CN109738162A - 一种利用角度调谐测量f-p标准具参数的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用角度调谐测量F‑P标准具参数的装置与方法，该装置包括激光器、扩束镜、第一分光镜、第二分光镜、第一探测器、波长计、小孔光阑、第二探测器和旋转台；激光器发出的激光通过扩束镜后发射到第一分光镜；第一分光镜将激光分为两束；一束激光通过小孔光阑入射至设置于旋转台上的F‑P标准具，该束激光透过F‑P标准具入射至第二探测器；另一束激光入射至第二分光镜，第二分光镜将该束激光分为两束，一束入射至波长计，另一束入射至第一探测器。本发明采用调谐激光在F‑P标准具上入射光角度的方法来测量标准具的透过率曲线和自由光谱范围，大大降低了检测具有纳米量级自由光谱范围的标准具的成本，有非常大的理论与应用价值。

Description

一种利用角度调谐测量F-P标准具参数的装置与方法

技术领域

本发明涉及F-P标准具参数测量领域，尤其是涉及一种利用角度调谐测量F-P标准具参数的装置与方法。

背景技术

F-P标准具：法布里-珀罗(Fabry-Parot)标准具是主要由两块平板玻璃或石英板构成的一种干涉仪。两块板朝里的表面或石英板两个光学面各镀有特定反射率的光学反射膜层，并且相互平行；两个光学镀膜面之间形成一平行光学腔。光在这两个镀膜面之间的腔中反复反射，形成多光束的等倾干涉圆环。Fabry-Parot标准具是一种应用广泛的高分辨干涉分光仪器。可用于高分辨光谱学，和研究波长非常靠近的谱线，诸如元素的同位素光谱、光谱的超精细结构、光散射时微小的频移，原子移动引起的谱线多普勒位移，和谱线内部的结构形状；也可用作高分辨光学滤波器、构造精密波长计；在激光系统中它经常用于腔内压窄谱线或使激光系统单模运行，可作为宽带皮秒激光器中带宽控制以及调谐器件，分析、检测激光中的光谱(纵模、横模)成分。

介于FP标准具非常广泛的应用，F-P标准的透过率曲线和自由光谱范围是非常重要的参数。一般F-P标准具通过调谐激光光源的波长来测量标准具的透过率曲线和自由光谱范围，根据标准具的带宽和自由光谱范围的不同，一方面具有波长调谐功能的激光光源成本非常高，另外一方面对于宽自由光谱范围的F-P标准具很难找到对应的波长调谐范围很宽的激光光源。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种利用角度调谐测量F-P标准具参数的装置与方法，解决了现有测量方法成本高的问题。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种利用角度调谐测量F-P标准具参数的装置，该装置包括激光器、扩束镜、第一分光镜、第二分光镜、第一探测器、波长计、小孔光阑、第二探测器和旋转台；所述激光器发出的激光通过扩束镜后发射到第一分光镜；所述第一分光镜将激光分为两束；一束激光通过小孔光阑入射至设置于旋转台上的F-P标准具，该束激光透过F-P标准具入射至第二探测器；另一束激光入射至第二分光镜，第二分光镜将该束激光分为两束，一束入射至波长计，另一束入射至第一探测器。

优选的，在激光器和扩束镜之间设有斩波器。

一种利用角度调谐测量F-P标准具参数的方法，该方法采用波长确定的单色平行光作为入射光，通过调节其入射到F-P标准具上的入射角度，来控制F-P标准具中心波长蓝移，从而实现对F-P标准具光谱透过率曲线和自由光谱范围的扫描测量。

优选的，该方法具体包括步骤：

(1)将F-P标准具移出测量光路，利用第一探测器、第二探测器分别测量参考光束和测量光束的能量，记录两个探测器的输出的信号和背景信号；

(2)将F-P标准具移入测量光路，调整F-P标准具使得光束垂直入射到F-P标准具中，利用旋转台带动F-P标准具旋转，从而改变光束入射到F-P标准具中时的入射角，在不同的入射角的条件下，分别测量两个探测器的输出信号和背景信号；

(3)首先利用探测器在两发激光脉冲之间的测量信号作为探测器的背景信号，将探测器测量的数据中的背景信号扣除，然后根据第(1)步中的测量结果计算出第一分束镜的分光比例，根据计算出的该分光比例和第(2)步中第一探测器测量的参考光束的能量，得到第(2)步中测量光束的能量，然后根据第二探测器测量的结果，从而得到F-P标准具的透过率。

优选的，根据F-P标准具反射的光束照射在小孔光阑上的位置，调整F-P标准具使得光束垂直入射到F-P标准具中。

优选的，根据F-P标准具中心波长的偏移量与入射角度的关系，将入射角度换算成中心波长的偏移量，得到F-P标准具透过率随中心波长偏移量的关系，从而计算出F-P标准具的中心波长、带宽、自由光谱范围。

优选的，F-P标准具的透过率的计算公式为：

前述公式中参数定义为：F-P标准具的透过率为T，F-P标准具的两个反射面的振幅反射率分别为R₁和R₂，相位差F-P标准具的两个反射面之间的介质的折射率为n，介质的厚度为h，激光入射角θ，λ为激光波长。

与现有技术相比，本发明采用调谐激光在F-P标准具上入射光角度的方法，来测量标准具的透过率曲线和自由光谱范围，大大降低了检测具有纳米量级自由光谱范围的标准具的成本，有非常大的理论与应用价值。并且，本发明在细节上做了很多优化，如：通过引入扩束镜，对激光的发散角进行压缩，有效地降低了因调谐激光在F-P标准具上入射光角度引起的标准具峰值透过率和带宽的变化等。

附图说明

图1为本发明的装置结构原理图；

图2为F-P标准具的工作原理图；

图3为标准具的中心波长随入射角的变化(入射光束的发散全角为0.2mrad)图；

图4为标准具的带宽随入射角的变化(入射光束的发散全角为0.2mrad)图；

图5为标准具的相对峰值透过率随入射角的变化(入射光束的发散全角为0.2mrad)图；

图6为扣除背景信号后的测量数据图；

图7为标准具透过率随入射角度的变化图；

图8为标准具透过率随中心波长偏移量的变化图；

图9为实际测量的标准具透过率(加号)与数值仿真结果(实线)的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明采用调谐激光在F-P标准具上入射光角度的方法来测量标准具的透过率曲线和自由光谱范围，此基础上以用于星载大气探测激光雷达532nm通道中的固态标准具为例，说明了及具体系统结构和测量方法。

(1)整体测量方法

本发明采用波长确定的单色平行光作为入射光，通过精确调节其入射到F-P标准具上的入射角度，来控制标准具中心波长蓝移，从而实现对标准具光谱透过率曲线和自由光谱范围的扫描测量。

本发明装置的具体结构如图1所示：单纵模稳频激光器发出激光，由斩波器调制成脉冲光信号，通过扩束镜，将激光束的发散角进一步压缩，可以很好地近似为平行光，然后通过分光镜1(即第一分光镜)分为两束平行光，一束光通过小孔光阑后入射至F-P标准具上，标准具和小孔光阑之间的距离约为2米，标准具可以随高精度转动平台转动，光束透过标准具入射至探测器2(即第二探测器)上。另外一束平行光入射至分光镜2(即第二分光镜)，分光镜2再分为两束，一束至波长计，一束至探测器1(即第一探测器)。

1、探测方法与步骤：

第一步：将标准具移出测量光路，使从小孔出射的测量光束直接被探测器2接收测量。利用探测器1和探测器2分别测量参考光束和测量光束的能量，记录两个探测器的输出的信号和背景信号。

第二步：将标准具移入测量光路，根据标准具反射的光束照射在小孔光阑上的位置，调整标准具使得光束垂直入射到标准具中。利用电控旋转台，带动标准具旋转，从而改变光束入射到标准具中时的入射角，在不同的入射角的条件下，分别测量两个探测器的输出信号和背景信号。

2、数据处理

首先利用探测器在两发激光脉冲之间的测量信号作为探测器的背景信号，将探测器测量的数据中的背景信号扣除。根据第一步中的测量结果计算出分束镜1的分光比例(两个探测器的差异也包含在该分光比例中)，根据计算出的该分光比例和第二步中探测器1测量的参考光束的能量，可以得到第二步中测量光束的能量，即入射到标准具中的激光能量，然后根据探测器2测量的结果，即从标准具中出射的激光能量，从而得到标准具的透过率。

根据标准具中心波长的偏移量与入射角度的关系(见图3所示)，将入射角度换算成中心波长的偏移量，得到标准具透过率随中心波长偏移量的关系，从而可以计算出标准具的中心波长(正入射)、带宽、自由光谱范围等重要参数。

(2)探测原理

1、标准具原理

常见的标准具是由两个相互平行的两个反射面组成，如图2所示，两个反射面的振幅反射率分别为R₁和R₂，两个反射面之间的介质的折射率为n，介质的厚度为h。

平面光束U₀入射到标准具中时，会在两个反射面上被不断的反射和透射，如图2中所示，U₀的入射角为θ。透射光束的振幅分别为：

U₁'＝U₀(1-R₁)(1-R₂)；

U'₂＝U₀(1-R₁)(1-R₂)R₁R₂e^iδ；

....

其中，

透射光束总的振幅为

标准具的透过率为

当标准具两个面的振幅反射率相等时，即R₁＝R₂，每个面的强度反射率为R＝R₁ ²。标准具的透过率可以简化为如下形式，

由上式可知在反射率一定的情况下，透过率仅和相位差δ有关，而在折射率和腔长一定的前提下相位差δ仅和激光波长λ和入射角度有关；则可以在波长不变的前提下，通过改变入射角度来反推在垂直入射时不同波长的激光的透过率。

2、可行性分析

若标准具采用固态标准具的方案，固态标准具的中心波长、峰值透过率、带宽等与其工作温度和入射角度密切相关。当固态标准具的工作温度保持不变时，随着入射角度的增加，其中心波长蓝移、带宽增大、峰值透过率降低。当平行光束或发散角非常小的光束入射时，峰值透过率和带宽随入射角的变化非常小，可以忽略不计，见图3、图4、图5所示。

因此，采用中心波长确定的单色平行光束作为入射光，通过精确调节其入射到标准具上的入射角度，来控制标准具中心波长蓝移，从而实现对标准具光谱透过率曲线的扫描测量。

(3)测量装置

根据如上原理，我们设计出一套用于星载大气探测激光雷达532nm通道中的固态标准具主要技术参数的测量装置，待测固态标准具的参数如下：

表1固态标准具的主要技术参数要求

根据表格1的固态标准具参数，我们采用角度调谐测量法布里-珀罗标准具通过率曲线和自由光谱范围的方法，其测量装置的具体结构如下：光源模块(激光器)、分光模块(分光镜BS1、分光镜BS2、小孔光阑)、参考模块(波长计、探测器PMT1)、测量模块(标准具和旋转台、探测器PMT2)。

1、光源模块

光源模块主要由单纵模稳频激光器、斩波器、扩束镜构成：

由于FP标准具的带宽很小，需要单纵模稳频激光光源作为测量光源，此处我们选用的激光器型号为LMX532S，中心波长：532±1nm；波长稳定性：<1pm；线宽：<1MHz；发散全角：1mrad

激光器出射的激光发散全角为1mrad，经过5倍扩束镜后，光束直径变为3.5mm，发散角压缩至0.2mrad，使其变为准平行光束。

由于激光器能量比较高，为了防止光束长时间照射到探测器PMT上导致的PMT疲劳给测量结果带来影响，需要对入射到探测器中的激光能量进行适当的衰减和调节，本专利通过斩波器来起到动态调节入射光能量的作用。

2、分光模块

分光模块主要由分光镜BS1、分光镜BS2和小孔光阑构成：

分光镜BS1把光束分为参考光束和测量光束。分光镜BS2又把参考光束分为两束，一束入射到波长计中，监测激光波长的变化，确保测量结果的正确性；另外一束入射到探测器1，监测激光能量的变化，来校正激光能量波动对测量结果的影响。测量光束通过小孔光阑后入射到放置在旋转台上的标准具上，标准具和小孔光阑之间的距离约为2米，根据标准具反射光在小孔光阑上的位置判定激光是否在标准具上垂直入射，入射角精度由于0.5mrad。

3、参考模块

参考模块主要由波长计和探测器PMT1构成：

参考光通过分光镜2后分为两束，一束入射到波长计中，此处我们WS6-600波长计，测量范围：350-1120nm；绝对精度：600MHz；分辨率：100MHz；线宽测量精度：500MHz，监测激光波长和线宽的变化。另外一束入射到探测器PMT1，监测激光能量的变化。

4、测量模块

探测模块主要由固定在高精度旋转台上的固态标准具和探测器PMT2构成：

测量光束经过小孔光阑后，入射到标准具中，标准具固定在电控旋转台上，可以跟随旋转台转动，从而改变入射光束的入射角。旋转台最小分辨率0.33角秒；绝对定位精度：10角秒；从标准具中出射的光被探测器PMT2接收并测量。

5、探测结果

采用本专利中的测量方法测量后，扣除背景信号后的测量数据如图6所示。细虚线和粗虚线分别是第一步中(将标准具移出测量光路)探测器PMT1和PMT2的测量结果；细实线和粗实线分别是第二步中(将标准具移入测量光路)探测器PMT1和PMT2的测量结果。在第一步中，连续进行了12个小时的测量，从测量结果可以看出，两个探测器的输出电流值随着时间几乎保持不变，因此探测器在测量过程中的疲劳可以忽略不计。

根据图6中的测量结果可以得到标准具透过率随入射角度的变化，见图7中所示。

根据标准具中心波长与射角度的关系，将入射角度换算成中心波长的偏移量，得到标准具的透过率随中心波长偏移量之间的关系，见图8中所示。在图8中，相邻两个透过峰之间对应的波长调谐范围就是该标准具的自由光谱范围。

将实际测量的标准具透过率曲线(图9中左边的透过峰)与数值仿真的结果进行对比，见图9中所示。从图9中可见，实际测量结果与数值仿真结果之间有着很好的一致性，这说明测量结果是可靠的。

从图9中测量的通过率曲线中，可以得到该标准具的峰值透过率和带宽(半高全宽，FWHM)。表2中给出了测量的固态标准具的主要技术参数。

技术参数	性能指标
		峰值透过率	80％
带宽	32.5pm
		自由光谱范围	790pm

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，应当指出的是，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 (7)

1.一种利用角度调谐测量F-P标准具参数的装置，其特征在于，该装置包括激光器、扩束镜、第一分光镜、第二分光镜、第一探测器、波长计、小孔光阑、第二探测器和旋转台；所述激光器发出的激光通过扩束镜后发射到第一分光镜；所述第一分光镜将激光分为两束；一束激光通过小孔光阑入射至设置于旋转台上的F-P标准具，该束激光透过F-P标准具入射至第二探测器；另一束激光入射至第二分光镜，第二分光镜将该束激光分为两束，一束入射至波长计，另一束入射至第一探测器。

2.根据权利要求1所述的一种利用角度调谐测量F-P标准具参数的装置，其特征在于，在激光器和扩束镜之间设有斩波器。

3.一种利用角度调谐测量F-P标准具参数的方法，其特征在于，该方法采用波长确定的单色平行光作为入射光，通过调节其入射到F-P标准具上的入射角度，来控制F-P标准具中心波长蓝移，从而实现对F-P标准具光谱透过率曲线和自由光谱范围的扫描测量。

4.根据权利要求3所述的一种利用角度调谐测量F-P标准具参数的方法，其特征在于，该方法具体包括步骤：

(1)将F-P标准具移出测量光路，利用第一探测器、第二探测器分别测量参考光束和测量光束的能量，记录两个探测器的输出的信号和背景信号；

(2)将F-P标准具移入测量光路，调整F-P标准具使得光束垂直入射到F-P标准具中，利用旋转台带动F-P标准具旋转，从而改变光束入射到F-P标准具中时的入射角，在不同的入射角的条件下，分别测量两个探测器的输出信号和背景信号；

(3)首先利用探测器在两发激光脉冲之间的测量信号作为探测器的背景信号，将探测器测量的数据中的背景信号扣除，然后根据第(1)步中的测量结果计算出第一分束镜的分光比例，根据计算出的该分光比例和第(2)步中第一探测器测量的参考光束的能量，得到第(2)步中测量光束的能量，然后根据第二探测器测量的结果，从而得到F-P标准具的透过率。

5.根据权利要求4所述的一种利用角度调谐测量F-P标准具参数的方法，其特征在于，根据F-P标准具反射的光束照射在小孔光阑上的位置，调整F-P标准具使得光束垂直入射到F-P标准具中。

6.根据权利要求4所述的一种利用角度调谐测量F-P标准具参数的方法，其特征在于，根据F-P标准具中心波长的偏移量与入射角度的关系，将入射角度换算成中心波长的偏移量，得到F-P标准具透过率随中心波长偏移量的关系，从而计算出F-P标准具的中心波长、带宽、自由光谱范围。

7.根据权利要求4所述的一种利用角度调谐测量F-P标准具参数的方法，其特征在于，F-P标准具的透过率的计算公式为：

前述公式中参数定义为：F-P标准具的透过率为T，F-P标准具的两个反射面的振幅反射率分别为R₁和R₂，相位差F-P标准具的两个反射面之间的介质的折射率为n，介质的厚度为h，激光入射角θ，λ为激光波长。