CN113340421B - 一种基于光纤端面Fizeau干涉的全光纤微型光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤端面Fizeau干涉的全光纤微型光谱仪，光谱仪光路结构为全光纤光路结构，光纤端面Fizeau干涉仪产生的干涉信号，通过单模光纤、环形器和耦合器分成两路，其中一路经环形器、光纤布拉格光栅后传输至光电探测器，另一路直接传送至另一个光电探测器；通过对两个光电探测器输出的电信号进行处理分析，获得干涉光强随光程差变化关系，再对干涉光强随光程差变化关系进行功率谱分析，便准确获取被测光束的光谱；通过两个光电探测器接收到光强信号之间的相互关系，获得被测光干涉光强随光程差的变化规律，光谱分析性能不受干涉光程差随时间非均匀变化、光功率波动、环境噪声因素的影响。光谱仪体积超小、成本低、易产业化。
Description
技术领域
本发明属于光谱测量领域，尤其涉及微型光谱仪、光谱分析方法。
技术背景
光谱仪是分析光谱不可或缺的工具，在科学研究、工业生产、生活医疗、食品安全、环境监测等各个领域有着广泛的用途。传统的光谱仪体积庞大、价格昂贵、对使用环境要求苛刻，仅能在特定的实验室环境中实现对光谱的分析。目前，虽然出现了一些小型化的光谱仪，但由于其光谱分析原理仍然延续传统光谱仪的光谱分析原理，仅仅利用微纳加工技术在几何尺寸上将传统光谱仪做一定程度的缩小，而简单地在传统工作原理的基础上压缩体积，却不可避免地会带来光谱仪性能的下降。例如，现有基于色散原理的光谱仪在小型化后，由于空间的限制，使得光谱分辨率很低；再例如，相比传统光谱仪，虽然目前的微型红外傅立叶光谱仪的体积已大为缩小，但是由于光谱仪的工作原理并未改变，因此依旧难以突破由于动镜扫描的非均匀性、扫描精度低及扫描范围有限等因素所导致的光谱分辨力低、光谱分析范围有限等技术瓶颈问题。
此外，现有小型化光谱仪的制作都需要超精细微加工工艺，这就增加光谱仪的制作难度和制作成本。
发明内容
突破传统台式光谱仪及现有典型微型光谱仪的工作原理，本发明提出一种基于光纤端面Fizeau干涉结构的全光纤微型光谱仪。该光谱仪结构简单，不需要任何微纳加工工艺，无需高精密运动部件或色散器件，即使在光功率波动的情况下也可准确获取被测光谱信息，光谱仪体积超小、成本低、易产业化。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于光纤端面Fizeau干涉的全光纤微型光谱仪，光谱仪光路结构为全光纤光路结构，包括第一光纤环形器6，通过光纤与第一光纤环形器6连接的光纤收光接头12、光纤端面Fizeau干涉仪1和1×2光纤耦合器7，通过光纤与1×2光纤耦合器7连接的第二光纤环形器9和第一光电探测器10，通过光纤与第二光纤环形器9连接的光纤布拉格光栅8和第二光电探测器11；
被测光13通过光纤收光接头12耦合进光谱仪光路中，再经过第一光纤环形器6传输至光纤端面Fizeau干涉仪1产生干涉，干涉后的光经过1×2光纤耦合器7分成两路，其中一路直接传输至第一光电探测器10，另一路经过第二光纤环形器9传输至光纤布拉格光栅8，由光纤布拉格光栅8从干涉光中选择特定波长的光，然后再经过第二光纤环形器9传输至第二光电探测器11，通过对第一光电探测器10和第二光电探测器11输出的电信号进行处理分析，获得被测光的光谱；通过两个光电探测器接收到光强信号之间的相互关系，获得被测光干涉光强随光程差的变化规律，光谱分析性能不受干涉光程差随时间非均匀变化、光功率波动、环境噪声因素的影响。
所述光纤端面Fizeau干涉仪1包括毛细管3，设置在毛细管3一端面上的抛光单晶硅片2，设置在毛细管3内相连接的GRIN光纤4和单模光纤5，通过移动毛细管3中GRIN光纤4端面与抛光单晶硅片2之间的间距d来调节Fizeau干涉的光程差；光纤端面Fizeau干涉仪1产生干涉的原理是GRIN光纤4端面与空气接触面反射回GRIN光纤4的GRIN/空气界面反射光15与由抛光单晶硅片2反射回GRIN光纤4中的抛光硅片/空气反射光16相互干涉。
通过抽拉单模光纤5或毛细管3的方法改变光程差，或将GRIN光纤4竖直放置，在端面上滴加可蒸发或可挥发液体，通过液体的蒸发来改变光程差，实现调节干涉光程差的目的。
当通过手动或电机驱动方式抽拉单模光纤5或毛细管3来改变光程差时，光程差变化速度为匀速或非匀速，且变化速度不影响光谱仪的光谱分析性能。
所述第一光电探测器10输出信号为被测光所有波长分量干涉信号的叠加信号，第二光电探测器11输出信号仅包含光纤布拉格光栅8所筛选出特定波长的干涉信号，第一光电探测器10和第二光电探测器11输出的电信号大小正比于所接受光强大小，即第一光电探测器10和第二光电探测器11输出信号即为光强信号；第一光电探测器10和第二光电探测器11输出信号始终保持同步，光源功率波动、光路结构噪声、光程差变化规律对两个探测器的影响也完全同步。
对第一光电探测器10和第二光电探测器11输出的电信号进行分析处理的方法，包括如下步骤：
(1)通过第二光电探测器11输出信号的强度来确定被测光任一时刻对应的干涉光程差，再根据第一光电探测器10不同时刻输出的信号强度，获得被测光所有波长分量干涉信号的叠加信号强度随光程差的变化规律；
(2)由于第一光电探测器10和第二光电探测器11完全同步，环境扰动对两个探测器的影响规律完全一致，因此通过第二光电探测器11所捕获的信号来获得环境扰动对第二光电探测器的影响规律，进而将第一光电探测器10所获的信号中的环境干扰去除，仅保留第一光电探测器10所探测到的被测光所有波长分量干涉信号的叠加信号强度随光程差的变化规律。
所述通过第二光电探测器11输出信号的强度来确定被测光任一时刻对应的光程差，无论光程差改变的快慢，无论光程差是否随时间均匀改变，都能够通过第二光电探测器11输出信号获得任一时刻对应的干涉光程差，克服了现有光谱仪中需要高精密位移电机来精确控制干涉动镜运动速度从而使得光谱仪使用环境苛刻的瓶颈问题。
与现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1)在光谱分析过程中，被分析光功率的波动、光路结构受环境干扰引起的光功率波动、Fizeau干涉仪的干涉长度的非均匀变化导致干涉光程差随时间的非均匀变化等都不会对光谱分析结果造成影响；
2)所有光学处理过程均在光纤器件中完成，整个光路不含空间准直、色散、精密机械结构和运动装置等环节，光功率波动、光程差变化不均匀等因素均不对光谱仪的光谱分析性能造成干扰，光谱仪光路结构简单、体积小、成本低、性能高、易集成；
3)无论光程差改变的快慢，无论光程差是否随时间均匀改变，都可通过光电探测器11输出信号获得任一时刻对应的干涉光程差，使得本发明所述光谱仪克服了现有光谱仪中需要高精密位移电机来精确控制干涉动镜运动速度从而使得光谱仪使用环境苛刻的瓶颈问题；
4)光谱仪使用过程中任何由外界扰动造成的光强波动(如光纤端面Fizeau干涉仪1中GRIN光纤4的端面角度变化、光路结构中各环节光耦合效率的不稳定、光纤弯曲损耗等)都不会对光谱仪的光谱分析性能产生影响；
5)通过本发明数据处理方法，可有效消除光功率波动、光程差非均匀变化等对光谱仪光谱分析性能带来的影响，使得本发明光谱仪具有较高的抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种微型光谱仪结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种光纤端面Fizeau干涉原理图；
图3为本发明实施例所述的两个光电探测器的输出信号；
图4为本发明实施例所述的两个光电探测器的输出信号，去除直流分量后的结果图；
图5为本发明实施例所述的光路系统中实际参与干涉的部分光的强度随时间变化曲线，即功率因子随时间的变化曲线；
图6(a)为本发明实施例所述的对两个探测器的输出经过功率校正后的信号；
图6(b)为本发明实施例所述的在不同时刻下，获取干涉光程差的方法说明图；
图6(c)为本发明实施例所述的在不同时刻下，Fizeau干涉仪的干涉光程差；
图7为对图6(c)信号进行“时间-光程差”变换后的干涉信号；
图8为本发明实施例所提供的被测光谱(实线所示)与传统台式光谱分析仪测得的被测光谱(虚线所示)结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于这些实施例。
(1)微型光谱仪结构的实施例
本发明提出的微型光谱仪结构的一种实施例：基于光纤端面Fizeau干涉的全光纤微型光谱仪光路结构如附图1，包括光纤端面Fizeau干涉仪1、第一光纤环形器6、1×2光纤耦合器7、光纤布拉格光栅8、第二光纤环形器9、第一光电探测器10、第二光电探测器11、光纤收光接头12和被测光13；其中，光纤端面Fizeau干涉仪1包括抛光单晶硅片2、毛细管3、GRIN光纤4和单模光纤5。
被测光13通过光纤接收头12耦合进光谱仪光路中。光纤收光接头12可以是任何可将光耦合进光纤的器件，也可以是光纤本身。耦合进光谱仪光路中的被测光经过第一环形器6传输至光纤端面Fizeau干涉仪1产生干涉，通过移动毛细管3中GRIN光纤4端面与抛光单晶硅片2之间的间距来调节Fizeau干涉的光程差。毛细管3的内径需要略微大于光纤包层直径为127微米左右，从而保证GRIN光纤4端头输出的光很好地垂直照射到抛光单晶硅片2上且抛光单晶硅片2反射回的光可以高效地耦合进GRIN光纤4，进而将干涉光收集回光谱仪光路。回到光谱仪光路的干涉光经过1×2光纤耦合器7分成两路，其中一路直接接到第一光电探测器10，将光强转成电信号，另一路经过第二环形器9传输至光纤布拉格光栅8，然后再经过第二环形器9传输至第二光电探测器11转成电信号。本发明中光纤端面Fizeau干涉仪1产生干涉的原理是GRIN光纤4端面与空气接触面反射回GRIN光纤4的光与由抛光硅片2反射回GRIN光纤4中的光相互干涉，光程差为GRIN光纤4的端面与抛光硅片2之间间距的两倍。由于两束相互干涉光在光纤中所经历的光路一致，故该光路对被测光的相干性没有要求，该光谱仪光路也可以用来分析不具备相干性的被测光。光纤布拉格光栅8在本发明光谱仪光路中的作用是将经过Fizeau干涉之后的特定波长的光提取出来，作为被测光的参考，以获得干涉过程中功率因子、时间与光程差的对应关系。
(2)光纤端面Fizeau干涉仪的实施例
本发明中光纤端面Fizeau干涉仪1的干涉原理可以结合附图2进行说明。光纤端面Fizeau干涉包括干涉被测光14、GRIN/空气界面反射光15、抛光硅片/空气反射光16、抛光硅片/空气分界面17、GRIN光纤端面/空气分界面18。
干涉被测光14经过GRIN光纤端面/空气分界面18将部分被测光光反射回GRIN光纤4内，形成GRIN/空气界面反射光15；抛光硅片/空气分界面17将透过GRIN光纤端面/空气分界面18的光反射回GRIN光纤4内形成抛光硅片/空气反射光16；GRIN/空气界面反射光15和抛光硅片/空气反射光16的光程不同，光程差为抛光硅片/空气分界面17和GRIN光纤端面/空气分界面18之间间距d的两倍，即2d。由于不同波长的光的相速度不同，导致不同波长的光分量在GRIN/空气界面反射光15和抛光硅片/空气反射光16干涉后的光强不同。通过单调地移动抛光硅片/空气分界面17和GRIN光纤端面/空气分界面18之间的间距d，使得GRIN/空气界面反射光15和抛光硅片/空气反射光16干涉后各个波长分量光的强度随着光程差呈现周期性的变化。因此，只要获取每个光程差处GRIN/空气界面反射光15和抛光硅片/空气反射光16干涉后的总光强，便可通过功率谱分析的技术或傅立叶变换技术获得被测光每个波长分量的光强，即获得被测光谱。
在本发明中，抛光单晶硅片2可以换成任何可以反射光的器件，如反射镜、抛光二氧化硅、抛光金属片、反射膜等等。
在本发明中GRIN光纤4可以换成任何可以准直从单模光纤中发出光束的器件，如C棱镜、多摸光纤等，也可以不使用GRIN光纤而直接将单模光纤端面切平使用，均在本发明的保护范围之内。
本发明中毛细管3为非必要器件，毛细管在本发明中的作用为约束光纤的移动方向，使光纤只能沿着毛细管纵向运动，其它任何可实现类似功能的结构均在本发明保护范围之内，如使用V型槽等。
本发明中通过调节抛光硅片/空气分界面17和GRIN光纤端面/空气分界面18之间的间距d来达到调节GRIN/空气界面反射光15和抛光硅片/空气反射光16光程差的方法不局限于本实例所描述的方案，如将GRIN光纤4竖直放置，在端面上滴加可蒸发或可挥发液体，通过液体的蒸发来改变光程，同样可实现调节干涉光程差的目的，类似或相近方案均在本发明保护范围之内。
(3)数据采集的实施例
如附图1所示，经过光纤端面Fizeau干涉仪1干涉后的光分成两路分别被第一光电探测器10和第二光电探测器11转化成电信号，所不同的是第二光电探测器11是只提取干涉后光中某一个特定的波长分量，第一光电探测器10是将所有干涉光都转成电信号。第二光电探测器11所提取的波长分量由光纤布拉格光栅8决定，第二光电探测器11所检测到的波长即为满足光纤布拉格光栅8反射条件的布拉格波长。第一光电探测器10和第二光电探测器11输出的电信号大小正比于所接受光强大小，即第一光电探测器10和第二光电探测器11输出信号即为光强信号，其电信号可通过任何电学数据采集模块进行采集和传输。本发明中所用实例为利用Pico4000系列数据采集卡，通过USB接口传输至上位机。本发明实例中所获取第一光电探测器10和第二光电探测器11输出光强信号。第一光电探测器10输出信号随时间的变化表示为I1(t)，第一光电探测器10输出信号随时间的变化表示为I2(t)。本实例所获得第一光电探测器10和第二光电探测器11输出光强信号如附图3所示。
本发明中可使用的数据采集和数据发送装置包含但不局限于：WIFI模块、蓝牙、红外、USB数据串口传输线、RS232等；终端设备或装置包含但不局限于：电脑、手机、智能手表、嵌入式微系统等。使用类似技术或思想实现本发明所提出光谱分析技术均在本发明保护范围之内。
(4)光谱分析原理和数据处理方法实施例
结合附图4、附图5、附图6、附图7、附图8对本发明光谱分析原理和数据处理方法进行说明。
由附图1所示光谱仪光路中第一光电探测器10和第二光电探测器11输出光强信号为如附图2所示GRIN/空气界面反射光15和抛光硅片/空气反射光16干涉后的光强。其中第一光电探测器10输出的光强为被测光13经过光纤端面Fizeau干涉仪1干涉后包含所有波长分量的总光强，其可表示为：
式中，k为被测光中光的波数，其中k＝2π/λ，λ为波长，δ(t)为干涉光程差随时间的变化关系，η1(t)、η2(t)为GRIN/空气界面反射光15和抛光硅片/空气反射光16光强由于环境扰动等因素随时间的变化量，I(k)为被测光中响波数为k的光所对应的光强，获取了I(k)即获取了被测光谱。因此，只要去除式中的前两项及第三项中的
系数，即可通过傅立叶分析获得被测光谱。本发明通过引入附图1中光纤布拉格光栅8、第二环形器9、第二光电探测器11构成的简单光路，即可消除
其具体原理和实施步骤结合附图4、附图5、附图6、附图7、附图8进行说明。
第二光电探测器11输出的光强为被测光13经过光纤端面Fizeau干涉仪1干涉后被光纤布拉格光栅8提取仅含有特定波长分量的光强，其可表示为：
式中，kFBG为光纤布拉格光栅反射光波对应的波数。由于光路的波动对第一光电探测器10和第二光电探测器11所接收到光强的影响是一致且同步的，所以两个探测器受光路波动影响是完全同步的。
首先，将如附图3所示数据进行去中心化处理，来去除低频缓变信号。对附图3中所示的I1(t)、I2(t)信号去除中心线后的数据如附图4所示，图中仅保留了各自的交流分量。
其次，通过寻找Iac2(t)包络的方式来获取实际参与Fizeau干涉的光功率随时间变化的关系，即功率因子随时间的变化曲线，通过本发明所提出方法获得的功率因子曲线如附图5所示。
再次，根据获得的功率因子曲线，消除除功率波动对光电探测器接收信号的影响，消除功率波动影响后的曲线如附图6(a)所示。
最后，根据光电探测器11获得干涉光强随时间变化的关系和Fizeau干涉光强随光程差的变化规律(如附图6(b)所示)，获得干涉光程差与时间之间的对应关系如附图6(c)所示。
在获得如附图6(c)所示光程差随时间变化关系的基础上，将附图6(a)的横坐标进行“时间-光程差”的变换，便可得到干涉强度随着光程差的变化曲线，如附图7所示。
对附图7所示数据进行功率谱分析便可获得被测光谱。
传统的台式光谱仪及微型光谱仪中，动镜的移动速度、步进距离的均匀性和精密型严重限制了光谱仪的分辨率、光谱分析范围等重要参数。本发明中，对于抛光硅片/空气分界面17和GRIN光纤端面/空气分界面18之间的间距d随时间t的变化速度快慢，以及是否匀速变化等规律没有严格的限定，并且由于间距d随时间t的连续性，因此，相比传统光谱仪，本发明提出的微型光谱仪具有更宽的光谱分析范围。
(5)光谱分析结果
通过本发明基于光纤端面Fizeau干涉的全光纤微型光谱仪对被测光谱进行分析的结果如附图8所示。图中实线部分为通过本发明光谱仪获得的被测光谱图，虚线部分为采用传统台式光谱仪(YOKOGAWA AQ6370B)获得的被测光谱图。从图中可以看出，本发明所提出技术对光谱的分析性能与目前典型的商用化台式光谱仪分析性能相当。
以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明技术特征包含但不局限于本实施例，任何在本发明的基础上所作的变化或修饰，皆涵盖在本发明的范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光纤端面Fizeau干涉的全光纤微型光谱仪，其特征在于：光谱仪光路结构为全光纤光路结构，包括第一光纤环形器(6)，通过光纤与第一光纤环形器(6)连接的光纤收光接头(12)、光纤端面Fizeau干涉仪(1)和1×2光纤耦合器(7)，通过光纤与1×2光纤耦合器(7)连接的第二光纤环形器(9)和第一光电探测器(10)，通过光纤与第二光纤环形器(9)连接的光纤布拉格光栅(8)和第二光电探测器(11)；
被测光(13)通过光纤收光接头(12)耦合进光谱仪光路中，再经过第一光纤环形器(6)传输至光纤端面Fizeau干涉仪(1)产生干涉，干涉后的光经过1×2光纤耦合器(7)分成两路，其中一路直接传输至第一光电探测器(10)，另一路经过第二光纤环形器(9)传输至光纤布拉格光栅(8)，由光纤布拉格光栅8从干涉光中选择特定波长的光，然后再经过第二光纤环形器(9)传输至第二光电探测器(11)，通过对第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)输出的电信号进行处理分析，获得被测光的光谱；通过两个光电探测器接收到光强信号之间的相互关系，获得被测光干涉光强随光程差的变化规律，光谱分析性能不受干涉光程差随时间非均匀变化、光功率波动、环境噪声因素的影响。
2.根据权利要求1所述的基于光纤端面Fizeau干涉的全光纤微型光谱仪，其特征在于：所述光纤端面Fizeau干涉仪(1)包括毛细管(3)，设置在毛细管(3)一端面上的抛光单晶硅片(2)，设置在毛细管(3)内相连接的GRIN光纤(4)和单模光纤(5)，通过移动毛细管(3)中GRIN光纤(4)端面与抛光单晶硅片(2)之间的间距d来调节Fizeau干涉的光程差；光纤端面Fizeau干涉仪(1)产生干涉的原理是GRIN光纤(4)端面与空气接触面反射回GRIN光纤(4)的GRIN/空气界面反射光(15)与由抛光单晶硅片(2)反射回GRIN光纤(4)中的抛光硅片/空气反射光(16)相互干涉。
3.根据权利要求2所述的基于光纤端面Fizeau干涉的全光纤微型光谱仪，其特征在于：通过抽拉单模光纤(5)或毛细管(3)的方法改变光程差，或将GRIN光纤(4)竖直放置，在端面上滴加可蒸发或可挥发液体，通过液体的蒸发来改变光程差，实现调节干涉光程差的目的。
4.根据权利要求3所述的基于光纤端面Fizeau干涉的全光纤微型光谱仪，其特征在于：当通过手动或电机驱动方式抽拉单模光纤(5)或毛细管(3)来改变光程差时，光程差变化速度为匀速或非匀速，且变化速度不影响光谱仪的光谱分析性能。
5.根据权利要求1所述的基于光纤端面Fizeau干涉的全光纤微型光谱仪，其特征在于：所述第一光电探测器(10)输出信号为被测光所有波长分量干涉信号的叠加信号，第二光电探测器(11)输出信号仅包含光纤布拉格光栅(8)所筛选出特定波长的干涉信号，第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)输出的电信号大小正比于所接受光强大小，即第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)输出信号即为光强信号；第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11) 输出信号始终保持同步，光源功率波动、光路结构噪声、光程差变化规律对两个探测器的影响也完全同步。
6.根据权利要求1所述的基于光纤端面Fizeau干涉的全光纤微型光谱仪，其特征在于：对第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)输出的电信号进行分析处理的方法，包括如下步骤：
(1)通过第二光电探测器(11)输出信号的强度来确定被测光任一时刻对应的干涉光程差，再根据第一光电探测器(10)不同时刻输出的信号强度，获得被测光所有波长分量干涉信号的叠加信号强度随光程差的变化规律；
(2)由于第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)完全同步，环境扰动对两个探测器的影响规律完全一致，因此通过第二光电探测器(11)所捕获的信号来获得环境扰动对第二光电探测器的影响规律，进而将第一光电探测器(10)所获的信号中的环境干扰去除，仅保留第一光电探测器(10)所探测到的被测光所有波长分量干涉信号的叠加信号强度随光程差的变化规律。
7.根据权利要求6所述的基于光纤端面Fizeau干涉的全光纤微型光谱仪，其特征在于：所述通过第二光电探测器(11)输出信号的强度来确定被测光任一时刻对应的光程差，无论光程差改变的快慢，无论光程差是否随时间均匀改变，都能够通过第二光电探测器(11)输出信号获得任一时刻对应的干涉光程差，克服了现有光谱仪中需要高精密位移电机来精确控制干涉动镜运动速度从而使得光谱仪使用环境苛刻的瓶颈问题。
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