CN110530609A - 利用回音壁模式激光光源测fp透过率曲线的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用回音壁模式激光光源测FP透过率曲线的装置和方法，装置包括依次设置的种子激光器、第一偏振片、第二偏振片、分光镜、缩束系统、透镜和PDMS；所述分光镜对应有能量计；所述PDMS对应设置有第一光谱仪；所述PDMS的一端预置入第一光纤，另一端预置入第二光纤；经过透镜的激光聚焦到第一光纤的端面；所述第二光纤对应有准直器，准直器对应有第一分束器，所述第一分束器分别对应有第二分束器和光圈，所述第二分束器分别对应有第二光谱仪和第一探测器，所述光圈对应有FP，FP对应有第三分束器，所述第三分束器分别对应有第二探测器和第三光谱仪。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，特别是涉及一种利用回音壁模式激光光源测FP透过率曲线的装置和方法。
背景技术
F-P的标准透过率曲线是评价FP一个非常重要的参数。一般通过调节入射光源的波长、或者调节FP的腔长或入射光的角度来，也有提出采用频率梳光源等方法来测量FP透射率曲线。但是具有波长调谐功能的激光光源非常昂贵，而且一些宽自由光谱范围的FP很难找到相应波长调谐范围宽的激光源。具有调节腔长的FP不仅非常的昂贵，而且调节精度很难控制。采用入射光源的波长的调谐和入射光的角度的方式都很难保证其变化是线性的，从而导致每次变化的步长都会引入新的误差，最终导致测量精度不够。频率梳激光光源价格目前还是非常昂贵，不利于大面积推广使用。
发明内容
本发明的目的就是提供一种利用回音壁模式激光光源测FP透过率曲线的装置和方法，能完全解决上述现有技术的不足之处。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种利用回音壁模式激光光源测FP透过率曲线的装置，包括依次设置的种子激光器、第一偏振片、第二偏振片、分光镜、缩束系统、透镜和PDMS；所述分光镜对应有能量计；所述PDMS(微流控基片)对应设置有第一光谱仪；所述PDMS的一端预置入第一光纤，另一端预置入第二光纤；经过透镜的激光聚焦到第一光纤的端面；所述第二光纤对应有准直器，准直器对应有第一分束器，所述第一分束器分别对应有第二分束器和光圈，所述第二分束器分别对应有第二光谱仪和第一探测器，所述光圈对应有FP，FP对应有第三分束器，所述第三分束器分别对应有第二探测器和第三光谱仪。
所述缩束系统由第一透镜和第二透镜组成。
一种利用回音壁模式激光光源测FP透过率曲线的装置的方法，利用回音壁模式的激光光源测FP偏振特性的装置，将单一频率的种子激光器发出的激光通过第一偏振片和第二偏振片调节入射光的偏振；然后透过分光镜，分一束光至能量计中用于监视入射光的能量，通过分光镜的激光透过第一透镜和第二透镜组成的缩束系统然后经过透镜聚焦到第一光纤的端面上，第一光纤已经被预置入PDMS中，PDMS中加入所需染料后，在第一光纤中以回音壁模式传播光受染料的增益作用会产生回音壁模式的激光，产生的光被第一光谱仪监视，确认为需要的回音壁模式的激光后，通过第二光纤通入到扩束系统中；然后通过第一分束器，将激光分束为光束A1和光束A2，第二分光器将光束A2分为光束B1和光束B2，然后通过第二光谱仪检测光束B2的频率成分，第一探测器接收光束B1的能量；光束A1穿过光圈和FP，通过第三分束器把光束A1分为光束C1和光束C2，随后光束C2由第三光谱仪检测其频率成分，光束C1由第二探测器接收测量其能量；第一探测器和第二探测器的能量变化用于校准，然后通过比较FP前后对应频率分量的相对能量变化，即可得到相应频率的透射率；并将各频率分量通过多项式拟合，即可得到传输曲线。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种利用微流控芯片中回音壁模式的激光光源测量FP标准具透过率曲线的装置及方法。由于回音壁模式的光源可以多种频率成分并且频率间距虽然不完全相等，但是相对精确确定，所以可以一次性测量FP标准具的透过率曲线，避免了上述缺陷。基于微流控的优势，该光源的频率间隔和光谱范围可调，并且相对于其他方法成本非常低。该方法大大降低了测量通过率曲线的成本，提高了测量精度和有效性。
附图说明
图1是FP干涉仪透过率示意图。
图2是不同入射偏振对应的回音壁激光的偏振信息。
图3是采用微流控芯片中回音壁模式的激光光源测量FP透过率曲线的结构示意图。
图4是采用WGM模式测量透过率曲线和理论透射率曲线的比较图。
图5是频率梳光源用于FP透过率曲线探测示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。
实施例一
如图1至图5所示，一种利用回音壁模式激光光源测FP透过率曲线的装置，包括依次设置的种子激光器、第一偏振片1、第二偏振片2、分光镜0、缩束系统、透镜3和PDMS(微流控基片)。分光镜0对应有能量计(即探测器0)，缩束系统由透镜1和透镜2组成。PDMS对应设置有第一光谱仪0。PDMS的一端预置入有第一光纤1，另一端预置入有第二光纤2。第一光纤1的端面对应透镜3，第二光纤2对应有准直器，准直器对应有第一分束器1(或称分光镜)。第一分束器1分别对应有第二分束器2和光圈，第二分束器2分别对应有第二光谱仪1和第一探测器1，光圈对应有FP(FP标准具)，FP对应有第三分束器3，第三分束器3分别对应有第二探测器2和第三光谱仪2。
一种利用回音壁模式激光光源测FP透过率曲线的装置的方法，包括上述利用回音壁模式激光光源测FP透过率曲线的装置，将单一频率的种子激光器发出的激光通过第一偏振片和第二偏振片调节入射光的偏振；然后透过分光镜，分一束光至能量计中用于监视入射光的能量，通过分光镜的激光透过透镜1和透镜2组成的缩束系统然后经过透镜3聚焦到第一光纤的端面上，第一光纤已经被预置入PDMS中，PDMS中加入所需染料后，在第一光纤中以回音壁模式传播光受染料的增益作用会产生回音壁模式的激光，产生的光被第一光谱仪监视，确认为我们需要的回音壁模式的激光后，通过第二光纤通入到扩束系统中；然后通过第一分束器，将激光分束为光束A1和光束A2，第二分光器将光束A2分为光束B1和光束B2，然后通过第二光谱仪检测光束B2的频率成分，第一探测器接收光束B1的能量；光束A1穿过光圈和FP，通过第三分束器把光束A1分为光束C1和光束C2，随后光束C2由第三光谱仪检测其频率成分，光束C1由第二探测器接收测量其能量；第一探测器和第二探测器的能量变化用于校准，然后通过比较FP前后对应频率分量的相对能量变化，即可得到相应频率的透射率，并将各频率分量通过多项式拟合，即可得到传输曲线。
本发明提出了一种利用微流控芯片中回音壁模式的激光光源测量FP标准具透过率曲线的装置及方法。由于回音壁模式的光源可以多种频率成分并且频率间距虽然不完全相等，但是相对精确确定，所以可以一次性测量FP标准具的透过率曲线，避免了上述缺陷。基于微流控的优势，该光源的频率间隔和光谱范围可调，并且相对于其他方法成本非常低。该方法大大降低了测量通过率曲线的成本，提高了测量精度和有效性。
实施例二
本发明的目的就是提供一种利用回音壁模式激光光源测FP透过率曲线的装置和方法，能完全解决上述现有技术的不足之处。
术语解释：回音壁模式(WGM)：在声学里，回音壁“回音”的原理是圆形墙面连续反射声波,所以说话时要和墙有一定的距离。回音壁就是皇穹宇的外墙，围墙建造的磨砖对缝，十分的平滑，是很好的声音载体，可以传声，在传递途中对声音损失极小。在光学领域，在光纤中的回音壁模式也有类似的特性。
F-P的标准透过率曲线是一个非常重要的参数。一般通过调节入射光源的波长、或者调节FP的腔长或入射光的角度，也有人提出采用频率梳光源的方式来测量FP标准具透射率曲线。但是以上方法要么设备昂贵，要么很难找寻到所需求的参数。而且无论波长的调谐还是入射光的角度都很难保证其变化是线性的，并且每次变化的步长都会引入新的误差，最终导致测量精度不够。本文提出了一种基于微流控芯片中回音壁模式的激光光源测量FP标准具透过率曲线的方法。微流控芯片结构小巧，基本低；音壁模式能提供多种频率成分，频率间隔虽然不完全相等，但是相对精确确定，因此可以一次性测量FP标准具的透过率曲线。基于微流控芯片的结构，此激光光源频率间隔和光谱范围可调，避免了上述其他方法的缺陷。该方法结合了微流控芯片的技术，缩小了体积的同时，提高了测量精度并且降低了成本，具有很好的理论和实用价值。
法布里-帕罗(Fabry-Parot)标准具是一种干涉仪，简称FP标准具或直接简称为FP，主要由两块平板玻璃或石英板组成。它可以作为高分辨率滤光片或用于高分辨率光谱分析精密波长计。在激光系统中，通常用来缩小腔内的线款或使激光系统以单模工作。它可以作为宽带皮秒激光器的介质带宽控制和调谐装置。它也可以作为鉴频器广泛应用于激光雷达的多普勒测风或气溶胶探测中。由于FP标准具的广泛应用，F-P的标准透过率曲线是一个非常重要的参数。一般通过调节入射光源的波长或入射光的角度来测量FP标准具透射率曲线。但是具有波长调谐功能的激光光源源非常昂贵，甚至一些宽自由光谱范围的FP标准具很难找到相应波长调谐范围宽的激光源。另外，波长的调谐和入射光的角度都是非线性的，测量精度不够。本文提出了一种利用频率梳光源测量FP标准具透过率曲线的方法。由于频率梳光源具有频率间隔相等的多种频率成分，因此可以一次性测量FP标准具的透过率曲线。并且频率间隔和光谱范围可调，避免了上述缺陷。该方法大大降低了测量通过率曲线的成本，提高了测量精度和有效性，具有很好的理论和实用价值。
1)FP的工作原理和FP常见透过率测试方法
一个普通的标准具由两个相互平行的反射面组成。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1所示，两反射面的振幅反射比分别为R1和R2，两反射面之间的介质折射率为n，介质厚度为h,U0的入射角为θ。
透射光束的振幅分别为：
U'1＝U0(1-R1)(1-R2)；
U'2＝U0(1-R1)(1-R2)R1R2eiδ；
….
其中，
透射光束总的振幅为
则FP的透过率可以表示为：
当干涉仪的两个表面的振幅反射率相等时，也就是R1＝R2，且每一表面的强度反射等于R＝R1 2时，FP的透过率可以简化为：
从上面的表达式可以看出，FP的透射率T与腔长、波长和入射角等有关。所以一般通过调节入射光源的波长或入射光的角度来测量FP标准具透射率曲线。但是具有波长调谐功能的激光光源源非常昂贵，甚至一些宽自由光谱范围的FP标准具很难找到相应波长调谐范围宽的激光源。另外，波长的调谐和入射光的角度都是非线性的，测量精度不够。由于频率梳光源具有频率间隔相等的多种频率成分，因此可以一次性测量FP标准具的透过率曲线。并且频率间隔和光谱范围可调，避免了上述缺陷。
2)微流控中消逝波激励回音壁模式的激光特性
光学频率梳(ofc)是指由一系列频率分量组成的频谱，这些分量间隔均匀，在频谱中具有相干稳定的相位关系。但是频率梳源非常昂贵。在工程应用中，迫切需要一种类似频率梳光源并且能提供多种频率成分的光源，并且要是经济、可靠的光源。回音壁模式激光器具有类似于各种频率分量的光学频率梳(OFC)的特性，但频率的间隔并不严格相等，但可以精确地确定。尤其是基于微流控芯片中的回音通道模式的激光源。除了多个频率分量外，还可以通过调整可以通过调整染料类型、光纤直径、包层溶液折射率等相关参数来改变频率分量的范围和频率间隔。由于它可以集成在微流控芯片上，当我们需要不同的光源范围或距离时，我们可以调整微流控芯片中的相应参数。对于更大的调整范围，也可以通过直接重新设计一个新的微流控芯片来实现。由于这种微流控芯片的低成本，这个方案就很容易被推广应用。下图显示了在微流控芯片中获得的回音壁模式的各种频率分量的频谱。从图中我们可以看到通过会有不同的回音壁模式偏振信息。实际应用中，可以通过调整泵浦光的偏振，来获得与微流控光源相同的偏振信息，参见图2，不同入射偏振对应的回音壁激光的偏振信息，N＝1mM，n2＝1.362，E＝42uJ/mm2，分为展示了仅仅有TM模式的辐射激光、同时有TM模式和TE模式的辐射激光和只有TE模式的辐射激光的光谱图，此技术特征可用于FP退偏振的研究。
本发明提出了一种利用微流控芯片中回音壁模式的激光光源测量FP标准具透过率曲线的装置及方法。由于回音壁模式的光源可以多种频率成分并且频率间距虽然不完全相等，但是相对精确确定，所以可以一次性测量FP标准具的透过率曲线，避免了上述缺陷。基于微流控的优势，该光源的频率间隔和光谱范围可调，并且相对于其他方法成本非常低。采用回音壁模式的光源，可以同时得到多种频率成分，并且可以同时改变多种频率成分的偏振情况，可以快速的测量FP对偏振的响应。该方法大大降低了测量通过率曲线的成本，提高了测量精度和有效性，提出了可以有效测量FP对偏振特性的响应的测量方法，具有很好的应用前景。
所述方法整体方案设计为：
1)首先根据需求在微流芯片中设计所需要的回音壁模式的激光光源；
2)然后通过光纤把激光光源导入到可以用于瞬时测量FP的透过率曲线的系统中；
3)测量FP的透过率曲线。
具体的，如图3所示，其装置包括包括依次设置的种子激光器、第一偏振片、第二偏振片、分光镜、缩束系统、透镜3和PDMS，所述分光镜对应有能量计，所述缩束系统由透镜1和透镜2组成。所述PDMS对应设置有第一光谱仪，所述PDMS的一端预置入有第一光纤，另一端预置入有第二光纤，所述第一光纤的端面对应透镜3，所述第二光纤对应有准直器，准直器对应有第一分束器，所述第一分束器分别对应有第二分束器和光圈，所述第二分束器分别对应有第二光谱仪和第一探测器，所述光圈对应有FP，FP对应有第三分束器，所述第三分束器分别对应有第二探测器和第三光谱仪。
具体方法为：单一频率的种子激光器发出的激光通过第一偏振片1和第二偏振片2调节入射光的偏振，然后透过分光镜0，分一束光至能量计中用于监视入射光的能量；通过分光镜0的激光透过透镜1和透镜2组成的缩束系统，然后经过,透镜3聚焦到第一光纤1的端面上，第一光纤1已经被预置入PDMS中，微流控基片中加入所需染料后，在第一光纤1中以回音壁模式传播光受染料的增益作用会产生回音壁模式的激光，产生的光被第一探测器0(光谱仪)监视，确认为我们需要的回音壁模式的激光后，通过第二光纤2通入到扩束系统中，然后通过第一分束器，分束为光束A1和光束A2。第二分光器将光束A2分为光束B1和光束B2，然后通过第二光谱仪1检测光束B2的频率成分，第一探测器1接收光束B1的能量。光束A1穿过光圈、第三偏振片3和FP标准具，通过第三分束器3把光束分为光束C1和光束C2，随后光束C2由第三光谱仪2检测其频率成分，光束C1由第二探测器2接收测量其能量。第一探测器0和第二探测器1的能量变化用于校准，然后通过比较FP前后对应频率分量的相对能量变化，即可得到相应频率的透射率，并将各频率分量通过多项式拟合，即可得到传输曲线。如图4为采用WGM模式测量透过率曲线和理论透射率曲线比较，黑线代表理论通过率曲线，有圈的线代表本文所描述的WGM激光器获得的透射率曲线。从图中可以看出，两者吻合非常好，此方法可以从理论上拟合出FP的通过率曲线。
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 (3)
1.一种利用回音壁模式激光光源测FP透过率曲线的装置，其特征在于：包括依次设置的种子激光器、第一偏振片、第二偏振片、分光镜、缩束系统、透镜和PDMS；所述分光镜对应有能量计；所述PDMS对应设置有第一光谱仪；所述PDMS的一端预置入第一光纤，另一端预置入第二光纤；经过透镜的激光聚焦到第一光纤的端面；所述第二光纤对应有准直器，准直器对应有第一分束器，所述第一分束器分别对应有第二分束器和光圈，所述第二分束器分别对应有第二光谱仪和第一探测器，所述光圈对应有FP，FP对应有第三分束器，所述第三分束器分别对应有第二探测器和第三光谱仪。
2.根据权利要求1所述的利用回音壁模式激光光源测FP透过率曲线的装置，其特征在于：所述缩束系统由第一透镜和第二透镜组成。
3.一种利用回音壁模式激光光源测FP透过率曲线的装置的方法，其特征在于：包括上述任一权利要求所述的利用回音壁模式的激光光源测FP偏振特性的装置，将单一频率的种子激光器发出的激光通过第一偏振片和第二偏振片调节入射光的偏振；然后透过分光镜，分一束光至能量计中用于监视入射光的能量，通过分光镜的激光透过第一透镜和第二透镜组成的缩束系统然后经过透镜聚焦到第一光纤的端面上，第一光纤已经被预置入PDMS中，PDMS中加入所需染料后，在第一光纤中以回音壁模式传播光受染料的增益作用会产生回音壁模式的激光，产生的光被第一光谱仪监视，确认为需要的回音壁模式的激光后，通过第二光纤通入到扩束系统中；然后通过第一分束器，将激光分束为光束A1和光束A2，第二分光器将光束A2分为光束B1和光束B2，然后通过第二光谱仪检测光束B2的频率成分，第一探测器接收光束B1的能量；光束A1穿过光圈和FP，通过第三分束器把光束A1分为光束C1和光束C2，随后光束C2由第三光谱仪检测其频率成分，光束C1由第二探测器接收测量其能量；第一探测器和第二探测器的能量变化用于校准，然后通过比较FP前后对应频率分量的相对能量变化，即可得到相应频率的透射率；并将各频率分量通过多项式拟合，即可得到传输曲线。
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