CN111157127A - 一种实时测量激光波长的系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种实时测量激光波长的系统，涉及激光测量技术领域，旨在提供一种简单准确地实时测量激光器波长的系统。包括：分光结构、平行平板，第一光电探测器组、第二光电探测器组、第一放大电路、第二放大电路以及数据采集装置。通过分光结构设置多束入射光，多束入射光经过平行平板后形成多组数据，数据采集装置对多组数据进行处理，得到多个反射光的光强与透射光的光强的比值，结合当前激光器的温度，确定出射激光的波长。
Description
技术领域
本申请涉及激光测量技术领域，特别是涉及一种实时测量激光波长的系统。
背景技术
在光通讯、检测气态样品、医疗器械制造、智能交通等领域，激光有广泛的应用。在上述激光的应用中，都需要激光波长的测量操作。例如，利用小型CRDS(光腔衰荡光谱)检测光腔内气体原子、分子和其他许多物质的结构时，需要确定入射到CRDS的激光的波长。
常规的光谱分析仪或波长计测量会带来巨大的时间成本和设备价格成本。并且现有测量激光波长技术需通过确定干涉级次或干涉级次变化量求出波长，或测量干涉圆环吞吐数量和共振腔长度的改变量计算出激光波长，这种方法只可以在波长稳定时进行测量，难以应用于激光波长的实时监测，并且测量干涉圆环吞吐数量和共振腔长度会导致较大的误差，需要重复多次测量。
发明内容
鉴于上述问题，本申请实施例提供一种实时测量激光波长的系统，旨在简单准确地实时测量激光器产生的激光的波长。
本申请实施例提供了一种实时测量激光波长的系统，包括：分光结构、平行平板，第一光电探测器组、第二光电探测器组、第一放大电路、第二放大电路以及数据采集装置；
所述数据采集装置通过激光控制器连接激光器，以读取所述激光器的温度；
所述分光结构连接所述激光器，用于将所述激光器产生的出射激光分为多束入射光，并使所述多束入射光以不同的目标角度入射所述平行平板；
所述第一光电探测器组和所述第二光电探测器组分别用于采集多个反射光汇聚点的第一光强和多个透射光汇聚点的第二光强；其中，所述反射光汇聚点和所述透射光汇聚点是由所述多束入射光中的其中一束入射光经过所述平行平板后得到的多束反射光或多束透射光的汇聚点；
所述第一光电探测器组和所述第二光电探测器组分别将采集到的多个所述第一光强和多个所述第二光强转换为多个第一电流信号和多个第二电流信号；
所述第一放大电路和所述第二放大电路分别将多个所述第一电流信号和多个所述第二电流信号转换为多个第一电压信号和多个第二电压信号；
所述数据采集装置计算得到多个所述第一电压信号和多个所述第二电压信号的比值集合，并依据所述比值集合计算得到所述出射激光的波长取值集合；
所述数据采集装置根据预存的参考波长与所述激光器的温度的对应关系，得到所述出射激光的波长区间；
所述数据采集装置根据所述波长区间，在所述波长取值集合中确定所述出射激光的波长。
可选地，所述数据采集装置包括计算机和数据采集卡；
所述激光器通过所述激光控制器连接所述计算机；
所述计算机通过所述激光控制器调节并读取所述激光器的温度；
所述计算机获取测量得到的所述激光器在不同温度时的出射激光的参考波长，与所述参考波长与所述激光器的温度的对应关系；
所述计算机保存所述参考波长与所述激光器的温度的对应关系。
可选地，所述激光器连接法布里波罗干涉仪、马赫曾德干涉仪或迈克尔逊干涉仪；
以所述法布里波罗干涉仪、马赫曾德干涉仪或迈克尔逊干涉仪测量所述激光器在不同温度时的出射激光的参考波长；
所述计算机存储不同温度对应的参考波长。
可选地，所述分光结构包括空间光耦合器、平面镜组、第一1/2波片、第二1/2波片、第一PBS棱镜以及第二PBS棱镜；
所述空间光耦合器将所述出射激光耦合为空间光，使所述空间光入射到所述第一1/2波片和所述第一PBS棱镜组成的第一分光组件；
所述第一分光组件将所述空间光分为第一入射光和平行光，并使所述平行光入射到所述第二1/2波片和所述第二PBS棱镜组成的第二分光组件；
所述第二分光组件将所述平行光分为第二入射光和第三入射光；
所述平面镜组用于调节所述第一入射光、所述第二入射光和所述第三入射光的光路，并使所述第一入射光以第一目标角度入射进所述平行平板，使所述第二入射光以第二目标角度入射进所述平行平板，使所述第三入射光以第三目标角度入射进所述平行平板；
所述第一目标角度、所述第二目标角度和所述第三目标角度中任意两者关于测量曲线的相位差为120度。
可选地，所述第一光电探测器组包括第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器；所述第二光电探测器组包括第四光电探测器、第五光电探测器和第六光电探测器；
所述第一光电探测器和所述第四光电探测器分别用于采集第一反射光汇聚点的光强和第一透射光汇聚点的光强；其中，所述第一入射光以第一目标角度入射进所述平行平板，经过所述平行平板不断透射和反射后，得到多束所述第一反射光和多束所述第一透射光；
所述第二光电探测器和所述第五光电探测器分别用于采集第二反射光汇聚点的光强和第二透射光汇聚点的光强；其中，所述第二入射光以第二目标角度入射进所述平行平板，经过所述平行平板不断透射和反射后，得到多束所述第二反射光和多束所述第二透射光；
所述第三光电探测器和第六光电探测器分别用于采集第三反射光汇聚点的光强和第三透射光汇聚点的光强；其中，所述第三入射光以第三目标角度入射进所述平行平板，经过所述平行平板不断透射和反射后，得到多束所述第三反射光和多束所述第三透射光。
可选地，所述系统还包括三个第一凸透镜和三个第二凸透镜；
所述三个第一凸透镜设置在所述平行平板的入射光域，所述第一凸透镜用于汇聚多束所述第一反射光，或汇聚多束所述第二反射光，或汇聚多束所述第三反射光；
所述三个第二凸透镜设置在所述平行平板的出射光域，所述第二凸透镜用于汇聚多束所述第一透射光，或汇聚多束所述第二透射光，或汇聚多束第三透射光。
可选地，所述第一放大电路和所述第二放大电路均包括信号放大单元和滤波单元；
所述放大单元连接所述第一光电探测器组或所述第二光电探测器组，用于将所述第一电流信号转换为第一电压信号，或将所述第二电流信号转换为第二电压信号；
所述放大单元将所述第一电压信号或所述第二电压信号放大后传输给所述滤波单元；
所述滤波单元连接所述数据采集卡，将滤除噪声后的所述第一电压信号或所述第二电压信号发送给所述数据采集卡。
可选地，所述放大单元是前置T型放大网络；
所述前置T型放大网络包括放大器、电容和多个电阻；
所述滤波单元是由多个放大器组成的仪表放大器；
所述仪表放大器的放大倍数为预设放大倍数。
可选地，所述数据采集卡对多个所述第一电压信号和多个所述第二电压信号进行N次采集；
所述数据采集卡将采集得到的多个N次采集的所述第一电压信号和多个N次采集的所述第二电压信号发送给所述计算机；
所述计算机将多个N次采集的所述第一电压信号和多个N次采集的所述第二电压信号对N求取平均值，得到多个所述第一电压信号的平均值与多个所述第二电压信号的平均值；
所述计算机计算得到多个所述第一电压信号的平均值与多个所述第二电压信号的平均值的比值；
所述计算机根据多个所述第一电压信号的平均值与多个所述第二电压信号的比值中的任一所述第一电压信号的平均值与任一所述第二电压信号的平均值的比值，得到所述出射激光的波长的取值子集合；
所述计算机合并多个所述取值子集合得到所述出射激光的波长的取值集合。
可选地，所述计算机根据所述激光控制器读取所述激光器当前的温度；
所述计算机根据所述激光器当前的温度和所述参考波长与所述激光器的温度的对应关系，得到所述出射激光的波长区间；
所述计算机判断在所述当前温度下，多个所述第一电压信号和多个所述第二电压信号的比值集合中是否存在元素处于极值位置；
若所述比值集合中不存在处于极值位置的元素，则根据所述比值集合中的所有元素计算得到所述出射激光的波长取值集合；
若所述比值集合中存在处于极值位置的元素，则根据所述比值集合中除处于极值位置的元素外的其他元素计算得到所述出射激光的波长取值集合；
所述数据采集装置根据所述波长区间，在所述波长取值集合中确定所述出射激光的波长。
本申请实施例提供的实时测量激光波长的系统基于平行平板干涉原理，通过光电探测器采集出射激光经过同一平行平板后，得到的反射光的光强与透射光的光强，再计算得到反射光的光强与透射光的光强的比值，结合当前激光器的温度，得到当前激光器的出射激光的波长。波长测量采用反射光的光强与透射光的光强的比值，与激光的强度无关，在激光器激发出激光的任意时刻都可以测量出射激光的波长，波长的测量不受激光稳定性的影响，实现对激光波长的实时监测。
另外，本申请实施例提供的实时测量激光波长的系统可针对同一出射激光，实现同时采集多组数据，提高了激光波长测量的准确性。
附图说明
图1是本申请实施例中入射光通过平行平板的示意图；
图2是本申请实施例反射光强和透射光强的比值函数的仿真曲线图；
图3是本申请实施例实时测量激光波长的系统的示意图；
图4是本申请实施例中激光的参考波长与激光器的温度的对应关系图；
图5是本申请实施例测量得到的反射光与入射光的比值-波长曲线图；
图6是本申请实施例第一放大电路和第二放大电路的原理图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
现有的激光波长测量装置的通过确定干涉级次或干涉级次变化量测量激光波长的方法，需在激光波长稳定时才能进行测量，在确定干涉级次或干涉级次变化量时会不可避免地出现误差，并且需要重复测量多次。同时整个装置体积较大，不便于携带。
本发明利用平行平板多光束干涉原理，通过测量平行平板入射光域的反射光的光强和透射光域的透射光的光强的比值，确定光的波长。
参考图1，图1是本申请实施例中入射光通过平行平板的示意图。
在平行平板的入射光域放置凸透镜L，在透射光域放置凸透镜L’。
当光源ω的一束激光入射进入平行平板内，激光在平行平板内不断透射和反射，并在平板两面出射多束反射光与多束透射光，利用凸透镜L和凸透镜L’，分别将多束反射光与多束透射光聚焦于一点P和P’。反射光在P点的光强为：
透射光在P’的光强为：
其中，I(r)为反射光的光强，I(i)为入射光的光强，I(t)为透射光的光强，δ为进入平行平板的入射激光的波长与激光入射平行平板后的折射角的关系，F为与平行平板反射率相关的常数。
上式中λ为入射激光的波长，h为平行平板的厚度，θ2为入射激光以θ1入射平行平板后在平行平板内的折射角,ρ为反射率的平方。
可以得到P点的反射光强和P’点的透射光强的比值R：
根据上式和图2可知，图2是本申请实施例反射光强和透射光强的比值函数的仿真曲线图。图2中的虚线、实线和点画线代表了三条正弦曲线，即三束不同相位的入射光进入相同的平行平板，得到的反射光与透射光强的比值关于上式的仿真曲线。由图2可知，相位差并不影响曲线的幅度、周期等实质内容，将其中一条曲线平移，能得到另外两条曲线。不同的R与平行平板反射率、平行平板厚度、入射激光的进入平行平板的入射角和入射激光波长有关，在平行平板确定的情况下，平行平板的厚度和反射率已知，任意一束入射光以一定的入射角进入平行平板后，得到的反射光的光强与得到的透射光的光强的比值与其波长的倒数呈正弦函数的关系，因此可以在平行平板的入射光域和透射光域分别采集反射光和透射光的光强，再根据反射光和透射光的光强的比值确定激光的波长。
平行平板两侧的P点和P’点为多束反射光或多束透射光的汇聚点，利用光电探测器可以直接准确地采集P点和P’点的光强信号，不需要在激光波长稳定时，再通过确定干涉级次或干涉级次变化量的方式计算激光波长，实现对激光波长的实时监测；同时也避免了确定干涉级次或干涉级次变化量时带来的误差。
进一步地，将待测激光分为多束入射激光以不同的入射角度入射到平行平板，在平行平板的入射光域放置多个凸透镜L，透射光域放置多个凸透镜L’，每个凸透镜L用于汇聚相同束的入射激光经过平行平板后得到的多束反射光，每个凸透镜L’用于汇聚相同束的入射激光经过平行平板后得到的多束透射光，一次测量同时得到多个反射光光强与透射光光强的比值，进一步保证了激光波长测量和计算的准确性。
所述系统还包括三个第一凸透镜21和三个第二凸透镜22；
所述三个第一凸透镜21设置在所述平行平板2的入射光域，所述第一凸透镜21用于汇聚多束所述第一反射光，或汇聚多束所述第二反射光，或汇聚多束所述第三反射光；
所述三个第二凸透镜22设置在所述平行平板2的出射光域，所述第二凸透镜22用于汇聚多束所述第一透射光，或汇聚多束所述第二透射光，或汇聚多束第三透射光。
示例地，可以利用分光结构1将激光分为三束入射光，并使三束入射光以不同的角度入射到平行平板2。在平行平板2的两侧分别设置三个凸透镜，可以得到三束入射光的反射光汇聚点，和三束入射光的透射光汇聚点，再以六个光电探测器采集每个反射光汇聚点以及透射光汇聚点的光强。
第一凸透镜21为设置在平行平板的入射光域，用于汇聚平行平板反射光的凸透镜L；第二凸透镜22为设置在平行平板的透射光域，用于汇聚平行平板透射光的凸透镜L’；三个第一凸透镜21和三个第二凸透镜22可以是相同的。
为将待测激光分为多束入射激光，本申请实施例还设置了分光结构1。分光结构1用于将待测激光转换为预设数量的空间入射光，并使多束空间入射光以不同的入射角度进入平行平板。
根据上述示例可知，可以设置多个光电探测器采集每个反射光汇聚点以及透射光汇聚点的光强。具体地，可以以采集反射光汇聚点光强为目的设置第一光电探测器组，再以采集透射光汇聚点光强为目的设置第二光电探测器组。
光电探测器将光强信号转换为电信号后，将微弱的电信号输入放大电路进行放大，输入数据采集装置，对数据进行处理，得到反射光光强与透射光光强的比值。
根据上述分析可知，本申请实施例提出的实时测量激光波长的系统主要包括：分光结构1、平行平板2，第一光电探测器组3、第二光电探测器组4、第一放大电路5、第二放大电路6以及数据采集装置7；
参考图3，图3是本申请实施例实时测量激光波长的系统的示意图。
图3中直线是电路控制线，点画线是光纤，光纤(点画线)连接空间光耦合器和激光器，虚线是出射激光耦合形成的空间光的光路。
所述数据采集装置7通过激光控制器8连接激光器，以读取所述激光器的温度；
具体地，数据采集装置7由数据数据采集卡71和计算机72组成。
所述数据采集装置7包括计算机72和数据采集卡71；
所述激光器通过激光控制器8连接所述计算机72；
激光控制器8可以调节和读取激光器当前的电流和温度，在利用实时测量激光波长的系统测量激光器的出射激光的波长时，激光控制器8对应显示激光器实时的温度和电流，计算机72连接激光控制器8，获得激光器激发出出射激光时的温度。
在本申请的另一种实施例中，计算机72连接激光控制器8和测量激光器的激发的激光的参考波长的测量仪。
所述计算机72通过所述激光控制器8调节并读取所述激光器的温度；计算机读取的激光器的温度是按预设步长递增的。预设步长是实时测量激光波长的系统调试组建时设置的，同时设置了激光器温度变化的范围。
所述计算机72获取测量得到的所述激光器在不同温度时的出射激光的参考波长；
所述计算机72生成所述参考波长与所述激光器的温度的对应关系。
因激光器激发出的激光与激光器的电流和温度相关，因此可以通过光电控制器改变激光器的温度和电流实现激光波长调节，以得到激光在不同波长时所对应的温度。首先通过计算机设置激光器激发激光的温度范围，和温度在设置的温度范围内增长的步长，并通过激光控制器8控制激光器的温度，激光器的温度按照预设步长在温度范围逐步递增，并在激光器处于每个温度节点时，使用测量仪粗略测得当前温度节点的激光波长。
示例地，在实时测量激光波长的系统组件和调试时，设置预设温度范围为21到40度，激光器电流为100mA，再以0.1度作为温度增长的预设步长。在实时测量激光波长的系统组件和调试时，还可以通过标准波长计或商用波长计标定参考波长与激光器的温度的对应关系，将标定完成的参考波长与激光器的温度的对应关系存储待计算机。图4所示，图4是本申请实施例中激光的参考波长与激光器的温度的对应关系图。
实际测量时，采用激光控制器LDC501调节并读取激光器的温度，依次在激光器的温度为21.1度、21.2度……39.9、40度，测量其出射激光的波长。再根据计算机保存参考波长与所述激光器的温度的对应关系，粗略估计在当前温度和电流下，激光器激发出的激光的波长，作为参考波长，并以参考波长可接受的变化区间作为波长区间。
例如，激光器的温度在26.4度时，激光的参考波长为1573.5nm，那么将[1573.5+△，1573.5-△]作为波长区间。其中△为根据实际情况确定的参考波长可接受的变化参数。若△为3nm，波长区间是[1576.5，1570.5]。在后续实际测量时，根据反射光和透射光的光强计算出波长的取值集合后，以在上述波长区间[1576.5，1570.5]内的取值为出射激光的波长。
一般地，可以使用法布里波罗干涉仪、马赫曾德干涉仪或迈克尔逊干涉仪作为标定参考波长的工具，也可以使用其他的波长计粗略测量激光的参考波长。
所述激光器连接法布里波罗干涉仪、马赫曾德干涉仪或迈克尔逊干涉仪；
以所述法布里波罗干涉仪、马赫曾德干涉仪或迈克尔逊干涉仪测量所述激光器在不同温度时的出射激光的参考波长；
所述计算机存储不同温度对应的参考波长。
也可以用商用波长计对激光器的出射激光的波长进行标定，建立激光器温度与出射激光的波长的关系曲线图，将关系曲线图存储到计算机。以在波长及实际测量中，在对照激光器温度与出射激光的波长的关系曲线图得到粗略的出射激光的波长的基础上，读取激光器实际温度和采集卡采集到的由出射激光光强的得的电压数据，即可得到出射激光的精确波长。
继续参考图3，分光结构1通过光纤连接激光器，将激光器产生的出射激光转换为空间光，并分为多束入射光。
本申请实施例采用DFB激光器，波长范围为1573-1575.2nm，在激光器出光口放置光隔离器放置光路中反射回来的光损坏激光器。
所述分光结构1连接所述激光器，用于将所述激光器产生的出射激光分为多束入射光，并使所述多束入射光以不同的目标角度入射所述平行平板2；
沿用前述示例，利用分光结构1将激光分为三束在空间传播的入射光。
所述分光结构1包括空间光耦合器11、平面镜组12、第一1/2波片13、第二1/2波片14、第一PBS棱镜15以及第二PBS棱镜16；
空间光耦合器11连接传输出射激光的光纤，将出射激光耦合为空间光。
所述空间光耦合器11将所述出射激光耦合为空间光，使所述空间光入射到所述第一1/2波片13和所述第一PBS棱镜15组成的第一分光组件；
第一1/2波片13和第一PBS棱镜15构成第一分光组件，第二1/2波片14和第二PBS棱镜16构成第二分光组件，结合第一分光组件和第二分光组件，将空间光耦合器11耦合成的空间光分为三束波长相同的入射光。
所述第一分光组件将所述空间光分为第一入射光和平行光，并使所述平行光入射到所述第二1/2波片14和所述第二PBS棱镜16组成的第二分光组件；
所述第二分光组件将所述平行光分为第二入射光和第三入射光；
所述平面镜组12用于调节所述第一入射光、所述第二入射光和所述第三入射光的光路，并使所述第一入射光以第一目标角度入射进所述平行平板，使所述第二入射光以第二目标角度入射进所述平行平板，使所述第三入射光以第三目标角度入射进所述平行平板；
所述第一目标角度、所述第二目标角度和所述第三目标角度中任意两者关于测量曲线的相位差为120度。
平面镜组12包括四块平面镜，通过反射改变第一入射光、所述第二入射光和所述第三入射光的传播光路，也通过平面镜组12调节三束入射光之间的相位差。
第一目标角度、第二目标角度和第三目标角度任意两者的相位差也可以是90度、80度等，因满足第一目标角度、第二目标角度与第三目标角度之间的相位差之和大于120度，此时第一入射光、第二入射光和第三入射光中至少有两束入射光经过平行平板后，得到的反射光和透射光的比值为有效比值。
优选地，第一目标角度、第二目标角度与第三目标角度之间的相位差之和为正弦函数的一个周期为最佳。
继续参考图1和图3，所述第一光电探测器组3和所述第二光电探测器组4分别用于采集多个反射光汇聚点的第一光强和多个透射光汇聚点的第二光强；其中，所述反射光汇聚点和所述透射光汇聚点是由所述多束入射光中的其中一束入射光经过所述平行平板后得到的多束反射光或多束透射光的汇聚点；
所述第一光电探测器组3和所述第二光电探测器组4分别将采集到的多个所述第一光强和多个所述第二光强转换为多个第一电流信号和多个第二电流信号；
根据图1和平行平板多光束干涉原理可知，一束入射光进入平行平板，会在平行平板的两侧出射多束反射光与多束透射光，在平行平板的两侧设置凸透镜以汇聚出射的多束反射光与多束透射光，多束反射光汇聚的点P为反射光汇聚点，多束透射光汇聚的点P’为透射光汇聚点；在多束入射光进入平行平板的情况下，在平行平板两侧对应设置多个凸透镜，以将由每束入射光到的多束反射光和多束入射光汇聚。
沿用前述示例，出射激光经过分光结构1得到三束入射光，对应三束入射光在第一光电探测器组3设置三个铟镓砷光电探测器进行测量，在第二光电探测器组4设置三个铟镓砷光电探测器进行测量。
所述第一光电探测器3组包括第一光电探测器31、第二光电探测器32和第三光电探测器33；所述第二光电探测器4组包括第四光电探测器41、第五光电探测器42和第六光电探测器43；
所述第一光电探测器31和所述第四光电探测器41分别用于采集第一反射光汇聚点的光强和第一透射光汇聚点的光强；其中，所述第一入射光以第一目标角度入射进所述平行平板2，经过所述平行平板2不断透射和反射后，得到多束所述第一反射光和多束所述第一透射光；
所述第二光电探测器32和所述第五光电探测器42分别用于采集第二反射光汇聚点的光强和第二透射光汇聚点的光强；其中，所述第二入射光以第二目标角度入射进所述平行平板2，经过所述平行平板2不断透射和反射后，得到多束所述第二反射光和多束所述第二透射光；
所述第三光电探测器33和第六光电探测器43分别用于采集第三反射光汇聚点的光强和第三透射光汇聚点的光强；其中，所述第三入射光以第三目标角度入射进所述平行平板2，经过所述平行平板2不断透射和反射后，得到多束所述第三反射光和多束所述第三透射光。
第一光电探测器31、第二光电探测器32、第三光电探测器33用于采集三个反射光汇聚点的光强；第四光电探测器41、第五光电探测器42、第六光电探测器43用于采集三个透射光汇聚点的光强。
对于第一入射光经过平行平板得到的多束第一反射光的汇聚点，和第一入射光经过平行平板得到的多束第一透射光的汇聚点，采用对应的第一光电探测器31和第四光电探测器41分别采集第一反射光的汇聚点和第一透射光的汇聚点的光强，再将光强信号输入数据处理装置，得到第一入射光的反射光光强与透射光光强的比值。
同时采用对应的第二光电探测器32和第五光电探测器42分别采集第二反射光的汇聚点和第二透射光的汇聚点的光强，采用对应的第三光电探测器33和第五光电探测器43分别采集第三反射光的汇聚点和第三透射光的汇聚点的光强，上述采集第一入射光的反射光光强与透射光光强，采集第二入射光的反射光光强与透射光光强，采集第三入射光的反射光光强与透射光光强可以同时进行，且第一入射光、第二入射光和第三入射光基于同一激光器产生的出射激光，即基于同一激光器产生的同一束出射激光，可以同时得到三组数据：第一入射光的反射光光强与透射光光强的比值R1、第二入射光的反射光光强与透射光光强的比值R2、第三入射光的反射光光强与透射光光强的比值R3。
根据前述分析可知R1、R2、R3三组数据，与平行平板反射率、平行平板厚度、入射激光进入平行平板的入射角和入射激光波长有关，第一入射光、第二入射光、第三入射光入射进相同的平行平板，平行平板反射率、平行平板厚度相同；第一入射光、第二入射光、第三入射光为同一激光器产生的同一束出射激光分光得到，波长相同，因此R1、R2、R3与第一入射光、第二入射光、第三入射光的入射角相关，本申请实施例同时得到的三组测量数据，仅因第一目标角度、第二目标角度、第三目标角度产生差异，因此通过平面镜组12调节第一目标角度、第二目标角度、第三目标角度，使第一目标角度、第二目标角度、第三目标角度中任意两个目标角度之间存在相位差，并且相位差之和大于120度。
沿用前述示例，将第一目标角度、第二目标角度、第三目标角度中任意两个目标角度之间存在相位差设置为120度。
所述第一放大电路和所述第二放大电路分别多个将所述第一电流信号和多个所述第二电流信号转换为多个第一电压信号和多个第二电压信号；
第一光电探测器组3和第二光电探测器4将采集到的光强信号转换为电流信号，再分别输入第一放大电路和所述第二放大电路，经过第一放大电路和所述第二放大电路转换和放大处理，得到电压信号，将电压信号输入数据采集装置，数据采集装置基于得到的电压信号得到R1，R2、R3。
参考图5，图5是本申请实施例测量得到的反射光与入射光的比值-波长曲线图。
在实际测量过程中发现在接近曲线测量极值点位置测量曲线明显失真，为提高测量准确性，使用曲线的非极值区域用于波长计算，基于上述实施例的设置，三路探测信号相位差为120度，一个周期被均匀分成三份，当其中任何一路探测信号处于极值区域内其他两路探测信号均处于线性区域，并用这两路信号计算得到波长并求取平均值，进一步提高探测的准确性。
所述数据采集装置7计算得到多个所述第一电压信号和多个所述第二电压信号的比值集合，并依据所述比值集合计算得到所述出射激光的波长取值集合；
所述数据采集装置7根据预存的参考波长与所述激光发射装置的温度的对应关系，得到所述出射激光的波长区间；
所述数据采集装置7根据所述波长区间，在所述波长取值集合中确定所述出射激光的波长。
波长取值集合指的是根据反射光和透射光光强的比值，计算得到的出射激光的波长的所有的取值。
数据采集装置7根据预存的参考波长与所述激光器的温度的对应关系，粗略计算激光波长；再根据粗略计算出的出射激光的波长，由多组反射光与透射光比值精确确定出射激光的波长。
示例地，计算机通过激光控制器8读取激光器当前的电流为100mA，温度为t1，对应图4得到在t1(30℃)温度下，粗略波长为1573.8nm。可以看作在电流为100mA，温度为t1，出射激光的波长的波长区间是[1573.8nm+△,1573.8nm-△]，在根据第一反射光和第一透射光的比值R1、第二反射光和第二透射光的比值R2、以及第三反射光和第三透射光的比值R3计算激光波长时，应选择与波长区间是[1573.8nm+△,1573.8nm-△]契合的取值。
读取多路探测器电压信号计算得到R1为0.606293，R2的值为0.486152，R3的值为0.095013。对应图5可得三个测量值中R1，R2在曲线线性范围内，R3未在线性范围内，略去R3的值。根据粗略估计的波长和公式
分别计算得λ1为1573.88932nm，λ2为1573.90010nm，求得λ1和λ2的平均值为1573.89471nm，作为最终的出射激光的波长。
可以理解的是，因正弦函数的性质，图5中的R20.486152还对应其他可能的取值，因此需要结合粗略估计的波长1573.8nm，来精确确定出射激光的波长。
在本申请的另一种实施例中，数据采集装置7中计算机72会根据读取的激光器的温度，结合图4和图5判断当前测量得到的比值R1，R2、R3对应的波长是否有位于极值的情况，因三束入射光入射到平行平板的两两相位为120度，所以在温度确定的情况下，R1，R2、R3至少有两个比值对应波长在线性区域，用线性区域的取值做平均值得到最终波长的取值更加准确。
所述计算机72根据所述激光控制器8读取所述激光器当前的温度；
所述计算机72根据所述激光器当前的温度和所述参考波长与所述激光器的温度的对应关系，得到所述出射激光的波长区间；
所述计算机72判断在所述当前温度下，多个所述第一电压信号和多个所述第二电压信号的比值集合中是否存在元素处于极值位置；
若所述比值集合中不存在处于极值位置的元素，则根据所述比值集合中的所有元素计算得到所述出射激光的波长取值集合；
若所述比值集合中存在处于极值位置的元素，则根据所述比值集合中除处于极值位置的元素外的其他元素计算得到所述出射激光的波长取值集合；
所述数据采集装置根据所述波长区间，在所述波长取值集合中确定所述出射激光的波长。
极值位置一般指的是反射光与入射光的比值-波长曲线图中，波峰或波谷的位置，以及波峰或波谷附近的位置。
示例地，本申请实施例利用分光结构1将出射激光分为三束不同的入射光，分别得到第一入射光、第二入射光和第三入射光，经过平行平板后的反射光和透射光的比值，若第一反射光和第一透射光的比值位于极值位置，则采用第二反射光和第二透射光的比值，和第三反射光和第三透射光的比值计算出射激光的波长。若第一入射光、第二入射光和第三入射光经过平行平板后的反射光和透射光的比值中，未有处于极值位置的值，则采用第一反射光和第一透射光的比值、第二反射光和第二透射光的比值，和第三反射光和第三透射光比值计算出射激光的波长。
若R1，R2、R3的比值在温度t0下有位于极值的元素，例如R1的值为0.74，其波长取值的对应点正好位于反射光与入射光的比值-波长曲线波峰的位置，此时取R2和R3在反射光与入射光的比值-波长曲线中，对应的波长作为最终的波长取值。排除位于极值位置的波长取值，提高了激光波长测量的准确性。
参考图6，图6是本申请实施例第一放大电路和第二放大电路的原理图。
是光电二极管采集的光并将光转换为电流信号I0，V0是经电路板放大之后的电压信号；
所述第一放大电路5和所述第二放大电路6均包括信号放大单元和滤波单元；
第一放大电路5和第二放大电路6采用相同的设计，第一放大电路连接第一光电探测器组3和数据采集卡71，第二放大电路6连接第二光电探测器组4和数据采集卡71，分别对第一光电探测器组3和第二光电探测器组4采集到的反射光光强信号和透射光光强信号做相同的处理，包括将电流信号转换为电压信号，将电压信号放大相同的倍数，以及对放大后的电压信号滤除电路板噪声等。
所述放大单元连接所述第一光电探测器组或所述第二光电探测器组，用于将所述第一电流信号转换为第一电压信号，或将所述第二电流信号转换为第二电压信号；
所述放大单元将所述第一电压信号或所述第二电压信号放大后传输给所述滤波单元；所述放大单元是前置T型放大网络；所述前置T型放大网络包括放大器、电容和多个电阻；
图6中的电阻取值为实现第一放大电路和第二放大电路功能的一种实施例，电阻的具体取值并不理解为对本申请的限制。
图6中的ADA4817为本申请实施例第一放大电路和第二放大电路中放大器的一种实施例。
ADA4817和高精度电阻组成前置T型放大网络对输入微小电流进行放大，该T型网络采用较小阻值的电阻实现较大的放大倍数，减小了大阻值电阻产生的温度漂移误差，同时在反馈电阻两端并联一个10pF的电容以滤除高频噪声，提高放大信号的信噪比，在本发明中该T型运算放大电路放大倍数为500。
所述滤波单元连接所述数据采集卡，将滤除噪声后的所述第一电压信号或所述第二电压信号发送给所述数据采集卡。所述滤波单元是由多个放大器组成的仪表放大器；所述仪表放大器的放大倍数为预设放大倍数。
由三个ADA4817组成预设放大倍数为1的仪表放大器，当组成的仪表放大器的放大倍数为1时，仪表放大器对信号有滤除杂志波的作用。提高放大电路精确性和稳定性。其中ADA4817具有宽带宽和低噪声特性，对光电探测器采集到的信号有较好的调理作用。
在本申请的另一个实施例中，数据采集装置7中的数据采集卡71可以对每个光电探测器输入到第一放大电路或第二放大电路的转换后的电压信号进行100次采集，对100次采集后的电压信号求取平均值作为该温度下，对出射激光的反射光光强和透射光光强的探测信号。
所述数据采集卡71对多个所述第一电压信号和多个所述第二电压信号进行N次采集；
所述数据采集卡71将采集得到的多个N次采集的所述第一电压信号和多个N次采集的所述第二电压信号发送给所述计算机72；
所述计算机72将多个N次采集的所述第一电压信号和多个N次采集的所述第二电压信号对N求取平均值，得到多个所述第一电压信号的平均值与多个所述第二电压信号的平均值；
所述计算机72计算得到多个所述第一电压信号的平均值与多个所述第二电压信号的平均值的比值；
以本申请上述实施例进行说明，数据采集装置7分别对第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器采集到的第一反射光汇聚点的光强、第二反射光汇聚点的光强和第三反射光汇聚点的光强进行100次采集；分别对第四光电探测器、第五光电探测器、第六光电探测器采集到的第一透射光汇聚点的光强、第二透射光汇聚点的光强和第三透射光汇聚点的光强进行100次采集。
并分别对采集到的100次的第一反射光汇聚点的光强求取平均值，对采集到的100次的第二反射光汇聚点的光强求取平均值，采集到的100次的第三反射光汇聚点的光强求取平均值；同理求得第一透射光汇聚点的光强、第二透射光汇聚点的光强和第三透射光汇聚点的光强的平均值。
再根据第一反射光汇聚点的光强求取平均值和第一透射光汇聚点的光强平均值计算R1。R1是在一次激光波长的测量中，根据大量的光强数据得到的，避免了单次测量带来的随机误差。
所述计算机72根据多个所述第一电压信号的平均值与多个所述第二电压信号的比值中的任一所述第一电压信号的平均值与任一所述第二电压信号的平均值的比值，得到所述出射激光的波长的取值子集合；
所述计算机72合并多个所述取值子集合得到所述出射激光的波长的取值集合。
基于本申请实施例利用分光结构1将出射激光分为三束入射光，由第一反射光汇聚点的光强与第一透射光汇聚点的光强的比值，计算的到的出射激光的波长取值为取值子集合。同理，由第二反射光汇聚点的光强与第二透射光汇聚点的光强的比值与第三反射光汇聚点的光强与第三透射光汇聚点的光强的比值，计算的到的出射激光的波长取值也为取值子集合。合并由三束入射光得到的取值子集合，为出射激光的波长取值集合。
上述示例中，计算机72依据数据采集卡71读取的多路探测器采集的电压信号，计算得到R1为0.606293，R2的值为0.486152，R3的值为0.095013。对应图5可得三个测量值中R1，R2在曲线线性范围内，R3未在线性范围内，略去R3的值。根据粗略估计的波长和公式
分别计算得λ1为1573.88932nm，λ2为1573.90010nm，求得λ1和λ2的平均值为1573.89471nm，作为最终的出射激光的波长。
其中λ1的可能的取值和λ2可能的取值为取值子集合。合并λ1和λ2的的取值子集合，得到取值集合，在根据粗略估计得到的波长区间[1573.8nm+△,1573.8nm-△]，确定在取值集合中取λ1＝1573.88932nm，λ2＝1573.90010nm，计算平均值1573.89471nm，作为最终的出射激光的波长。
参考图5，λ1的取值子集合可以是[1573.88932nm,1573.20211nm,1573.43512nm,1574.74213nm…]。
本申请提出的实时测量激光波长的系统的结构简单，其组成部分：分光结构1、平行平板2，第一光电探测器组3、第二光电探测器组4、第一放大电路5、第二放大电路6以及数据采集装置7小巧，连接关系简单，便于携带。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法所固有的要素。
以上对本申请所提供的一种实时测量激光波长的系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种实时测量激光波长的系统，其特征在于，包括：分光结构、平行平板，第一光电探测器组、第二光电探测器组、第一放大电路、第二放大电路以及数据采集装置；
所述数据采集装置通过激光控制器连接激光器，以读取所述激光器的温度；
所述分光结构连接所述激光器，用于将所述激光器产生的出射激光分为多束入射光，并使所述多束入射光以不同的目标角度入射所述平行平板；
所述第一光电探测器组和所述第二光电探测器组分别用于采集多个反射光汇聚点的第一光强和多个透射光汇聚点的第二光强；其中，所述反射光汇聚点和所述透射光汇聚点是由所述多束入射光中的其中一束入射光经过所述平行平板后得到的多束反射光或多束透射光的汇聚点；
所述第一光电探测器组和所述第二光电探测器组分别将采集到的多个所述第一光强和多个所述第二光强转换为多个第一电流信号和多个第二电流信号；
所述第一放大电路和所述第二放大电路分别将多个所述第一电流信号和多个所述第二电流信号转换为多个第一电压信号和多个第二电压信号；
所述数据采集装置计算得到多个所述第一电压信号和多个所述第二电压信号的比值集合，并依据所述比值集合计算得到所述出射激光的波长取值集合；
所述数据采集装置根据预存的参考波长与所述激光器的温度的对应关系，得到所述出射激光的波长区间；
所述数据采集装置根据所述波长区间，在所述波长取值集合中确定所述出射激光的波长。
2.根据权利要求1所述的实时测量激光波长的系统，其特征在于，所述数据采集装置包括计算机和数据采集卡；
所述激光器通过所述激光控制器连接所述计算机；
所述计算机通过所述激光控制器调节并读取所述激光器的温度；
所述计算机获取测量得到的所述激光器在不同温度时的出射激光的参考波长，与所述参考波长与所述激光器的温度的对应关系；
所述计算机保存所述参考波长与所述激光器的温度的对应关系。
3.根据权利要求2所述的实时测量激光波长的系统，其特征在于，
所述激光器连接法布里波罗干涉仪、马赫曾德干涉仪或迈克尔逊干涉仪；
以所述法布里波罗干涉仪、马赫曾德干涉仪或迈克尔逊干涉仪测量所述激光器在不同温度时的出射激光的参考波长；
所述计算机存储不同温度对应的所述参考波长。
4.根据权利要求1所述的实时测量激光波长的系统，其特征在于，
所述分光结构包括空间光耦合器、平面镜组、第一1/2波片、第二1/2波片、第一PBS棱镜以及第二PBS棱镜；
所述空间光耦合器将所述出射激光耦合为空间光，使所述空间光入射到所述第一1/2波片和所述第一PBS棱镜组成的第一分光组件；
所述第一分光组件将所述空间光分为第一入射光和平行光，并使所述平行光入射到所述第二1/2波片和所述第二PBS棱镜组成的第二分光组件；
所述第二分光组件将所述平行光分为第二入射光和第三入射光；
所述平面镜组用于调节所述第一入射光、所述第二入射光和所述第三入射光的光路，并使所述第一入射光以第一目标角度入射进所述平行平板，使所述第二入射光以第二目标角度入射进所述平行平板，使所述第三入射光以第三目标角度入射进所述平行平板；
所述第一目标角度、所述第二目标角度和所述第三目标角度中任意两者的关于测量曲线的相位差为120度。
5.根据权利要求4所述的实时测量激光波长的系统，其特征在于，所述第一光电探测器组包括第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器；所述第二光电探测器组包括第四光电探测器、第五光电探测器和第六光电探测器；
所述第一光电探测器和所述第四光电探测器分别用于采集第一反射光汇聚点的光强和第一透射光汇聚点的光强；其中，所述第一入射光以第一目标角度入射进所述平行平板，经过所述平行平板不断透射和反射后，得到多束第一反射光和多束第一透射光；
所述第二光电探测器和所述第五光电探测器分别用于采集第二反射光汇聚点的光强和第二透射光汇聚点的光强；其中，所述第二入射光以第二目标角度入射进所述平行平板，经过所述平行平板不断透射和反射后，得到多束第二反射光和多束第二透射光；
所述第三光电探测器和第六光电探测器分别用于采集第三反射光汇聚点的光强和第三透射光汇聚点的光强；其中，所述第三入射光以第三目标角度入射进所述平行平板，经过所述平行平板不断透射和反射后，得到多束第三反射光和多束第三透射光。
6.根据权利要求5所述的实时测量激光波长的系统，其特征在于，所述系统还包括三个第一凸透镜和三个第二凸透镜；
三个所述第一凸透镜设置在所述平行平板的入射光域，所述第一凸透镜用于汇聚多束所述第一反射光，或汇聚多束所述第二反射光，或汇聚多束所述第三反射光；
三个所述第二凸透镜设置在所述平行平板的出射光域，所述第二凸透镜用于汇聚多束所述第一透射光，或汇聚多束所述第二透射光，或汇聚多束第三透射光。
7.根据权利要求2所述的实时测量激光波长的系统，其特征在于，所述第一放大电路和所述第二放大电路均包括信号放大单元和滤波单元；
所述放大单元连接所述第一光电探测器组或所述第二光电探测器组，用于将所述第一电流信号转换为第一电压信号，或将所述第二电流信号转换为第二电压信号；
所述放大单元将所述第一电压信号或所述第二电压信号放大后传输给所述滤波单元；
所述滤波单元连接所述数据采集卡，将滤除噪声后的所述第一电压信号或所述第二电压信号发送给所述数据采集卡。
8.根据权利要求7所述的实时测量激光波长的系统，其特征在于，所述放大单元是前置T型放大网络；
所述前置T型放大网络包括放大器、电容和多个电阻；
所述滤波单元是由多个放大器组成的仪表放大器；
所述仪表放大器的放大倍数为预设放大倍数。
9.根据权利要求7所述的实时测量激光波长的系统，其特征在于，所述数据采集卡对多个所述第一电压信号和多个所述第二电压信号进行N次采集；
所述数据采集卡将采集得到的多个N次采集的所述第一电压信号和多个N次采集的所述第二电压信号发送给所述计算机；
所述计算机将多个N次采集的所述第一电压信号和多个N次采集的所述第二电压信号对N求取平均值，得到多个所述第一电压信号的平均值与多个所述第二电压信号的平均值；
所述计算机计算得到多个所述第一电压信号的平均值与多个所述第二电压信号的平均值的比值；
所述计算机根据多个所述第一电压信号的平均值与多个所述第二电压信号的比值中的任一所述第一电压信号的平均值与任一所述第二电压信号的平均值的比值，得到所述出射激光的波长的取值子集合；
所述计算机合并多个所述取值子集合得到所述出射激光的波长的取值集合。
10.根据权利要求2所述的实时测量激光波长的系统，其特征在于，所述计算机根据所述激光控制器读取所述激光器当前的温度；
所述计算机根据所述激光器当前的温度和所述参考波长与所述激光器的温度的对应关系，得到所述波长区间；
所述计算机判断在所述当前温度下，多个所述第一电压信号和多个所述第二电压信号的比值集合中是否存在元素处于极值位置；
若所述比值集合中不存在处于极值位置的元素，则根据所述比值集合中的所有元素计算得到所述出射激光的波长取值集合；
若所述比值集合中存在处于极值位置的元素，则根据所述比值集合中处于极值位置的元素外的其他元素计算得到所述出射激光的波长取值集合；
所述数据采集装置根据所述波长区间，在所述波长取值集合中确定所述出射激光的波长。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111725696A (zh) * | 2020-06-16 | 2020-09-29 | 中国人民解放军国防科技大学 | 激光相干阵列的活塞相位调控系统及调控方法 |
| CN113819849A (zh) * | 2021-08-30 | 2021-12-21 | 中国三峡新能源(集团)股份有限公司四川分公司 | 积尘厚度检测装置和积尘清洁告警系统 |
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2020
- 2020-01-20 CN CN202010067901.8A patent/CN111157127A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111725696A (zh) * | 2020-06-16 | 2020-09-29 | 中国人民解放军国防科技大学 | 激光相干阵列的活塞相位调控系统及调控方法 |
| CN111725696B (zh) * | 2020-06-16 | 2021-05-25 | 中国人民解放军国防科技大学 | 激光相干阵列的活塞相位调控系统及调控方法 |
| CN113819849A (zh) * | 2021-08-30 | 2021-12-21 | 中国三峡新能源(集团)股份有限公司四川分公司 | 积尘厚度检测装置和积尘清洁告警系统 |
| CN113819849B (zh) * | 2021-08-30 | 2024-01-30 | 中国三峡新能源(集团)股份有限公司四川分公司 | 积尘厚度检测装置和积尘清洁告警系统 |
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