CN113686440B - 一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置及分析方法 - Google Patents

一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置及分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置及分析方法，属于光谱分析技术领域。解决了现有布里渊光谱分析装置及方法受限于泵浦光源的调谐速度、调谐精度，测量速度和测量精度均不能满足前沿科学、生物医疗等领域需求的问题。它包括所述傅里叶域锁模泵浦光源通过双轴工作偏振分光棱镜与第一保偏环行器的1端口和第二保偏环行器的1端口相连，所述待检光接口通过单轴工作偏振分光棱镜和第一偏振管理延迟线与第一保偏环行器的2端口相连，所述待检光接口通过单轴工作偏振分光棱镜和第二偏振管理延迟线与第二保偏环行器的2端口相连。它主要用于布里渊光谱分析。

Description

一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置及分析方法
技术领域
本发明属于光谱分析技术领域，特别是涉及一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置及分析方法。
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加工误差，光谱分辨力最高仅能达到皮米量级，远不能满足新型光子学器件的光谱测量需求。
近年来提出的布里渊光谱仪能够在原理上规避分光原件加工误差对光谱分辨力的不利影响，因此被广泛应用于精密仪器制造和精密测试计量等领域。布里渊光谱仪的技术方案是：首先，利用激光调谐技术和光纤布里渊散射技术，构建中心波长可调谐的等效滤波器；其次，调谐等效滤波器的中心波长使其遍历整个待检光束的光谱，从而对待检光束中的不同频率成分进行分时提取；最后，根据分时提取的频率成分恢复待检光束的光谱。显然，布里渊光谱仪能够快速、高精度工作的关键是提高泵浦光源的调谐速度与调谐精度。
然而，现有布里渊光谱分析装置及方法中所采用的外腔激光调谐技术(ECL)、垂直腔面发射激光调谐技术(VCSEL)和分布式布拉格反射激光调谐技术(DBR)等均通过反复起振/停振不同的激光纵模以实现泵浦光束调谐，由此引入的时间延迟与相位噪声制约了泵浦光源调谐速度与调谐精度的提升。此外，在采用偏振拉伸法解调布里渊光谱仪装置及方法的测量信号时，泵浦光束和待检光束之间偏振态的偏差也将导致测量结果的精度下降。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置及分析方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置，它包括傅里叶域锁模泵浦光源、待检光接口、单轴工作偏振分光棱镜、双轴工作偏振分光棱镜、第一偏振管理延迟线、第一保偏环行器、第一检偏器、第一光电探测器、信号处理模块、第二光电探测器、第二检偏器、第二保偏环行器和第二偏振管理延迟线，所述傅里叶域锁模泵浦光源通过双轴工作偏振分光棱镜与第一保偏环行器的1端口和第二保偏环行器的1端口相连，所述待检光接口通过单轴工作偏振分光棱镜和第一偏振管理延迟线与第一保偏环行器的2端口相连，所述待检光接口通过单轴工作偏振分光棱镜和第二偏振管理延迟线与第二保偏环行器的2端口相连，所述第一保偏环行器的3端口依次与第一检偏器、第一光电探测器和信号处理模块连接，形成通路；所述第二保偏环行器的3端口依次与第二检偏器、第二光电探测器和信号处理模块连接，形成通路。
更进一步的，所述傅里叶域锁模泵浦光源包括依次相连的光放大器、可调谐光学滤波器、偏振色散管理延迟线、光隔离器、第一保偏光纤耦合器和窄线宽光学滤波器，所述可调谐光学滤波器与函数发生器相连，所述窄线宽光学滤波器通过双轴工作偏振分光棱镜与第一保偏环行器的1端口和第二保偏环行器的1端口相连。
更进一步的，所述偏振色散管理延迟线的传输与偏振特性可调。
更进一步的，所述偏振色散管理延迟线通过刻写啁啾光栅、串联色散位移光纤、色散补偿光纤、玻片、光纤锥或偏振控制器的方式调控传输与偏振特性。
本发明还提供了一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置的分析方法，它包括以下步骤：
步骤1：所述傅里叶域锁模泵浦光源发出泵浦光束A，所述泵浦光束A经双轴工作偏振分光棱镜分为等振幅的快轴对准泵浦光束A1和慢轴对准泵浦光束A2；
步骤2：待检光束B经待检光接口入射，经单轴工作偏振分光棱镜分为慢轴对准待检光束B1和快轴对准待检光束B2；
步骤3：快轴对准泵浦光束A1经第一保偏环行器的1端口和2端口进入第一偏振管理延迟线，并与慢轴对准待检光束B1发生受激布里渊散射相互作用，使得慢轴对准待检光束B1中的第一布里渊增益分量B101的功率增加，偏振态改变90°，同时第一非布里渊增益分量B102的功率及偏振态不发生改变，第一布里渊增益分量B101和第一非布里渊增益分量B102经第一保偏环行器的2端口和3端口进入第一检偏器，只有第一布里渊增益分量B101能够通过第一检偏器，并被第一光电探测器所采集；
步骤4：慢轴对准泵浦光束A2经第二保偏环行器的1端口和2端口进入第二偏振管理延迟线，并与快轴对准待检光束B2发生受激布里渊散射相互作用，快轴对准待检光束B2中的第二布里渊增益分量B201的功率增加，偏振态改变90°，同时第二非布里渊增益分量B202的功率及偏振态不发生改变，第二布里渊增益分量B201和第二非布里渊增益分量B202经第二保偏环行器的2端口和3端口进入第二检偏器，只有第二布里渊增益分量B201能够通过第二检偏器，并被第二光电探测器所采集；
步骤5：信号处理模块通过整合第一布里渊增益分量B101和第二布里渊增益分量B201，得到待检光束B的复原光谱信号B’。
更进一步的，所述步骤2中待检光束B为任意偏振光束，其中的偏振模和/>偏振模经单轴工作偏振分光棱镜分为慢轴对准待检光束B1和快轴对准待检光束B2。
更进一步的，所述第一偏振管理延迟线通过玻片、光纤锥或偏振控制器的方式保证快轴对准泵浦光束A1和慢轴对准待检光束B1之间的偏振态严格正交，使得慢轴对准待检光束B1中的第一布里渊增益分量B101的功率增加，偏振态改变90°，同时第一非布里渊增益分量B102的功率及偏振态不发生改变。
更进一步的，所述第二偏振管理延迟线通过玻片、光纤锥或偏振控制器的方式保证慢轴对准泵浦光束A2和快轴对准待检光束B2之间的偏振态严格正交，使得快轴对准待检光束B2中的第二布里渊增益分量B201的功率增加，偏振态改变90°，同时第二非布里渊增益分量B202的功率及偏振态不发生改变。
更进一步的，当需要进行连续、重复性的光谱分析时，所述函数发生器的输出波形设置为锯齿形。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有布里渊光谱分析装置及方法受限于泵浦光源的调谐速度、调谐精度，测量速度和测量精度均不能满足前沿科学、生物医疗等领域需求的问题。
本发明通过调控偏振色散管理延迟线的传输与偏振特性，抑制傅里叶域锁模泵浦光源中各纵模模式间的材料色散与偏振模色散，且能够控制泵浦光束为线性偏振光束；通过将函数发生器的调谐周期与傅里叶域锁模泵浦光源中各纵模模式的单程渡越时间相匹配，使得各纵模模式能够在傅里叶域锁模泵浦光源中稳定演化；通过可调谐光学滤波器控制各纵模模式依照波长次序相继输出，避免了以往布里渊光谱分析装置及方法中，泵浦光束在调谐过程中的反复起振与停振，能够实现泵浦光束的快速调谐，进而提高布里渊光谱分析的测量速度。
本发明通过双轴工作偏振分光棱镜将线性偏振的泵浦光束分为等振幅的快轴对准泵浦光束与慢轴对准泵浦光束；通过单轴工作偏振分光棱镜将待检光束中的偏振模和/>偏振模分为慢轴对准待检光束和快轴对准待检光束；通过第一偏振管理延迟线和第二偏振管理延迟线控制快轴对准泵浦光束、慢轴对准泵浦光束、慢轴对准待检光束和快轴对准待检光束之间的偏振态关系，能够规避非布里渊增益分量和对布里渊增益分量和的干扰，进而提升布里渊光谱分析的测量精度。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置结构示意图；
图2为本发明所述的单轴工作偏振分光棱镜工作示意图；
图3为本发明所述的双轴工作偏振分光棱镜工作示意图；
图4为本发明所述的泵浦光束、慢轴对准泵浦光束以及快轴对准泵浦光束的光谱示意图；
图5为本发明所述的待检光束、慢轴对准待检光束以及快轴对准待检光束的光谱示意图；
图6为本发明所述的泵浦光为快轴对准泵浦光束时受激布里渊散射相互作用示意图；
图7为本发明所述的泵浦光为慢轴对准泵浦光受激布里渊散射相互作用示意图；
图8为本发明所述的函数发生器的输出波形示意图。
1-傅里叶域锁模泵浦光源，101-光放大器，102-可调谐光学滤波器，103-函数发生器，104-偏振色散管理延迟线，105-光隔离器，106-第一保偏光纤耦合器，107-窄线宽光学滤波器，2-待检光接口，3-单轴工作偏振分光棱镜，4-双轴工作偏振分光棱镜，5-第一偏振管理延迟线，6-第一保偏环行器，7-第一检偏器，8-第一光电探测器，9-信号处理模块，10-第二光电探测器，11-第二检偏器，12-第二保偏环行器，13-第二偏振管理延迟线，A-泵浦光束，A1-快轴对准泵浦光束，A2-慢轴对准泵浦光束，B-待检光束，B1-慢轴对准待检光束，B101-第一布里渊增益分量，B102-第一非布里渊增益分量，B2-快轴对准待检光束，B201-第二布里渊增益分量，B202-第二非布里渊增益分量，B’-复原光谱信号。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1说明本实施方式，一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置，它包括傅里叶域锁模泵浦光源1、待检光接口2、单轴工作偏振分光棱镜3、双轴工作偏振分光棱镜4、第一偏振管理延迟线5、第一保偏环行器6、第一检偏器7、第一光电探测器8、信号处理模块9、第二光电探测器10、第二检偏器11、第二保偏环行器12和第二偏振管理延迟线13，所述傅里叶域锁模泵浦光源1通过双轴工作偏振分光棱镜4与第一保偏环行器6的1端口和第二保偏环行器12的1端口相连，所述待检光接口2通过单轴工作偏振分光棱镜3和第一偏振管理延迟线5与第一保偏环行器6的2端口相连，所述待检光接口2通过单轴工作偏振分光棱镜3和第二偏振管理延迟线13与第二保偏环行器12的2端口相连，所述第一保偏环行器6的3端口依次与第一检偏器7、第一光电探测器8和信号处理模块9连接，形成通路；所述第二保偏环行器12的3端口依次与第二检偏器11、第二光电探测器10和信号处理模块9连接，形成通路。
本实施例所述傅里叶域锁模泵浦光源1包括依次相连的光放大器101、可调谐光学滤波器102、偏振色散管理延迟线104、光隔离器105、第一保偏光纤耦合器106和窄线宽光学滤波器107，所述可调谐光学滤波器102与函数发生器103相连，所述窄线宽光学滤波器107通过双轴工作偏振分光棱镜4与第一保偏环行器6的1端口和第二保偏环行器12的1端口相连，所述偏振色散管理延迟线104的传输与偏振特性可调，所述偏振色散管理延迟线104通过刻写啁啾光栅、串联色散位移光纤、色散补偿光纤、玻片、光纤锥或偏振控制器的方式调控传输与偏振特性，一方面抑制傅里叶域锁模本振光源1中各纵模模式间的材料色散，另一方面限制偏振模在傅里叶域锁模本振光源1内的传输，从而抑制/>偏振模和/>偏振模之间的偏振模色散，且能够控制本振光束A的偏振态如图3所示。
实施例中所述函数发生器103的调谐周期与傅里叶域锁模本振光源1中各纵模模式的单程渡越时间相匹配，通过将函数发生器103调谐周期与傅里叶域锁模本振光源1中各纵模模式的单程渡越时间相匹配，使得各纵模模式能够在傅里叶域锁模本振光源1中稳定演化。
实施例中所述可调谐光学滤波器102控制傅里叶域锁模本振光源1中各纵模模式依照波长次序相继输出，通过可调谐光学滤波器102控制各纵模模式依照波长次序相继输出，避免了以往相干光谱分析装置及方法中，本振光束A在调谐过程中的反复起振与停振，能够实现本振光束A的快速调谐，进而提高相干光谱分析的测量速度。
本实施例为一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置的分析方法，它包括以下步骤：
步骤1：所述傅里叶域锁模泵浦光源1发出泵浦光束A，所述泵浦光束A经双轴工作偏振分光棱镜4分为等振幅的快轴对准泵浦光束A1和慢轴对准泵浦光束A2；
步骤2：待检光束B经待检光接口2入射，经单轴工作偏振分光棱镜3分为慢轴对准待检光束B1和快轴对准待检光束B2；
步骤3：快轴对准泵浦光束A1经第一保偏环行器6的1端口和2端口进入第一偏振管理延迟线5，并与慢轴对准待检光束B1发生受激布里渊散射相互作用，使得慢轴对准待检光束B1中的第一布里渊增益分量B101的功率增加，偏振态改变90°，同时第一非布里渊增益分量B102的功率及偏振态不发生改变，第一布里渊增益分量B101和第一非布里渊增益分量B102经第一保偏环行器6的2端口和3端口进入第一检偏器7，只有第一布里渊增益分量B101能够通过第一检偏器7，并被第一光电探测器8所采集；
步骤4：慢轴对准泵浦光束A2经第二保偏环行器12的1端口和2端口进入第二偏振管理延迟线13，并与快轴对准待检光束B2发生受激布里渊散射相互作用，快轴对准待检光束B2中的第二布里渊增益分量B201的功率增加，偏振态改变90°，同时第二非布里渊增益分量B202的功率及偏振态不发生改变，第二布里渊增益分量B201和第二非布里渊增益分量B202经第二保偏环行器12的2端口和3端口进入第二检偏器11，只有第二布里渊增益分量B201能够通过第二检偏器11，并被第二光电探测器10所采集；
步骤5：信号处理模块9通过整合第一布里渊增益分量B101和第二布里渊增益分量B201，得到待检光束B的复原光谱信号B’。
实施例中步骤2中待检光束B为任意偏振光束，其中的偏振模和/>偏振模经单轴工作偏振分光棱镜3分为慢轴对准待检光束B1和快轴对准待检光束B2。如图2-5所示，双轴工作偏振分光棱镜4将线性偏振的泵浦光束A分为等振幅的快轴对准泵浦光束A1与慢轴对准泵浦光束A2；单轴工作偏振分光棱镜3将待检光束B中的偏振模和偏振模分为慢轴对准待检光束B1和快轴对准待检光束B2；快轴对准泵浦光束A1经第一保偏环行器6的1端口和2端口进入第一偏振管理延迟线5，并与慢轴对准待检光束B1发生受激布里渊散射相互作用；慢轴对准泵浦光束A2经第二保偏环行器12的1端口和2端口进入第二偏振管理延迟线13，并与快轴对准待检光束B2发生受激布里渊散射相互作用。如图7所示，第一偏振管理延迟线5通过玻片、光纤锥或偏振控制器的方式保证快轴对准泵浦光束A1和慢轴对准待检光束B1之间的偏振态严格正交，使得慢轴对准待检光束B1中的第一布里渊增益分量B101的功率增加，偏振态改变90°，同时第一非布里渊增益分量B102的功率及偏振态不发生改变。第一布里渊增益分量B101和第一非布里渊增益分量B102经第一保偏环行器6的2端口和3端口进入第一检偏器7，只有第一布里渊增益分量B101能够通过第一检偏器7，并被第一光电探测器8所采集。如图8所示，第二偏振管理延迟线13通过玻片、光纤锥或偏振控制器的方式保证慢轴对准泵浦光束A2和快轴对准待检光束B2之间的偏振态严格正交，使得快轴对准待检光束B2中的第二布里渊增益分量B201的功率增加，偏振态改变90°，同时第二非布里渊增益分量B202的功率及偏振态不发生改变。第二布里渊增益分量B201和第二非布里渊增益分量B202经第二保偏环行器12的2端口和3端口进入第二检偏器11，只有第二布里渊增益分量B201能够通过第二检偏器11，并被第二光电探测器10所采集。
当需要进行连续、重复性的光谱分析时，所述函数发生器103的输出波形设置为锯齿形。
以上对本发明所提供的一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置及分析方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置，其特征在于：它包括傅里叶域锁模泵浦光源（1）、待检光接口（2）、单轴工作偏振分光棱镜（3）、双轴工作偏振分光棱镜（4）、第一偏振管理延迟线（5）、第一保偏环行器（6）、第一检偏器（7）、第一光电探测器（8）、信号处理模块（9）、第二光电探测器（10）、第二检偏器（11）、第二保偏环行器（12）和第二偏振管理延迟线（13），所述傅里叶域锁模泵浦光源（1）通过双轴工作偏振分光棱镜（4）与第一保偏环行器（6）的1端口和第二保偏环行器（12）的1端口相连，所述待检光接口（2）通过单轴工作偏振分光棱镜（3）和第一偏振管理延迟线（5）与第一保偏环行器（6）的2端口相连，所述待检光接口（2）通过单轴工作偏振分光棱镜（3）和第二偏振管理延迟线（13）与第二保偏环行器（12）的2端口相连，所述第一保偏环行器（6）的3端口依次与第一检偏器（7）、第一光电探测器（8）和信号处理模块（9）连接，形成通路；所述第二保偏环行器（12）的3端口依次与第二检偏器（11）、第二光电探测器（10）和信号处理模块（9）连接，形成通路，所述傅里叶域锁模泵浦光源（1）包括依次相连的光放大器（101）、可调谐光学滤波器（102）、偏振色散管理延迟线（104）、光隔离器（105）、第一保偏光纤耦合器（106）和窄线宽光学滤波器（107），所述可调谐光学滤波器（102）与函数发生器（103）相连，所述窄线宽光学滤波器（107）通过双轴工作偏振分光棱镜（4）与第一保偏环行器（6）的1端口和第二保偏环行器（12）的1端口相连，所述偏振色散管理延迟线（104）的传输与偏振特性可调，所述偏振色散管理延迟线（104）通过刻写啁啾光栅、串联色散位移光纤、色散补偿光纤、玻片、光纤锥或偏振控制器的方式调控传输与偏振特性。
2.一种如权利要求1所述的基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置的分析方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤1：所述傅里叶域锁模泵浦光源（1）发出泵浦光束A，所述泵浦光束A经双轴工作偏振分光棱镜（4）分为等振幅的快轴对准泵浦光束A1和慢轴对准泵浦光束A2；
步骤2：待检光束B经待检光接口（2）入射，经单轴工作偏振分光棱镜（3）分为慢轴对准待检光束B1和快轴对准待检光束B2；
步骤3：快轴对准泵浦光束A1经第一保偏环行器（6）的1端口和2端口进入第一偏振管理延迟线（5），并与慢轴对准待检光束B1发生受激布里渊散射相互作用，使得慢轴对准待检光束B1中的第一布里渊增益分量B101的功率增加，偏振态改变90°，同时第一非布里渊增益分量B102的功率及偏振态不发生改变，第一布里渊增益分量B101和第一非布里渊增益分量B102经第一保偏环行器（6）的2端口和3端口进入第一检偏器（7），只有第一布里渊增益分量B101能够通过第一检偏器（7），并被第一光电探测器（8）所采集；
步骤4：慢轴对准泵浦光束A2经第二保偏环行器（12）的1端口和2端口进入第二偏振管理延迟线（13），并与快轴对准待检光束B2发生受激布里渊散射相互作用，快轴对准待检光束B2中的第二布里渊增益分量B201的功率增加，偏振态改变90°，同时第二非布里渊增益分量B202的功率及偏振态不发生改变，第二布里渊增益分量B201和第二非布里渊增益分量B202经第二保偏环行器（12）的2端口和3端口进入第二检偏器（11），只有第二布里渊增益分量B201能够通过第二检偏器（11），并被第二光电探测器（10）所采集；
步骤5：信号处理模块（9）通过整合第一布里渊增益分量B101和第二布里渊增益分量B201，得到待检光束B的复原光谱信号B’。
3.根据权利要求2所述的一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置的分析方法，其特征在于：所述步骤2中待检光束B为任意偏振光束，其中的偏振模和/>偏振模经单轴工作偏振分光棱镜（3）分为慢轴对准待检光束B1和快轴对准待检光束B2。
4.根据权利要求2所述的一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置的分析方法，其特征在于：所述第一偏振管理延迟线（5）通过玻片、光纤锥或偏振控制器的方式保证快轴对准泵浦光束A1和慢轴对准待检光束B1之间的偏振态严格正交，使得慢轴对准待检光束B1中的第一布里渊增益分量B101的功率增加，偏振态改变90°，同时第一非布里渊增益分量B102的功率及偏振态不发生改变。
5.根据权利要求2所述的一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置的分析方法，其特征在于：所述第二偏振管理延迟线（13）通过玻片、光纤锥或偏振控制器的方式保证慢轴对准泵浦光束A2和快轴对准待检光束B2之间的偏振态严格正交，使得快轴对准待检光束B2中的第二布里渊增益分量B201的功率增加，偏振态改变90°，同时第二非布里渊增益分量B202的功率及偏振态不发生改变。
6.根据权利要求2所述的一种基于傅里叶域锁模的布里渊光谱分析装置的分析方法，其特征在于：当需要进行连续、重复性的光谱分析时，所述函数发生器（103）的输出波形设置为锯齿形。
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