，分别置于对应偏振光的接收透镜组后，用于接收、处理光信号，并上传至上位机处理，获得信号光的光谱和偏振信息。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于发明提供的传入光纤为保偏光纤，45°倾斜光纤光栅为分光单元，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的传入光纤为保偏光纤，P偏振分光单元和S偏振分光单元分别为位于保偏光栅的快轴和慢轴上的45°倾斜光纤光栅，替代了用于分光的活动部件，从而使本系统的结构更简单紧凑，稳定性较高，适用于条件恶劣、复杂的野外和工业环境。

2、本发明采用的45°倾斜光纤光栅为分光单元，通过调整光栅的光栅周期，可获得不同的应用波长范围，也可以根据实际需求进行优化设计45°倾斜光纤光栅的结构，避免了传统光谱仪中需要转动色散元件获取波长扫描缺陷，可以对光谱信息进行实时、快速、高精度的分析。

3、本发明采用45°倾斜光纤光栅分光单元，分别放置在保偏光纤的快轴和慢轴上，外部光信号经过分光单元后获得非常高偏振度的线偏振光，即P偏振光和S偏振光，传统的光谱仪很难实现该系统的偏振特性，因此，该系统在偏振分析和偏振成像领域也将发挥很大的作用。

附图说明

图1是本发明提供的偏振相关光谱分析系统的结构示意图；

图2是本发明提供的45°倾斜光纤光栅结构以及色散特性示意图；

图3是本发明提供的入射光信号经分光单元后不同波长分量对应的出射角示意图。

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。

图1为本发明提供的偏振光谱分析系统的结构示意图；如图1所示，一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振相关光谱分析系统：至少有1根传入光纤1，1个S偏振光分光单元2，1个S偏振光接收透镜组4，1个S偏振光探测单元7，1个P偏振光分光单元3，1个P偏振光接收透镜组8，1个P偏振光探测单元11组成。

传入光纤1为保偏光纤，前端与外界输入相连，使得外部信号光经传入光纤传入系统中，光纤后端与S偏振光分光单元2相接，使信号光传输至S偏振光分光单元2的45°倾斜光纤光栅处并将其中的S偏振光分量分离分光；45°倾斜光纤光栅为倾角为45°的倾斜光纤光栅，其作为分光元件应用于系统中，用于将信号光衍射至自由空间，其中不同波长分量的光具有不同的衍射角，以实现光谱分量的分离；部分透射光则传输至P偏振光分光单元3并经由其中的45°倾斜光纤光栅将光中的P偏振光分量分离并进行分光处理，再由P偏振光接收透镜组8准直聚焦至P偏振光探测单元11处进行探测，输出相应的P偏振光信息；S偏振光接收透镜组和P偏振光接收透镜组分别置于两对应分光单元的辐射端，S偏振光接收透镜组由柱透镜D1和平凸透镜D1组成，P偏振光接收透镜组由柱透镜D2和平凸透镜D2组成；被衍射的光先被柱透镜D1、柱透镜D2接收并聚焦压缩光斑纵向大小，之后由平凸透镜D1、D2再聚焦以压缩光斑轴向大小，此时的光斑被压缩成一光点，并依波长顺序呈间隔相等的平行共线排列；S偏振光探测单元7和P偏振光探测单元11均为一线阵CCD探测器，分别置于对应偏振光的接收透镜组的后端，用于接收光斑阵列并输出对应的信号，其像素位置与不同波长的光斑的位置具有一一对应的关系，对其输出信号进行适当的处理后可以获得信号光的偏振光谱信息。

图2为本发明提供的45°倾斜光纤光栅结构以及色散特性示意图，如图2所示，45°倾斜光纤光栅的光栅结构是经由紫外曝光后将光纤纤芯中的部分材料的折射率改变后获得的，相较于未改变的光纤纤芯材料，其折射率的变化大小只有百分之几或千分之几，因此两者之间存在着一个折射率突变的分界面。当光入射至该分界面时，根据布儒斯特定律，此时对应的布儒斯特角为θ＝arctan[(n+Δn)/n]≈45°，其中n为光纤纤芯折射率，Δn为紫外曝光引入的折射率调制深度。因此倾角为45°的倾斜光纤光栅具有将入射光中S偏振分量衍射出光纤的能力，故而45°倾斜光纤光栅具有非常好的偏振特性。同时根据光栅的相位匹配条件，在可接受的失谐大小内不同波长的光将以不同的角度被光栅衍射，同时在光纤的包层与空气界面由于折射率的不同，色散将进一步加大，因此45°倾斜光纤光栅具有分光的能力，可以作为一种偏振色散元件应用于系统中。不同波长通过45°倾斜光纤光栅后对应的出射角可以表示为(1.1):

其中n为光纤纤芯折射率，θ为光栅的倾斜角，Λ为光栅周期，λ为入射光波长。

图3为入射光信号经分光单元后不同波长分量对应的出射角示意图；如图3所示，可以看到45°倾斜光纤光栅具有较强的色散能力和良好线性关系的分光能力，可以满足光谱分析需求。

偏振光可以看作是两个偏振方向相互垂直的光的叠加，因此通过分析两个单独的偏振分量即可获得其叠加态的光的偏振特性。S偏振光和P偏振光是两个振动方向相互垂直的光，对于45°倾斜光纤光栅，其可以将光中的S分量衍射出光纤而保留P分量继续传输。而对于透射的P偏振光而言，若此时存在一光栅结构与其振动方向相垂直的45°倾斜光纤光栅，其相对于光栅而言则变为S偏振态，此时的45°倾斜光纤光栅则可以将其衍射出光纤。因此，利用两相互垂直的45°倾斜光纤光栅，可以实现对信号光中的S分量和P分量的分离和单独检测分析。

S偏振光接收透镜组4和P偏振光接收透镜组8的柱透镜D1、柱透镜D2位于对应分光单元45°倾斜光纤光栅出光端后水平放置，为了使输出光获得较好的输出特性，其中心与辐射光斑中心对准，尺寸大于光斑所处空间范围大小，用于收集辐射光斑并将其在竖直方向上进行聚焦和准直。

S偏振光接收透镜组4和P偏振光接收透镜组8的平凸透镜D1、平凸透镜D2分别位于柱透镜D1、柱透镜D2后方水平放置，为了使输出光获得较好的输出特性，其中心与柱透镜D1、柱透镜D2中心、辐射光斑中心三者共处同一水平线对准。透镜平面侧向内，靠近柱透镜，凸面侧向外，用于将被柱透镜聚焦过的衍射光斑进行进一步的压缩，同时将不同方向的入射光聚焦成一水平排列的点光斑阵列，点光斑的空间坐标与相应波长一一对应，以满足探测需求。

S偏振光探测单元7和P偏振光探测单元11均为一线阵CCD探测器，分别平行放置于平凸透镜D1、平凸透镜D2后方，用于探测对应偏振光的光谱信息。其探测面由依次排列的像素单元组成，其输出信号大小与入射至像元表面的光强度有关，可以用于探测光信号并输出相应的信息。通过CCD探测器的像素位置可以确定经透镜组聚焦后的点光斑阵列的位置坐标，依据波长与光斑坐标之间的对应关系可以确定像素点与波长之间的对应关系，从而可以根据对应像素点的输出信号获得相应波长成分的强度信息，实现对对应偏振光的光谱分量的解调和检测，输出的信号再上传至上位机进行进一步的处理，最终可以获得信号光的偏振光谱信息。

根据瑞利判据，基于45°倾斜光纤光栅的偏振相关光谱分析系统的理论分辨率由聚焦光斑的大小决定，当一聚焦光斑的边缘恰好与另一光斑的中心重合时，对应的两个点刚好能被分辨。由此可以得到45°倾斜光纤光栅的偏振相关光谱分析系统的理论分辨率为：

其中λ为检测光的波长，f为透镜焦距，n为光纤纤芯折射率，Λ为45°倾斜光纤光栅的周期，D为光栅区域的长度(即光栅衍射光斑大小)，d为光栅到透镜的距离。通过设计优化光栅结构和光路，本系统的分辨率可以达到0.02nm。

本系统中所用的45°倾斜光纤光栅，其周期为748nm，光谱响应范围为1350-1750nm，因此本系统具有至少400nm的光谱宽度。除此之外，根据式(1.1)和式(1.2)可以针对不同的应用波长范围进行设计并优化45°倾斜光纤光栅的光栅结构，可以采用级联不同周期、不同波长响应范围的45°倾斜光纤光栅，进而调整和扩宽本系统的光谱宽度提升系统性能，实现较大范围光谱的高精度分析。

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 (9)

1.一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振光谱分析系统，包括传入光纤(1)，分光单元，偏振光接收透镜组和偏振光探测单元；其中，传入光纤一端接收外部光信号，另一端与分光单元相连，分光单元出光端后水平方向依次设置有接收透镜组和偏振光探测单元；外部光信号经由分光单元形成辐射光斑，偏振光接收透镜组将对光斑进行聚焦压缩准直，并调节不同波长成分在偏振光探测单元表面的空间间隔，所述偏振光接收透镜组包括柱透镜和平凸透镜，衍射至自由空间中的光斑依次经过所述柱透镜、平凸透镜平面侧和平凸透镜凸面侧后到达所述偏振光探测单元；偏振光探测单元接收光斑中的光信号并转换成电信号，用于探测各偏振光对应波长的强度信息，实现对偏振光的光谱分量的解调和检测，并将检测结果上传至上位机进行处理，以得到信号光的偏振光谱信息；其特征在于，传入光纤为保偏光纤；分光单元为45°倾斜光纤光栅，通过调节光纤光栅周期，获取不同的偏振光波长的工作范围；包括S偏振光分光单元(2)和P偏振光分光单元(3)，S偏振光分光单元(2)位于保偏光纤快轴上，P偏振光分光单元(3)位于保偏光纤慢轴上。

2.如权利要求1所述的偏振光谱分析系统，其特征在于：45°倾斜光纤光栅的周期为748nm，光谱响应范围为1350-1750nm，光谱宽度至少为400nm。

3.如权利要求1所述的偏振光谱分析系统，其特征在于：偏振光接收透镜组的尺寸大于光斑所处空间范围大小。

4.如权利要求1所述的偏振光谱分析系统，其特征在于：偏振光接收透镜组包括S偏振光接收透镜组(4)和P偏振光接收透镜组(8)，分别位于S偏振光分光单元(2)和P偏振光分光单元(3)后水平方向。

5.如权利要求4所述的偏振光谱分析系统，其特征在于：S偏振光接收透镜组(4)包括一柱透镜D1(5)和一平凸透镜D1(6)，平凸透镜D1(6)位于柱透镜D1(5)后方水平放置，平凸透镜D1(6)平面侧向内，靠近柱透镜D1(5)，凸面侧向外。

6.如权利要求5所述的偏振光谱分析系统，其特征在于：平凸透镜D1(6)的中心与柱透镜D1(5)中心、辐射光斑中心三者共处同一水平线对准。

7.如权利要求4所述的偏振光谱分析系统，其特征在于：P偏振光接收透镜组(8)包括一柱透镜D2(9)和一平凸透镜D2(10)，平凸透镜D2(10)位于柱透镜D2(9)后方水平放置，平凸透镜D2(10)平面侧向内，靠近柱透镜D2(9)，凸面侧向外。

8.如权利要求7所述的偏振光谱分析系统，其特征在于：平凸透镜D2(10)的中心与柱透镜D2(9)中心、辐射光斑中心三者共处同一水平线对准。

9.如权利要求4所述的偏振光谱分析系统，其特征在于：偏振光探测单元包括S偏振光探测单元(7)和P偏振光探测单元(11)，分别位于S偏振光接收透镜组(4)和P偏振光接收透镜组(8)后水平方向。

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