CN111678601A - 基于光纤布里渊散射的相干光谱分析装置及方法 - Google Patents

基于光纤布里渊散射的相干光谱分析装置及方法 Download PDF

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Abstract

基于光纤布里渊散射的相干光谱分析测量装置及方法属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域；所述装置结构是：掺铒光纤放大器与可调谐激光器和光耦合器连接，光耦合器与两个光环形器连接，待检光源经过光隔离器、偏振控制器、延时光纤和光环形器后接入光衰减器，光耦合器与两个光衰减器连接，平衡探测器与光耦合器和射频滤波器连接，数据采集模块与射频滤波器连接；所述测量方法是：可调谐激光器生成两束泵浦光，一束产生本振光，另一束形成光纤后向散射滤波器来对待检光滤波，滤波结果与本振光发生外差干涉，通过射频滤波器保留布里渊信号，即可复原待检光源光谱。本装置具有分辨力高、信噪比高、动态范围大以及不受镜像效应制约的特点。

Description

基于光纤布里渊散射的相干光谱分析装置及方法
技术领域
本发明属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域，特别涉及一种基于光纤布里渊散射的相干光谱分析装置及方法。
背景技术
随着光学传感、物质分析、医疗诊断及环境监测等领域，一批具有飞米量级精细光谱响应的光子学器件(光学回音壁模式传感器、飞秒光学频率梳)的发展，对于高分辨力光谱分析装置的需求急剧增长。而在以往的光谱分析装置及方法中，基于干涉调制原理的傅里叶变换光谱仪和基于衍射色散原理的光栅光谱仪受制于分光元件的加工精度，光谱分辨力最高仅能达到皮米量级；基于外差干涉原理的相干光谱仪受到镜像效应的影响，无法区分信号光频率与本振光频率的相对大小，其光谱分辨力最高仅能达到数十纳米量级。上述光谱分析装置及方法均无法满足新型光子学器件的光谱测量需求，研究满足要求的光谱分析装置及方法已成为当前精密仪器制造和精密测试计量领域的重要议题之一。
发明内容
本发明是针对上述光谱分析装置及方法无法满足新型光子学器件的光谱测量需求的问题提出的，其目的是提供一种可用于飞米量级精细光谱测量的基于光纤布里渊散射的相干光谱分析装置及方法。
本发明的技术解决方案是：
一种基于光纤布里渊散射的相干光谱分析测量装置包括可调谐激光器、待检光源、光隔离器、掺铒光纤放大器EDFA、光耦合器、偏振控制器、光环形器、光衰减器、延时光纤、温度控制器、光耦合器、平衡探测器、射频滤波器、数据采集模块、光衰减器、延时光纤、光环形器和光隔离器，所述掺铒光纤放大器EDFA通过单模光纤与可调谐激光器和光耦合器连接形成通路；所述光耦合器与两个光环形器、两个光环形器分别与延时光纤和温度控制器中的延时光纤通过单模光纤连接形成通路；所述光隔离器与延时光纤、延时光纤与光环形器、光环形器与光衰减器通过单模光纤连接形成通路；所述待检光源与光隔离器、光隔离器与偏振控制器、偏振控制器与温度控制器中的延时光纤、温度控制器中的延时光纤与光环形器、光环形器与光衰减器通过单模光纤连接形成通路；所述光耦合器通过单模光纤与两个光衰减器和平衡探测器形成通路；所述射频滤波器通过电缆与平衡探测器和数据采集模块连接形成通路。
所述可调谐激光器、待检光源、光隔离器、掺铒光纤放大器EDFA、光耦合器、偏振控制器、光环形器和温度控制器中延时光纤构成光纤后向散射滤波器，用于提取待检光谱信号中的布里渊信号；
所述温度控制器是根据光纤中的布里渊频移与温度成线性关系而构成的布里渊频移调节器，用于和作为本振光的布里渊后向散射光保持相同的布里渊频移量；
所述光耦合器、平衡探测器、射频滤波器和数据采集模块构成了外差干涉仪，用于本振光和待检光谱信号中提取的布里渊信号和瑞利信号产生干涉形成布里渊拍频信号和瑞利拍频信号，之后，通过射频滤波的方式分离布里渊拍频信号和瑞利拍频信号，对布里渊拍频信号记录以形成复原光谱。
一种基于光纤布里渊散射的相干光谱分析测量方法，该方法是：所述可调谐激光器的输出光通过掺铒光纤放大器EDFA放大后由光耦合器分成两束泵浦光，第一束用于产生本振光，第二束用于形成光纤后向散射滤波器，所述第一束泵浦光从光环形器端口1进入，经光环形器端口2出射进入延时光纤发生受激布里渊散射，所产生的后向布里渊散射光作为本振光，该本振光从光环形器端口2返回，在光环形器端口3出射由光衰减器调节光功率大小；所述第二束泵浦光从光环形器端口1入射，经光环形器端口2出射进入温度控制器中的延时光纤，在延时光纤中，该泵浦光与经由光隔离器和偏振控制器进入到温度控制器中延时光纤的待检光源通过光纤受激布里渊散射和光纤瑞利散射的形式进行能量交换，从而使得光纤后向散射滤波器可以对待检光谱信号滤波、放大为布里渊信号和瑞利信号，该结果从光环形器端口2进入，经光环形器端口3出射后由光衰减器调节光功率的大小；经过光功率调整，本振光与布里渊信号和瑞利信号在光耦合器中发生外差干涉产生布里渊拍频信号和瑞利拍频信号，将该结果利用平衡探测器转换为电学信号，接着使用射频滤波器滤除瑞利拍频信号，仅保留增益更大的布里渊拍频信号，当可调谐激光器的输出光频率可以遍历整个待检光谱信号的频率范围时，数据采集模块依照泵浦光频率的大小将只记录布里渊拍频信号的强度，利用该结果形成待检光源的原光谱，实现精密测量。
本发明的优点是：
(1)通过光纤后向散射滤波器对待检光源的光谱进行预滤波，其生成的布里渊信号和瑞利信号的频率与外差干涉仪中本振光的频率具有确定的关联，这使得光谱分析装置及方法不再受镜像效应的制约，光谱分辨力得到提高。
(2)通过外差干涉仪分离后向散射滤波器生成的布里渊信号和瑞利信号，由于布里渊信号和瑞利信号相较于本振光具有不同的频率差，因此，可在利用外差干涉仪将其降频为布里渊拍频信号和瑞利拍频信号之后，采用射频滤波器对其进行二次滤波，从而获取增益更大的布里渊拍频信号，该设计可使光谱分析装置及方法的动态范围及信噪比得到提高。
附图说明
图1是基于光纤布里渊散射的相干光谱分析测量装置结构示意图；
图2是光纤后向散射滤波器对待检光源的光谱进行预滤波的原理示意图
图3是布里渊频移量调节器中温度变化与布里渊频移量的原理示意图
图4是外差干涉仪分离瑞利信号和布里渊信号的原理示意图
图中件号说明：1.可调谐激光器，2.待检光源，3.光隔离器，4.掺铒光纤放大器EDFA，5.光耦合器，6.偏振控制器，7.光环形器，8.光衰减器，9.延时光纤，10.温度控制器，11.光耦合器，12.平衡探测器，13.射频滤波器，14.数据采集模块，15.光衰减器，16.延时光纤，17.光环形器，18.光隔离器；a.待检光谱信号，b.第一束泵浦光，c.第二束泵浦光，d.本振光，e.布里渊信号，f.瑞利信号，h.布里渊拍频光信号，i.瑞利拍频光信号；a’.恢复出的待检光源原光谱，h’.布里渊拍频电信号，i’.瑞利拍频电信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述：
一种基于光纤布里渊散射的相干光谱分析测量装置包括可调谐激光器(1)、待检光源(2)、光隔离器(3)、掺铒光纤放大器EDFA(4)、光耦合器(5)、偏振控制器(6)、光环形器(7)、光衰减器(8)、延时光纤(9)、温度控制器(10)、光耦合器(11)、平衡探测器(12)、射频滤波器(13)、数据采集模块(14)、光衰减器(15)、延时光纤(16)、光环形器(17)和光隔离器(18)，所述掺铒光纤放大器EDFA(4)通过单模光纤与可调谐激光器(1)和光耦合器(5)连接形成通路；所述光耦合器(5)与两个光环形器(7)和(17)、两个光环形器(7)和(17)分别与延时光纤(16)和温度控制器(10)中的延时光纤(9)通过单模光纤连接形成通路；所述光隔离器(18)与延时光纤(16)、延时光纤(16)与光环形器(17)、光环形器(17)与光衰减器(15)通过单模光纤连接形成通路；所述待检光源(2)与光隔离器(3)、光隔离器(3)与偏振控制器(6)、偏振控制器(6)与温度控制器(10)中的延时光纤(9)、温度控制器(10)中的延时光纤(9)与光环形器(7)、光环形器(7)与光衰减器(8)通过单模光纤连接形成通路；所述光耦合器(11)通过单模光纤与两个光衰减器(8)和(15)以及平衡探测器(12)形成通路；所述射频滤波器(13)通过电缆与平衡探测器(12)和数据采集模块(14)连接形成通路。
所述可调谐激光器(1)、待检光源(2)、光隔离器(3)、掺铒光纤放大器EDFA(4)、光耦合器(5)、偏振控制器(6)、光环形器(7)和温度控制器(10)中延时光纤(9)构成光纤后向散射滤波器，用于提取待检光谱信号(a)中的布里渊信号(e)；
所述温度控制器(10)是根据单模光纤中的布里渊频移与温度成线性关系而构成的布里渊频移调节器，用于和作为本振光(d)的布里渊后向散射光保持相同的布里渊频移量；
所述光耦合器(11)、平衡探测器(12)、射频滤波器(13)和数据采集模块(14)构成了外差干涉仪，用于使布里渊信号(e)和瑞利信号(f)同本振光(d)产生干涉形成布里渊拍频信号(h)和瑞利拍频信号(i)，之后，通过射频滤波的方式分离布里渊拍频电学信号(h’)和瑞利拍频电学信号(i’)，对布里渊拍频电学信号(h’)记录以形成复原光谱(a’)。
一种基于光纤布里渊散射的相干光谱分析测量方法，该方法是：所述可调谐激光器(1)的输出光通过掺铒光纤放大器EDFA(4)放大后由光耦合器(5)分成两束泵浦光(b)和(c)，第一束泵浦光(b)用于产生本振光(d)，第二束泵浦光(c)用于形成光纤后向散射滤波器，所述第一束泵浦光(b)从光环形器(17)端口1进入，经光环形器(17)端口2出射进入延时光纤(16)发生受激布里渊散射，所产生的后向布里渊散射光作为本振光(d)，该本振光(d)从光环形器(17)端口2返回，在光环形器(17)端口3出射由光衰减器(15)调节光功率大小；所述第二束泵浦光(c)从光环形器(7)端口1入射，经光环形器(7)端口2出射进入温度控制器(10)中的延时光纤(9)，在延时光纤(9)中，该泵浦光(c)与经由光隔离器(3)和偏振控制器(6)进入到温度控制器(10)中延时光纤(9)的待检光源(2)通过光纤受激布里渊散射和光纤瑞利散射的形式进行能量交换，从而使形成的光纤后向散射滤波器可以对待检光谱信号(a’)滤波、放大为布里渊信号(e)和瑞利信号(f)，该结果(e)、(f)从光环形器(7)端口2进入，经光环形器(7)端口3出射后由光衰减器(8)调节光功率的大小；经过光功率调整，本振光(d)与布里渊信号(e)和瑞利信号(f)在光耦合器(11)中发生外差干涉产生光学布里渊拍频信号(h)和瑞利拍频信号(i)，将该结果利用平衡探测器(12)转换为电学信号(h’)、(i’)，接着使用射频滤波器(13)滤除其中的瑞利拍频信号(i’)，仅保留增益更大的布里渊拍频信号(h’)，当可调谐激光器(1)的输出光频率可以遍历整个待检光谱信号(a)的频率范围时，数据采集模块(14)将依照泵浦光频率的大小只记录布里渊拍频信号(h’)的强度，利用该结果形成待检光源的原光谱(a’)，实现精密测量。
本发明的工作过程如下：
基于光纤布里渊散射的相干光谱分析测量过程，如图1所示，可调谐激光器(1)发出的光通过掺铒光纤放大器EDFA(4)放大后由光耦合器(5)分成两束泵浦光(b)、(c)，第一束泵浦光(b)用于产生本振光(d)，第二束泵浦光(c)用于产生光纤后向散射滤波器，所述第一束泵浦光(b)从光环形器(17)端口1进入，在光环形器(17)端口2出射后进入延时光纤(16)发生受激布里渊散射，产生的后向布里渊散射光作为本振光(d)，该本振光(d)从光环形器(17)端口2返回，在光环形器(17)端口3出射后接入光衰减器(15)，其中，该泵浦光(b)后续传播被光隔离器(18)阻断；所述第二束泵浦光(c)在光环形器(7)端口1入射，从光环形器(7)端口2进入到温度控制器(10)中的延时光纤(9)，在延时光纤(9)中，由光纤受激布里渊散射和光纤瑞利散射形成光纤后向滤波器，该泵浦光(c)后续传播被光隔离器(3)阻断，防止对待检光源(2)形成干扰，如图2所示，其中温度控制器(10)通过改变温度来线性调节布里渊频移量，使与本振光(d)的布里渊频移保持相同；所述待检光源(2)先经过光隔离器(3)，再由偏振控制器(6)调节偏振态，之后进入温度控制器(10)中的延时光纤(9)里，如图3所示，由光纤后向散射滤波器提取待检光谱信号(a)中的布里渊信号(e)和瑞利信号(f)，该结果(e)、(f)从光环形器(7)端口2进入，在光环形器(7)端口3出射由光衰减器(8)调节光功率大小；经过光衰减器(8)、(15)调整，本振光(d)与提取的布里渊信号(e)和瑞利信号(f)在光耦合器(11)中发生外差干涉产生布里渊拍频光信号(h)和瑞利拍频光信号(i)，通过平衡探测器(12)将光学拍频信号(h)、(i)转换为电学拍频信号(h’)、(i’)，之后，如图4所示，利用射频滤波器(13)滤除其中的瑞利拍频信号(i’)，仅记录增益更大的布里渊拍频信号(h’)作为待检光谱信号(a)中与泵浦光同频的分量的估计值，最终，调整可调谐激光器(1)的输出光频率，使其遍历整个待检光谱信号(a)的频率范围，数据采集模块(14)则会依照泵浦光频率的大小只记录布里渊拍频信号(h’)的强度，利用该结果形成待检光源的原光谱(a’)，实现精密测量。

Claims (2)

1.一种基于光纤布里渊散射的相干光谱分析测量装置包括可调谐激光器(1)、待检光源(2)、光隔离器(3)、掺铒光纤放大器EDFA(4)、光耦合器(5)、偏振控制器(6)、光环形器(7)、光衰减器(8)、延时光纤(9)、温度控制器(10)、光耦合器(11)、平衡探测器(12)、射频滤波器(13)、数据采集模块(14)、光衰减器(15)、延时光纤(16)、光环形器(17)和光隔离器(18)，所述掺铒光纤放大器EDFA(4)通过单模光纤与可调谐激光器(1)和光耦合器(5)连接形成通路；所述光耦合器(5)与两个光环形器(7)和(17)、两个光环形器(7)和(17)分别与延时光纤(16)和温度控制器(10)中的延时光纤(9)通过单模光纤连接形成通路；所述光隔离器(18)与延时光纤(16)、延时光纤(16)与光环形器(17)、光环形器(17)与光衰减器(15)通过单模光纤连接形成通路；所述待检光源(2)与光隔离器(3)、光隔离器(3)与偏振控制器(6)、偏振控制器(6)与温度控制器(10)中的延时光纤(9)、温度控制器(10)中的延时光纤(9)与光环形器(7)、光环形器(7)与光衰减器(8)通过单模光纤连接形成通路；所述光耦合器(11)通过单模光纤与两个光衰减器(8)和(15)以及平衡探测器(12)形成通路；所述射频滤波器(13)通过电缆与平衡探测器(12)和数据采集模块(14)连接形成通路。所述可调谐激光器(1)、待检光源(2)、光隔离器(3)、掺铒光纤放大器EDFA(4)、光耦合器(5)、偏振控制器(6)、光环形器(7)和温度控制器(10)中延时光纤(9)构成光纤后向散射滤波器，用于提取待检光谱信号(a)中的布里渊信号(e)；所述温度控制器(10)是根据光纤中的布里渊频移与温度成线性关系而构成的布里渊频移调节器，用于和作为本振光(d)的布里渊后向散射光保持相同的布里渊频移量；所述光耦合器(11)、平衡探测器(12)、射频滤波器(13)和数据采集模块(14)构成了外差干涉仪，用于使布里渊信号(e)和瑞利信号(f)同本振光(d)产生干涉形成布里渊拍频信号(h)和瑞利拍频信号(i)，之后，通过射频滤波的方式分离电学布里渊拍频信号(h’)和瑞利拍频信号(i’)，对布里渊拍频电学信号(h’)记录以形成复原光谱(a’)。
2.根据权利要求1所述的基于光纤布里渊散射的相干光谱分析测量方法，其特征在于：可调谐激光器(1)发出的光通过掺铒光纤放大器EDFA(4)放大后由光耦合器(5)分成两束泵浦光(b)、(c)，第一束泵浦光(b)用于产生本振光(d)，第二束泵浦光(c)用于产生光纤后向散射滤波器，所述第一束泵浦光(b)从光环形器(17)端口1进入，在光环形器(17)端口2出射后进入延时光纤(16)发生受激布里渊散射，产生的后向布里渊散射光作为本振光(d)，该本振光(d)从光环形器(17)端口2返回，在光环形器(17)端口3出射后接入光衰减器(15)，其中，该泵浦光(b)后续传播被光隔离器(18)阻断；所述第二束泵浦光(c)在光环形器(7)端口1入射，从光环形器(7)端口2进入到温度控制器(10)中的延时光纤(9)，在延时光纤(9)中，由光纤受激布里渊散射和光纤瑞利散射形成光纤后向滤波器，该泵浦光(c)后续传播被光隔离器(3)阻断，防止对待检光源(2)形成干扰，如图2所示，其中温度控制器(10)通过改变温度来线性调节布里渊频移量，使与本振光(d)的布里渊频移保持相同；所述待检光源(2)先经过光隔离器(3)，再由偏振控制器(6)调节偏振态，之后进入温度控制器(10)中的延时光纤(9)里，如图3所示，由光纤后向散射滤波器提取待检光谱信号(a)中的布里渊信号(e)和瑞利信号(f)，该结果(e)、(f)从光环形器(7)端口2进入，在光环形器(7)端口3出射由光衰减器(8)调节光功率大小；经过光衰减器(8)、(15)调整，本振光(d)与提取的布里渊信号(e)和瑞利信号(f)在光耦合器(11)中发生外差干涉产生布里渊拍频光信号(h)和瑞利拍频光信号(i)，通过平衡探测器(12)将光学拍频信号(h)、(i)转换为电学拍频信号(h’)、(i’)，之后，如图4所示，利用射频滤波器(13)滤除其中的瑞利拍频信号(i’)，仅记录增益更大的布里渊拍频信号(h’)作为待检光谱信号(a)中与泵浦光同频的分量的估计值，最终，调整可调谐激光器(1)的输出光频率，使其遍历整个待检光谱信号(a)的频率范围，数据采集模块(14)则会依照泵浦光频率的大小只记录布里渊拍频信号(h’)的强度，利用该结果形成待检光源的原光谱(a’)，实现精密测量。
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