CN110864806A - 一种基于光栅对中时域延展色散傅里叶变换的实时光谱测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于光栅对中时域延展色散傅里叶变换的实时光谱测量系统，包括双衍射光栅、光学腔、高速光电二极管和宽带示波器。被测光场入射第一个衍射光栅并发生空间色散，之后光场进入光学腔并发生多次反射，同时经历时域延展色散傅里叶变换，将被测光场的频谱信息映射至时域上，光学腔输出的光场由第二个衍射光栅在空间收集。被测光场从光栅对输出后耦合进入高速光电二极管，并由宽带示波器进行实时的时域测量。本发明利用双光栅之间的时域延展色散傅里叶变换，实现被测光场频谱信息与时域信息的一一映射，通过高速光电探测器和宽带示波器实时测量光场的时域信息，进而完全还原被测光场的光谱。

Description

一种基于光栅对中时域延展色散傅里叶变换的实时光谱测量 系统
技术领域
本发明属于光学技术领域，更具体地，涉及到时域延展色散傅里叶变换系统，尤其涉及一种基于光栅对中时域延展色散傅里叶变换的实时光谱测量系统。
背景技术
随着科学技术的发展，光谱测量技术作为一种基本的测量手段，已经越来越广泛的应用于各个领域中。光谱测量技术多基于光学色散的原理，将复色光色散为不同波长的单色光，并测量相应波长处的光场强度。
常用的光谱测量系统以光栅作为色散系统的核心元器件。光源发出的光通过狭缝照射到准直物镜上，整形后成为平行光束透射到色散光栅上，将单束复合光分解为多束单色光，经过成像物镜按照波长的顺序成像在透镜焦平面上。
为了有效的探测到不同波长的单色光，光谱测量系统有两种常规的技术手段。一是利用线阵CCD直接测量，通过光场在CCD像面的位置和灰度值获取光场的波长和光强度分布；二是通过机械结构扫描色散光栅，通过普通光电探测器探测，由光栅的位置和探测器读取的光电流值获取波长和光强度的分布。受限于CCD的响应速率(30Hz-1k Hz)，CCD直接测量式光谱系统的采集速率非常低；而机械结构扫描的速率也比较有限(～k Hz)，也限制了机械扫描式光谱测量系统的采集速率。因此，当前的色散式光谱测量系统均与实时测量有较大的差距。
发展一种能够实时测量光谱信息的光谱测量系统是具有广泛应用前景的研究方向。光学时域延展技术通过色散傅里叶变换过程，将光场的光谱信息一一映射至时域上，可通过实时测量光场的时域信号完全的还原光场的光谱信息。
发明内容
基于上述目的，本发明提供了一种基于光栅对中时域延展色散傅里叶变换的实时光谱测量系统。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种基于光栅对中时域延展色散傅里叶变换的实时光谱测量系统，包括两个衍射光栅、光学腔、高速光电探测器和宽带示波器，
两个衍射光栅平行放置，并相距一定距离，第一个光栅对于入射光场进行空间分光色散，使光场在传输过程中经历色散傅里叶变换，并不断的在时域上延展；第二个光栅将空间色散的光场收集起来，并耦合进入高速光电探测器；
所述光学腔，由两块宽带宽、高反射率的平面反射镜组成，光场在光学腔之间的总传播距离为两块反射镜之间的距离与总反射次数之间的乘积，光学腔能够在有限的空间内有效的增大光场的传输距离；
通过高速光电探测器和宽带宽示波器实时的测量经过时域延展的被测光场信息，完全还原入射光场的光谱；
所述宽带示波器，具有带宽宽、采样速率高的性能。
其中，所述高速光电探测器为高速光电二极管，所述高速光电二极管，具有光敏面积小、带宽宽、响应时间短的特点。
与现有技术相比，本发明的有益效果为，本发明采用色散傅里叶变换的基本方法，以光栅对作为色散介质延展、变换被测光场，完成光场的频域与时域转换，实现了光谱的实时测量功能。该系统具有操作简单、结构紧凑、测量速率高等优点，对于提高光谱测量系统的性能具有重要意义。
附图说明
图1为本发明中利用光栅对实现时域延展色散傅里叶变换的原理图。
图1中，G-光栅；θ-衍射角.TS-DFT,time-stretch dispersive Fouriertransform(时域延展色散傅里叶变换).
Input beam入射光场，Output beam入射光场；
图2为本发明中光栅对的二阶色散系数。
图2(a)为与光栅常数d之间的关系；图2(b)为与衍射角θ之间的关系；
图3为本发明中光栅对的色散常数。
图3(a)为与光栅常数d之间的关系；图3(b)与衍射角θ之间的关系；
图4为本发明中基于光栅中色散傅里叶变换进行实时光谱分析的实验原理图。
图4中，OS,optical source(光源)；TS-DFT,time-stretch dispersive Fouriertransform(时域延展色散傅里叶变换)；G,grating(光栅)；HRM,high reflective mirror(高反射率反射镜)；OC,optical cavity(光学腔)；PD,photodiode(光电二极管)；OSC,oscilloscope(示波器)。
图5为方形脉冲光场的时域与频域谱图。
图5(a)为原始的方形光脉冲的时域图，脉冲宽度Δt＝1ps；图5(b)被测光场经过实验装置的色散傅里叶变换时域图与频谱图。
图5中，短虚线描述的是被测光场的频谱(Spectrum)，长虚线代表的是被测光场经过光栅对时域延展色散傅里叶(TS-DFT)变换的曲线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的目的在于提供一种基于光栅对中时域延展色散傅里叶变换进行实时光谱测量的系统，旨在满足当前实时光谱测量的技术需求，同时克服系统体积大、操作复杂等缺点。该光谱测量系统具有实时测量、结构紧凑、操作简便等优点，能够有效解决当前光谱测量系统不具有实时性的缺陷。
本发明公开了一种基于光栅对中时域延展色散傅里叶变换的实时光谱测量系统，包括双衍射光栅、光学腔、高速光电二极管和宽带示波器。被测光场入射第一个衍射光栅并发生空间色散，之后光场进入光学腔并发生多次反射，同时经历时域延展色散傅里叶变换，将被测光场的频谱信息映射至时域上，光学腔输出的光场由第二个衍射光栅在空间收集。被测光场从光栅对输出后耦合进入高速光电二极管，并由宽带示波器进行实时的时域测量。本发明利用双光栅之间的时域延展色散傅里叶变换，实现被测光场频谱信息与时域信息的一一映射，通过高速光电探测器和宽带示波器实时测量光场的时域信息，进而完全还原被测光场的光谱。本发明对于解决当前光谱分析系统采集速率慢、不能实时获取光谱信息的技术缺陷具有重要意义。
图1描述了光场在光栅对之间进行时域延展色散傅里叶变换的基本原理。被测光场入射第一个衍射光栅，光场在空间色散为不同波长的光，同时在传播的过程中不断的发生时域延展，之后经由第二个衍射光栅，空间色散的光场被收集起来，完成时域延展色散傅里叶变换过程。在该装置中，两个光栅必须平行放置，以保证经由第一个光栅空间散开的光场能够被第二个光栅完全的收集。
光栅对本身的色散特性是决定光场时域延展色散傅里叶变换的关键。图2描述了光栅对的二阶色散系数β2。其中，图2(a)的参数包括波长λ＝800nm，入射角θ＝22.5°，衍射级数m＝1；图2(b)的参数包括波长λ＝800nm，光栅常数d＝1/1200mm，衍射级数m＝1。图3描述了光栅对的色散常数D。其中，图3(a)的参数包括波长λ＝800nm，入射角θ＝22.5°，衍射级数m＝1；图3(b)的参数包括波长λ＝800nm，光栅常数d＝1/1200mm，衍射级数m＝1。
图4是基于光栅对中时域延展色散傅里叶变换的光谱测量系统实验装置图。被测光场首先进入光栅对，为了增加系统总的色散量，通过光学腔增大光场总的传播距离。光学腔由两个镀银的平面反射镜组成，波长范围为0.4—10μm，反射率99.8％，以保证光场在两个反射镜之间的高反射率传播，降低传输损耗。两个平面反射镜之间有较小的夹角(约0.2-3mrad)，以压缩传播过程中所引入的的空间光束色散，便于第二个光栅的收集；利用光学腔的特殊结构使光栅对之间传输的光场在腔内连续反射，以在有限的空间内增大光场在光栅对之间的传播距离，满足时域延展色散傅里叶变换过程中大色散的要求，并有效减小系统的空间体积。
图5描述了被测光场进入光栅对之后发生色散傅里叶变换的结果。光栅对的二阶色散系数β2＝2ps2/m，总传输距离L＝50m。图5(a)为脉冲宽度为1ps的初始被测光场，图5(b)中短虚线描述的是被测光场的频谱，长虚线代表的是被测光场经过光栅对时域延展色散傅里叶变换的曲线。由图可知，被测光场的初始频谱与经过光栅对的时域延展曲线完全一致，说明实现了频域与时域的一一映射，因此可通过测量输出光场的时域曲线获取光场的初始频谱。初始1ps的被测光场被光栅对时域拉伸至1ns，达到了光电二极管可实时探测的范围。
在本发明实施案例中，光电探测器使用光敏面小、带宽宽、量子效率高的光电二极管器件，以保证探测器的响应时间小于拉伸后光场的宽度。
在本发明实施案例中，示波器采用带宽宽、采样率高的模拟示波器，以保证时域信息采集的实时性。
另外，本发明基于光场的色散傅里叶变换过程，将被测光场的频域信息一一映射至时域，通过时域光场的高速探测获取实时的光谱信息。本发明利用光栅对作为色散介质，实现光场的时域延展色散傅里叶变换，能够克服色散补偿光纤作为色散傅里叶变换介质的波段限制，有效的扩大了光谱测量技术的应用波段。本发明中光场在光栅对之间传输需要引入大的色散量，以满足光场在时域展宽至高速光电探测器可实时探测的要求。所述光栅对使用刻线密度高、光栅常数小的衍射光栅作为核心色散器件，同时提高被测光场的入射角度，并引入光学腔以增大光场的传输距离，以获取大的色散量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于光栅对中时域延展色散傅里叶变换的实时光谱测量系统，其特征在于，包括两个衍射光栅、光学腔、高速光电探测器和宽带示波器，
两个衍射光栅平行放置，并相距一定距离，第一个光栅对于入射光场进行空间分光色散，使光场在传输过程中经历色散傅里叶变换，并不断的在时域上延展；第二个光栅将空间色散的光场收集起来，并耦合进入高速光电探测器；
所述光学腔，由两块宽带宽、高反射率的平面反射镜组成，光场在光学腔之间的总传播距离为两块反射镜之间的距离与总反射次数之间的乘积，光学腔能够在有限的空间内有效的增大光场的传输距离；
通过高速光电探测器和宽带宽示波器实时的测量经过时域延展的被测光场信息，完全还原入射光场的光谱。
2.根据权利要求1所述的一种基于光栅对中时域延展色散傅里叶变换的实时光谱测量系统，其特征在于，
所述高速光电探测器为高速光电二极管。
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