CN116222780A - 一种基于零拍探测的光谱仪及光谱探测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于零拍探测的光谱仪及光谱探测方法，光谱仪包括可调谐激光器、两个50:50分束器、固定相位调制模块、控制器、数据处理模块和两个零拍探测模组。可调谐激光器输出的激光光束为本振光，两个50:50分束器相对应的对待测光和激光光束分束，一组待测分束光束和一组激光光脉冲直接输入至一个零拍探测模组，另一组待测分束光束和经过固定相位调制模块调制后的一组激光光脉冲输入至另一个零拍探测模组，固定相位调制模块使输入的激光光脉冲和输出的激光光脉冲的相位差为π/2或3π/2，两组零拍探测模组分别对输入其上的激光光脉冲和待测分束光束相干探测并放大探测信号，最终获得每个调谐激光光束波长对应的待测光强度。
Description
技术领域
本申请属于光谱分析领域，具体而言，涉及一种基于零拍探测的光谱仪及光谱探测方法。
背景技术
光谱分析仪简称光谱仪，是将成分复杂的复合光分解为光谱线并进行测量和计算的科学仪器，被广泛应用于辐射度学分析、颜色测量、化学成份分析等领域，在冶金、地质、水文、医药、石油化工、环境保护、宇宙探索等行业发挥着重要作用。在照明行业，通常使用光谱仪来测量光源的光色参数。
平衡零拍探测是用于光信号振幅与相位测量的一种技术，平衡零拍探测器(balanced homodyne detectors，BHD)在量子随机数产生、量子噪声分析、外差探测、微弱信号检测等领域有着重要的应用。在微弱信号检测领域，可采用平衡零拍探测技术来探测量子噪声。其测量的关键是使用平衡零拍探测器，将加载在光波上的交流噪声信号提取和放大。该探测器应具有噪声低和灵敏度高的特性，这样不仅能够有效探测散粒噪声，而且能使其本身的电子学噪声远低于散粒噪声(一般散粒噪声谱要高出电子学噪声谱10dB以上)，避免将散粒噪声淹没。同时，为了使散粒噪声谱成为主要输出谱，探测器需要探测毫瓦量级的光场，因而具有足够高的增益饱和特性。
目前，市场上的光谱仪一般基于空间光学光栅结构，对入射光波的波长进行分析探测，该类方法一般只能针对较强的光束(微瓦量级)进行光谱分析，同时由于系统光学损耗较大以及普通光学探测器的探测强度范围等问题，该系统无法对微弱光或单光子量级的光束进行有效的光谱分析，导致实际应用以及应用场景具有局限性。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供一种针对微弱光或单光子量级光束探测的光谱仪及光谱探测方法，采用两组零拍探测模块将本振光激光光束与待测信号光耦合放大，经过分析处理获取待测信号光强度。其具体方案如下：
第一方面，本申请公开了一种基于零拍探测的光谱仪，包括可调谐激光器、第一50:50分束器、第二50:50分束器、固定相位调制模块、控制器、数据处理模块和两个零拍探测模组；
所述可调谐激光器的输出端与所述第一50:50分束器的输入端连接，用于输出激光光束并将激光光束信息反馈给所述控制模块；
所述第一50:50分束器和所述第二50:50分束器均包括输出上端和输出下端，所述第一50：50分束器的输出上端连接一个所述零拍探测模组，所述第一50：50分束器的输出下端连接所述固定相位调制模块的输入端，所述固定相位调制模块的输出端连接另一个所述零拍探测模组；所述第一50:50分束器用于将输入的激光光束分割成能量相同的两组激光光脉冲，一组激光光脉冲直接输入至一个零拍探测模组，另一组激光光脉冲经过固定相位调制模块传输至另一个零拍探测模组；所述固定相位调制模块用于对输入的激光光脉冲进行相位调制，使输入激光光脉冲和输出激光光脉冲的相位差为π/2或3π/2；
所述第二50:50分束器用于将输入的待测光分割成能量相同的两组待测分束光束，一组待测分束光束输入至一个零拍探测模组，另一组待测分束光束输入至另一个零拍探测模组；
所述零拍探测模组的输出端与所述数据处理模块连接，用于对输入的激光光脉冲和待测分束光束相干探测并放大探测信号；
所述控制模块用于调节所述可调谐激光器输出的激光光束波长同时将当前调谐的激光光束波长信息反馈给所述数据处理模块，以及控制所述固定相位调制模块对激光光脉冲的相位调制；
所述数据处理模块用于接收所述控制模块和两组所述零拍探测模组输出的信号并进行分析处理，获得每个调谐激光光束波长对应的待测光强度信息以及形成待测光强度与激光光束波长的对应关系。
进一步地，所述零拍探测模组包括第三50:50分束器、第一光电二极管、第二光电二极管、跨阻放大器和数据采集模块，所述第三50:50分束器包括输出上端和输出下端，用于对输入的激光光脉冲和待测分束光束进行相干耦合，所述第三50:50分束器的输出上端与所述第一光电二极管光路连通，所述第三50:50分束器的输出下端与所述第二光电二极管光路连通；所述第一光电二极管与所述第二光电二极管串联，形成串联节点且在串联节点处产生光电流差信号；所述串联节点与所述跨阻放大器的输入端连接；所述数据采集模块的输入端与所述跨阻放大器的输出端连接；所述跨阻放大器用于将所述光电流差信号转换为光电压差信号并将所述光电压差信号放大；所述数据采集模块的输出端与所述数据处理模块连接，用于获取所述跨阻放大器输出的光电压差信号并进行信号转换。
进一步地，所述控制模块包括微控制器、电流调节模块和调制驱动模块，所述微控制器控制所述电流调节模块和所述调制驱动模块；所述电流调节模块基于所述微控制器的控制，调节所述可调谐激光器输出的激光光束波长和功率；所述可调谐激光器将激光光束波长和功率信息反馈给所述微控制器；所述调制驱动模块基于所述微控制器的控制，调节所述固定相位调制模块的驱动电压，使输入激光光脉冲和输出激光光脉冲的相位差为π/2或3π/2。
优选地，所述固定相位调制模块、第一50:50分束器、第二50:50分束器、零拍探测模组、控制模块和数据处理模块采用单片集成工艺制作在芯片上。
进一步地，所述电流调节模块包括至少三组调谐节电流电路，所述调谐节电流电路包括数模转换器和放大器，所述数模转换器的输入端与所述微控制器的输出端连接，所述放大器的输入端与所述数模转换器的输出端连接，所述放大器的输出端与所述可调谐激光器的输入端连接。
优选地，所述第一50:50分束器和第二50:50分束器为光纤分束器、多模干涉耦合器或定向耦合器中的一种。
进一步地，所述数据采集模块包括模数转换器，用于将经过放大后的光电压差信号转换为光电压差数字信号，所述模数转换器的输入端与所述跨阻放大器的输出端连接，所述模数转换器的输出端与所述数据处理模块的输入端连接。
进一步地，所述光谱仪还包括显示系统，所述显示系统与所述数据处理模块和所述控制模块连接，用于输入控制参数和命令、查找定位相位调节参数以及显示待测光强度与激光光束波长的对应关系。
第二方面，本申请公开了一种基于零拍探测的光谱探测方法，所述方法应用于上述的光谱仪，所述光谱仪包括可调谐激光器、第一50:50分束器、第二50:50分束器、固定相位调制模块、控制器、数据处理模块和两个零拍探测模组；所述方法包括：
待测光输入至第二50:50分束器；
第二50:50分束器将输入的待测光分割成能量相同的两组待测分束光束，一组待测分束光束输入至一个零拍探测模组，另一组待测分束光束输入至另一个零拍探测模组；
控制模块调节可调谐激光器输出波长为λ1的激光光束并传输至第一50:50分束器，同时可调谐激光器将该激光光束信息反馈给控制模块；
第一50:50分束器将输入的波长为λ1的激光光束分割成能量相同的两组激光光脉冲，一组激光光脉冲直接输入至一个零拍探测模组，另一组激光光脉冲输入至固定相位调制模块；
基于当前波长为λ1的激光光束，控制模块控制固定相位调制模块对输入的激光光脉冲进行相位调制，使输入激光光脉冲和输出激光光脉冲的相位差为π/2或3π/2；
经过相位调制的激光光脉冲输入至另一个零拍探测模组；
两组零拍探测模组对输入的激光光脉冲和待测分束光束相干探测并放大探测信号；
数据处理模块接收两组零拍探测模组输出的探测信号并进行分析处理，获得波长为λ1的激光光束对应的待测光强度信息；
波长为λ1的激光光束的探测完成，控制模块调节可调谐激光器输出波长为λ2的激光光束，重复上述过程，直至完成所有预设波长的激光光束的探测；
数据处理模块获得每个调谐激光光束波长对应的待测光强度信息以及形成待测光强度与激光光束波长的对应关系。
进一步地，当所述零拍探测模组包括第三50:50分束器、第一光电二极管、第二光电二极管、跨阻放大器和数据采集模块时，两组零拍探测模组对输入的激光光脉冲和待测分束光束相干探测并放大探测信号包括：
第三50:50分束器对波长为λ1的激光光脉冲和待测分束光束相干耦合，输出光束分别入射至第一光电二极管和第二光电二极管，且在第一光电二极管和第二光电二极管的串联节点处产生光电流差信号；
跨阻放大器将光电流差信号转换为光电压差信号并将光电压差信号放大；
数据采集模块获取放大后的光电压差信号并进行信号转换传输给数据处理模块。
总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本申请提供了一种基于零拍探测的光谱仪及光谱探测方法，光谱仪包括可调谐激光器、第一50:50分束器、第二50:50分束器、固定相位调制模块、控制器、数据处理模块和两个零拍探测模组。可调谐激光器输出的激光光束作为本振光，通过设置两个50:50分束器，分别对待测光和激光光束进行一分二分束，一组待测分束光束输入至其中一个零拍探测模组，另一组待测分束光束输入至另一个零拍探测模组，一组激光光脉冲直接输入至其中一个零拍探测模组，另一组激光光脉冲通过固定相位调制模块调制后输入至另一个零拍探测模组，固定相位调制模块使输入的激光光脉冲和输出的激光光脉冲的相位差为π/2或3π/2，两组零拍探测模组对输入其上的激光光脉冲和待测分束光束相干探测并放大探测信号，最终获得每个调谐激光光束波长对应的待测光强度信息以及形成待测光强度与激光光束波长的对应关系。本申请中，将激光光束作为本振光与待测光通过两组零拍探测模组相干探测后放大待测光的强度，获取每个调谐激光光束波长对应的待测光强度信息，实现了对微弱光束或单光子量级光信号的高效探测。此外，固定相位调制模块、第一50:50分束器、第二50:50分束器、零拍探测模组、控制模块和数据处理模块可以采用单片集成工艺制作在芯片上，减小了光谱光谱仪的体积并降低了光谱探测的成本。
附图说明
为更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于零拍探测的光谱仪的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的零拍探测模组的结构示意图；
图3为本申请另一实施例提供的一种基于零拍探测的光谱仪的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种基于零拍探测的光谱仪的原理示意图；
图5为本申请实施例中控制模块的结构示意图；
图6为本申请实施例中电流调节模块的结构示意图；
图7为本申请另一实施例提供的一种基于零拍探测的光谱仪的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的一种基于零拍探测的光谱探测方法流程图；
图9为本申请实施例中零拍探测模组的探测方法流程图。
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实施例作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
为了便于理解和解释本申请实施例提供的技术方案，下面将先对本申请的背景技术进行说明。
光谱仪是将成分复杂的复合光分解为光谱线并进行测量和计算的科学分析仪器，被广泛应用于辐射度学分析、颜色测量、化学成份分析等领域，在冶金、地质、水文、医药、石油化工、环境保护、宇宙探索等行业发挥着重要作用。目前，市场上的光谱探测器或光谱仪一般基于空间光学光栅结构，对入射光波的波长进行分析探测，该类方法一般只能针对较强的光束(微瓦量级)进行光谱分析，同时由于系统光学损耗较大以及普通光学探测器的探测强度范围等问题，该系统无法对微弱光或单光子量级的光束进行有效的光谱分析，导致实际应用以及应用场景具有局限性。
平衡零拍探测是用于光信号振幅与相位测量的一种技术，平衡零拍探测器在量子随机数产生、量子噪声分析、外差探测、微弱信号检测等领域有着重要的应用。在微弱信号检测领域，可采用平衡零拍探测技术来探测量子噪声。其测量的关键是使用平衡零拍探测器，将加载在光波上的交流噪声信号提取和放大。该探测器应具有噪声低和灵敏度高的特性，这样不仅能够有效探测散粒噪声，而且能使其本身的电子学噪声远低于散粒噪声，避免将散粒噪声淹没。同时，为了使散粒噪声谱成为主要输出谱，探测器需要探测毫瓦量级的光场，因而具有足够高的增益饱和特性。
基于此，本申请提供一种基于零拍探测的光谱仪，具体地，参考图1为本申请实施例提供的一种基于零拍探测的光谱仪的结构示意图，所述光谱仪包括可调谐激光器、第一50:50分束器、第二50:50分束器、固定相位调制模块、控制器、数据处理模块和两个零拍探测模组。
所述第一50:50分束器、第二50:50分束器、固定相位调制模块、控制器、数据处理模块和两个零拍探测模组可以基于分立器件以及PCB电路板制备，更优选的采用单片集成工艺制作在芯片上，以减小光谱仪的体积并降低光谱探测的成本。这里需要注意的是，当芯片材料为三五族材料如InP、GaAs时，可调谐激光器可以直接集成在芯片上。
所述可调谐激光器的输出端与所述第一50:50分束器的输入端连接，用于输出激光光束并将激光光束信息反馈给所述控制模块。
这里激光光束信息包括激光光束的波长、光频率等信息。可调谐激光器在一定范围内可以连续改变激光光束输出的波长，输出的激光光束作为本振光。需要注意的是，这里可调谐激光器可以设置1个或多个，设置的数量可以根据待测光源或信号源的频率范围或预计的频率范围、光谱探测精度以及预设输出不同波长激光光束的数量等多个因素综合考虑，本申请不对可调谐激光器的数量作具体限定。当设置多个可调谐激光器时，它们相互之间采用并联方式连接，统一受控制模块控制，根据时序信号每个可调谐激光器依次输出激光光束。
优选可调谐激光器为窄线宽可调谐激光器。可调谐激光器的线宽越窄，其相干长度越长，能够实现超高精度、超远距离和超高灵敏度的微弱光信号检测，提高光谱探测的分辨率。
所述第一50:50分束器和所述第二50:50分束器均包括输出上端和输出下端，所述第一50：50分束器的输出上端连接一个所述零拍探测模组，所述第一50：50分束器的输出下端连接所述固定相位调制模块的输入端，所述固定相位调制模块的输出端连接另一个所述零拍探测模组；所述第一50:50分束器用于将输入的激光光束分割成能量相同的两组激光光脉冲，一组激光光脉冲直接输入至一个零拍探测模组，另一组激光光脉冲经过固定相位调制模块传输至另一个零拍探测模组；所述固定相位调制模块用于对输入的激光光脉冲进行相位调制，使输入激光光脉冲和输出激光光脉冲的相位差为π/2或3π/2。
所述第二50:50分束器用于将输入的待测光分割成能量相同的两组待测分束光束，一组待测分束光束输入至一个零拍探测模组，另一组待测分束光束输入至另一个零拍探测模组。
这里为了更好的阐述和理解，两个零拍探测模组分别命名为第一零拍探测模组和第二零拍探测模组。
具体地，第一50:50分束器对输入的激光光束一分二分束后，一组激光光脉冲直接输入至第一零拍探测模组，另一组激光光脉冲经过固定相位调制模块传输至第二零拍探测模组，固定相位调制模块用于对输入其中的激光光脉冲进行相位调制，使输入的激光光脉冲经过相位调制后和输出的激光光脉冲的相位差为π/2或3π/2。第二50:50分束器对输入的待测光一分二分束后，一组待测分束光束输入至第一零拍探测模组，另一组待测分束光束输入至第二零拍探测模组。
这里，第一50:50分束器和第二50:50分束器为光纤分束器、多模干涉耦合器或定向耦合器中的一种。本领域技术人员可以根据需要选择不同类型产品。
本申请中的固定相位调制模块利用光电效应对透过的激光光束进行调制，通过控制驱动电压改变光电晶体折射率或双折射率，改变输出激光光束的相位。固定相位调制模块不改变光的偏振态，只改变光的相位，电光晶体横向光电效应产生的相位差与驱动电压成正比，激光光束的调制相位由电压决定，通过改变驱动电压调制激光光束的相位。这里固定相位调制模块对输入其上的一组激光光脉冲调制，通过改变驱动电压，使输入和输出的激光光脉冲相位差为π/2或3π/2。具体地，固定相位调制模块可以为铌酸锂电光相位调制器、砷化镓电光相位调制器或钽酸锂电光相位调制器中的一种。
所述零拍探测模组的输出端与所述数据处理模块连接，用于对输入的激光光脉冲和待测分束光束相干探测并放大探测信号。
第一零拍探测模组对输入的一组待测分束光束和一组直接输入其上的激光光脉冲进行相干探测并放大探测信号。第二零拍探测模组对输入的一组待测分束光束和一组经过调制的激光光脉冲进行相干探测并放大探测信号。两组探测信号均传输到数据处理模块。
所述控制模块用于调节所述可调谐激光器输出的激光光束波长同时将当前调谐的激光光束波长信息反馈给所述数据处理模块，以及控制所述固定相位调制模块对激光光脉冲的相位调制。
控制模块同时控制可调谐激光器和固定相位调制模块。具体而言，控制模块控制可调谐激光器输出特定的波长以及准确的进行波长之间的切换，当有多个可调谐激光器时，控制模块输出时序信号，控制各个可调谐激光器输出激光光束的顺序。此外，控制模块基于调谐激光光束波长锁定下，控制固定相位调制模块对该波长下的激光光脉冲进行相位调制，使输入的激光光脉冲经过调制后和输出的激光光脉冲相位差为π/2或3π/2。预设可调谐激光器可以输出若干波长不同的激光光束，分别为波长λ1、波长λ2、波长λ3……波长λn，控制模块控制可调谐激光器输出波长λ1的激光光束且被锁定，基于该波长下的激光光束，第一50:50分束器对其一分二分束后，控制模块控制固定相位调制模块对波长λ1的一组激光光脉冲进行相位调制，待完成波长λ1的激光光脉冲相位调制和相应的探测后，控制模块控制可调谐激光器切换输出波长λ2的激光光束，基于该波长下的激光光束，控制模块控制固定相位调制模块对波长λ2的一组激光光脉冲进行相位调制，待完成波长λ2的激光光脉冲相位调制和相应的探测后，再切换为波长λ3的激光光束完成上述过程，如此往复，直至完成波长λn的相位调制和探测。
所述数据处理模块用于接收所述控制模块和两组所述零拍探测模组输出的信号并进行分析处理，获得每个调谐激光光束波长对应的待测光强度信息以及形成待测光强度与激光光束波长的对应关系。
本申请中，将激光光束作为本振光与待测光通过两组零拍探测模组相干探测后放大待测光的强度，通过分析处理获取每个调谐激光光束波长对应的待测光强度信息，实现对微弱光束或单光子量级光信号的高效探测。
具体地，在本发明的实施例中，所述零拍探测模组包括第三50:50分束器、第一光电二极管、第二光电二极管、跨阻放大器和数据采集模块，如图2所示，所述第三50:50分束器包括输出上端和输出下端，用于对输入的激光光脉冲和待测分束光束进行相干耦合，所述第三50:50分束器的输出上端与所述第一光电二极管光路连通，所述第三50:50分束器的输出下端与所述第二光电二极管光路连通；所述第一光电二极管与所述第二光电二极管串联，形成串联节点且在串联节点处产生光电流差信号；所述串联节点与所述跨阻放大器的输入端连接；所述数据采集模块的输入端与所述跨阻放大器的输出端连接；所述跨阻放大器用于将所述光电流差信号转换为光电压差信号并将所述光电压差信号放大；所述数据采集模块的输出端与所述数据处理模块连接，用于获取所述跨阻放大器输出的光电压差信号并进行信号转换。
在本实施例下，第三50:50分束器对输入的激光光脉冲和待测分束光束进行相干耦合形成叠加光场，相干耦合后的光束一分二分别入射至第一光电二极管和第二光电二极管。第一光电二极管和第二光电二极管是两个相似的光电二极管，光电二极管具有结构简单、低暗电流、低偏置电压、动态特性和稳定性好等优点，能够满足低噪声光电检测的需求，同时更利于芯片集成。两个光电二极管采用串联的方式连接，接收到的光电流信号在串联节点处作差，所得的差值信号即可反应出光信号的相关信息。此种设置方式避免了使用减法器作差处理的复杂操作以及可能带来的失衡影响，还可以同时抑制两束光的共模噪声，提高了共模抑制比。串联节点处产生的光电流差信号输入至跨阻放大器，跨阻放大器将光电流差信号转换为光电压差信号并将光电压差信号放大。数据采集模块对放大后的光电压差信号进行初步处理。
在本发明的一个实施例中，所述数据采集模块包括模数转换器，用于将经过放大后的光电压差信号转换为光电压差数字信号，所述模数转换器的输入端与所述跨阻放大器的输出端连接，所述模数转换器的输出端与所述数据处理模块的输入端连接。
基于图1和图2，本申请实施例提供了一种基于零拍探测的光谱仪，如图3所示，光谱仪具体包括可调谐激光器、第一50:50分束器、第二50:50分束器、固定相位调制模块、控制器、数据处理模块、两个第三50:50分束器、两个第一光电二极管、两个第二光电二极管、两个跨阻放大器和两个数据采集模块。且第一50:50分束器、第二50:50分束器、固定相位调制模块、控制器、数据处理模块、两个第三50:50分束器、两个第一光电二极管、两个第二光电二极管、两个跨阻放大器和两个数据采集模块采用单片集成工艺制作在芯片上。
为了使本申请更加清楚，下面将结合图4对光谱仪的工作原理进行详细的说明。
对于零拍探测模组而言，待测光中波长与激光光束波长不同的光信号，第一光电二极管和第二光电二极管在串联节点处的输出电流为：
I＝I1-2＝0
对于待测光中波长与激光光束波长相同的光信号，在第一零拍探测模组中，第一光电二极管和第二光电二极管在串联节点处的输出电流为：
其中Rd为第一光电二极管和第二光电二极管的响应度，Plo为可调谐激光器输出的激光光束光强，Pλ为与激光光束波长相同的待测光的强度，
为待测光与激光光束的相位差。
第二零拍探测模组相对于第一零拍探测模组而言，分束后形成的激光光脉冲通过固定相位调制模块的调制后，输出的激光光脉冲与输入进去的激光光脉冲有π/2或3π/2的固定相位差，因此在第二零拍探测模组中，当调制为π/2固定相位差时，第一光电二极管和第二光电二极管在串联节点处的输出电流为：
当调制为3π/2固定相位差时，第二零拍探测模组中第一光电二极管和第二光电二极管在串联节点处的输出电流为：
第一零拍探测模组和第二零拍探测模组输出的电流经过跨阻放大器和数据采集模块传输到数据处理模块，在数据处理模块进行平方和运算后得到的电压信号：
其中α为跨阻放大器的放大倍数,由上述公式可知，与激光光束波长相同的待测光强度Pλ正比于Utotal。通过数据处理模块的平方和运算处理进一步放大了零拍探测模组的输出探测信号，与激光光束波长相同的待测光强度Pλ被放大了
倍，这使得理论上通过增加Plo的强度，可以对微弱光能量或单光子量级的光能量进行测量。而对于与激光光束波长不同的待测光信号，则不会被探测到。
基于上述本申请实施例提供的光谱仪，进一步地，所述控制模块包括微控制器、电流调节模块和调制驱动模块，如图5所示。所述微控制器控制所述电流调节模块和所述调制驱动模块；所述电流调节模块基于所述微控制器的控制，调节所述可调谐激光器输出的激光光束波长和功率；所述可调谐激光器将激光光束波长和功率信息反馈给所述微控制器；所述调制驱动模块基于所述微控制器的控制，调节所述固定相位调制模块的驱动电压，使输入激光光脉冲和输出激光光脉冲的相位差为π/2或3π/2。
微控制器是整个控制模块的核心，不仅控制可调谐激光器输出特定的激光光束波长以及准确的进行波长之间的切换，而且实时处理可调谐激光器反馈回来的激光光束信息，同时将当前调谐的激光光束波长信息进行处理并输出给数据处理模块。当有多个可调谐激光器时，微控制器输出时序信号，控制各个可调谐激光器输出激光光束的顺序。为了保证电流调节模块达到很高的电流控制精度，微控制器内部可以设计锁相环为整个光谱探测器提供工作时钟，以满足对可调谐激光器进行快速波长切换。
此外，微控制器基于锁定下的调谐激光光束波长，通过控制调制驱动模块输出不同的驱动电压使固定相位调制模块完成当前调谐波长下的激光光脉冲的相位调制。对于每一个调谐激光光束波长，均可以通过查找表定位到对应波长激光光脉冲调制π/2或3π/2的相位差所需要的调节参数，不同的调节参数下产生相对应的驱动电压信号，调制驱动模块根据调节参数产生相应的驱动电压信号对固定相位调制模块进行调节。这里查找表可以内置于微控制器内，也可以安装在显示系统或上位机上。针对不同波长的调谐激光光束，通过改变驱动电压完成每个调谐激光光束的相位调制，使调制的相位差为π/2或3π/2。
具体地，所述电流调节模块包括至少三组调谐节电流电路，所述调谐节电流电路包括数模转换器和放大器，所述数模转换器的输入端与所述微控制器的输出端连接，所述放大器的输入端与所述数模转换器的输出端连接，所述放大器的输出端与所述可调谐激光器的输入端连接。
在本发明的一个实施例中，电流调节模块包括三组调谐节电流电路，如图6所示。当然调谐节电流电路也可以设置四组或更多组，本申请不对调谐节电流电路的组数进行限定。调谐节电流电路基于微控制器的控制，实现对可调谐激光器波长的调节。调谐节电流与可调谐激光器输出波长提前生成一个数据表存于微控制器内，当三组调谐节电流电路同时切换到目的电流组合时，可调谐激光器输出特定的激光光束波长，也即是微控制器通过控制数模转换器，调谐相应的调谐节电流电路进行电流输出控制，实现激光光束波长的调节。三组调谐节电流通过数模转换器输出，为了达到很高的电流控制精度，可以选用14bit分辨率或者更高分辨率并行数据传输方式的数模转换器。微控制器将切换波长相关信息并行输出给数模转换器，通过放大器进行信号放大，输出相应的电流给可调谐激光器，实现激光光束波长的调节。
在本申请的另一个实施例中，光谱仪还包括显示系统，如图7所示，所述显示系统与所述数据处理模块和所述控制模块连接，用于输入控制参数和命令、查找定位相位调节参数以及显示待测光强度与激光光束波长的对应关系。
显示系统主要具有两方面的功能：输入命令和显示。具体的，可以用于输入控制参数和命令，如输入开始探测命令、设置激光光束波长范围和每个波长下的激光光束的探测周期等信息。此外，显示系统上还可以内置查找表，基于用户输入的激光光束波长以及需要改变的相位差查找定位相应的相位调节参数然后输出给控制模块。显示系统还可以显示待测光强度与激光光束波长的对应关系。
基于上述本申请实施例提供的所有光谱仪，本申请实施例还对应提供了一种基于零拍探测的光谱探测方法，如图8所示为本申请实施例提供的一种基于零拍探测的光谱探测方法流程图。
所述光谱探测方法包括：
S11：待测光输入至第二50:50分束器。
在本实施例中，待测光包括微弱光信号或单光子量级的光信号。
S12：第二50:50分束器将输入的待测光分割成能量相同的两组待测分束光束，一组待测分束光束输入至一个零拍探测模组，另一组待测分束光束输入至另一个零拍探测模组。
在本实施例中，两个零拍探测模组分别为第一零拍探测模组和第二零拍探测模组，第二50:50分束器将输入的待测光分割成能量相同的两组待测分束光束，一组待测分束光束输入至第一零拍探测模组，另一组待测分束光束输入至第二零拍探测模组。
S13：控制模块调节可调谐激光器输出波长为λ1的激光光束并传输至第一50:50分束器，同时可调谐激光器将该激光光束信息反馈给控制模块。
在本实施例中，预设可调谐激光器可以输出若干波长不同的激光光束，分别为波长λ1、波长λ2、波长λ3……波长λn，控制模块控制可调谐激光器输出波长为λ1的激光光束且被锁定，同时可调谐激光器将该激光光束信息传输给控制模块。这里激光光束信息包括激光光束的波长、光频率等信息，控制模块接收激光光束信息，并将该激光光束信息输出给数据处理模块。
S14：第一50:50分束器将输入的波长为λ1的激光光束分割成能量相同的两组激光光脉冲，一组激光光脉冲直接输入至一个零拍探测模组，另一组激光光脉冲输入至固定相位调制模块。
在本实施例中，第一50:50分束器将输入的波长为λ1的激光光束分割成能量相同的两组激光光脉冲，一组激光光脉冲直接输入至第一零拍探测模组，另一组激光光脉冲输入至固定相位调制模块。
S15：基于当前波长为λ1的激光光束，控制模块控制固定相位调制模块对输入的激光光脉冲进行相位调制，使输入激光光脉冲和输出激光光脉冲的相位差为π/2或3π/2。
在本实施例中，通过控制调制驱动模块输出不同的驱动电压来调制波长为λ1的激光光脉冲的相位，使输入激光光脉冲和输出激光光脉冲的相位差为π/2或3π/2。激光光脉冲的调制相位由驱动电压决定。对于每一个调谐激光光束波长，均可以通过查找表定位到对应波长激光光脉冲调制π/2或3π/2的相位差所需要的调节参数，不同的调节参数下产生相对应的驱动电压信号。
S16：经过相位调制的激光光脉冲输入至另一个零拍探测模组。
在本实施例中，经过固定相位调制的激光光脉冲输入至第二零拍探测模组。
S17：两组零拍探测模组对输入的激光光脉冲和待测分束光束相干探测并放大探测信号。
在本实施例中，第一零拍探测模组对输入的一组待测分束光束和一组直接输入其上的激光光脉冲进行相干探测并放大探测信号。第二零拍探测模组对输入的一组待测分束光束和一组经过固定相位调制的激光光脉冲进行相干探测并放大探测信号，两组探测信号均传输到数据处理模块。
S18：数据处理模块接收两组零拍探测模组输出的探测信号并进行分析处理，获得波长为λ1的激光光束对应的待测光强度信息。
由上述的工作原理阐述可知，数据处理模块通过对接收的两组探测信号进行平方和运算，进一步地放大待测光强度，最后经过反推可获得波长为λ1的激光光束对应的待测光强度。
S19：波长为λ1的激光光束的探测完成，控制模块调节可调谐激光器输出波长为λ2的激光光束，重复上述过程，直至完成所有预设波长的激光光束的探测。
S110：数据处理模块获得每个调谐激光光束波长对应的待测光强度信息以及形成待测光强度与激光光束波长的对应关系。
在本实施例中，待所有预设波长的调谐激光光束均完成探测后，数据处理模块获得每个调谐激光光束波长相对应的光强度信息，形成光强度与波长的对应关系，也即是光谱图。光谱图可以通过显示系统显示。
在本申请实施例中，可调谐激光器输出的激光光束作为本振光，通过设置两个50:50分束器，分别对待测光和激光光束进行一分二分束，一组待测分束光束输入至第一零拍探测模组，另一组待测分束光束输入至第二零拍探测模组，一组激光光脉冲直接输入至第一零拍探测模组，另一组激光光脉冲通过固定相位调制模块调制后输入至第二零拍探测模组。控制模块控制可调谐激光器输出不同的波长以及准确的进行波长之间的切换，基于当前调谐波长的激光光束，控制模块控制固定相位调制模块对该激光光束分束后的一组激光光脉冲进行相位调制，使输入的激光光脉冲和输出的激光光脉冲的相位差为π/2或3π/2，两组零拍探测模组对输入其上的激光光脉冲和待测分束光束相干探测并放大探测信号，最终获得每个调谐激光光束波长对应的待测光强度信息以及形成待测光强度与激光光束波长的对应关系，实现对微弱光束或单光子量级光信号的高效探测。
基于上述本申请实施例提供的光谱探测方法，当所述零拍探测模组包括第三50:50分束器、第一光电二极管、第二光电二极管、跨阻放大器和数据采集模块时，如图9所示的流程图，两组零拍探测模组对输入的激光光脉冲和待测分束光束相干探测并放大探测信号包括以下步骤：
S21：第三50:50分束器对波长为λ1的激光光脉冲和待测分束光束相干耦合，输出光束分别入射至第一光电二极管和第二光电二极管，且在第一光电二极管和第二光电二极管的串联节点处产生光电流差信号。
这里需要注意的是，两组零拍探测模组中的第三50:50分束器接收的波长为λ1的激光光脉冲是不同的，一组零拍探测模块中的第三50:50分束器接收的激光光脉冲是未经调制的，另一组零拍探测模组中的第三50:50分束器接收的激光光脉冲是经过固定相位调制模块调制后的脉冲信号。
S22:跨阻放大器将光电流差信号转换为光电压差信号并将光电压差信号放大。
S23:数据采集模块获取放大后的光电压差信号并进行信号转换传输给数据处理模块。
本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
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物品或者设备不仅包括那些要素，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物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于零拍探测的光谱仪，其特征在于，包括可调谐激光器、第一50:50分束器、第二50:50分束器、固定相位调制模块、控制器、数据处理模块和两个零拍探测模组；
所述可调谐激光器的输出端与所述第一50:50分束器的输入端连接，用于输出激光光束并将激光光束信息反馈给所述控制模块；
所述第一50:50分束器和所述第二50:50分束器均包括输出上端和输出下端，所述第一50：50分束器的输出上端连接一个所述零拍探测模组，所述第一50：50分束器的输出下端连接所述固定相位调制模块的输入端，所述固定相位调制模块的输出端连接另一个所述零拍探测模组；所述第一50:50分束器用于将输入的激光光束分割成能量相同的两组激光光脉冲，一组激光光脉冲直接输入至一个零拍探测模组，另一组激光光脉冲经过固定相位调制模块传输至另一个零拍探测模组；所述固定相位调制模块用于对输入的激光光脉冲进行相位调制，使输入激光光脉冲和输出激光光脉冲的相位差为π/2或3π/2；
所述第二50:50分束器用于将输入的待测光分割成能量相同的两组待测分束光束，一组待测分束光束输入至一个零拍探测模组，另一组待测分束光束输入至另一个零拍探测模组；
所述零拍探测模组的输出端与所述数据处理模块连接，用于对输入的激光光脉冲和待测分束光束相干探测并放大探测信号；
所述控制模块用于调节所述可调谐激光器输出的激光光束波长同时将当前调谐的激光光束波长信息反馈给所述数据处理模块，以及控制所述固定相位调制模块对激光光脉冲的相位调制；
所述数据处理模块用于接收所述控制模块和两组所述零拍探测模组输出的信号并进行分析处理，获得每个调谐激光光束波长对应的待测光强度信息以及形成待测光强度与激光光束波长的对应关系。
2.根据权利要求1所述的基于零拍探测的光谱仪，其特征在于，所述零拍探测模组包括第三50:50分束器、第一光电二极管、第二光电二极管、跨阻放大器和数据采集模块，所述第三50:50分束器包括输出上端和输出下端，用于对输入的激光光脉冲和待测分束光束进行相干耦合，所述第三50:50分束器的输出上端与所述第一光电二极管光路连通，所述第三50:50分束器的输出下端与所述第二光电二极管光路连通；所述第一光电二极管与所述第二光电二极管串联，形成串联节点且在串联节点处产生光电流差信号；所述串联节点与所述跨阻放大器的输入端连接；所述数据采集模块的输入端与所述跨阻放大器的输出端连接；所述跨阻放大器用于将所述光电流差信号转换为光电压差信号并将所述光电压差信号放大；所述数据采集模块的输出端与所述数据处理模块连接，用于获取所述跨阻放大器输出的光电压差信号并进行信号转换。
3.根据权利要求1所述的基于零拍探测的光谱仪，其特征在于，所述控制模块包括微控制器、电流调节模块和调制驱动模块，所述微控制器控制所述电流调节模块和所述调制驱动模块；所述电流调节模块基于所述微控制器的控制，调节所述可调谐激光器输出的激光光束波长和功率；所述可调谐激光器将激光光束波长和功率信息反馈给所述微控制器；所述调制驱动模块基于所述微控制器的控制，调节所述固定相位调制模块的驱动电压，使输入激光光脉冲和输出激光光脉冲的相位差为π/2或3π/2。
4.根据权利要求1所述的基于零拍探测的光谱仪，其特征在于，所述固定相位调制模块、第一50:50分束器、第二50:50分束器、零拍探测模组、控制模块和数据处理模块采用单片集成工艺制作在芯片上。
5.根据权利要求3所述的基于零拍探测的光谱仪，其特征在于，所述电流调节模块包括至少三组调谐节电流电路，所述调谐节电流电路包括数模转换器和放大器，所述数模转换器的输入端与所述微控制器的输出端连接，所述放大器的输入端与所述数模转换器的输出端连接，所述放大器的输出端与所述可调谐激光器的输入端连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于零拍探测的光谱仪，其特征在于，所述第一50:50分束器和第二50:50分束器为光纤分束器、多模干涉耦合器或定向耦合器中的一种。
7.根据权利要求1-5任一项所述的基于零拍探测的光谱仪，其特征在于，所述数据采集模块包括模数转换器，用于将经过放大后的光电压差信号转换为光电压差数字信号，所述模数转换器的输入端与所述跨阻放大器的输出端连接，所述模数转换器的输出端与所述数据处理模块的输入端连接。
8.根据权利要求1-5任一项所述的基于零拍探测的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪还包括显示系统，所述显示系统与所述数据处理模块和所述控制模块连接，用于输入控制参数和命令、查找定位相位调节参数以及显示待测光强度与激光光束波长的对应关系。
9.一种基于零拍探测的光谱探测方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-8任一项所述的光谱仪，所述光谱仪包括可调谐激光器、第一50:50分束器、第二50:50分束器、固定相位调制模块、控制器、数据处理模块和两个零拍探测模组；所述方法包括：
待测光输入至第二50:50分束器；
第二50:50分束器将输入的待测光分割成能量相同的两组待测分束光束，一组待测分束光束输入至一个零拍探测模组，另一组待测分束光束输入至另一个零拍探测模组；
控制模块调节可调谐激光器输出波长为λ1的激光光束并传输至第一50:50分束器，同时可调谐激光器将该激光光束信息反馈给控制模块；
第一50:50分束器将输入的波长为λ1的激光光束分割成能量相同的两组激光光脉冲，一组激光光脉冲直接输入至一个零拍探测模组，另一组激光光脉冲输入至固定相位调制模块；
基于当前波长为λ1的激光光束，控制模块控制固定相位调制模块对输入的激光光脉冲进行相位调制，使输入激光光脉冲和输出激光光脉冲的相位差为π/2或3π/2；
经过相位调制的激光光脉冲输入至另一个零拍探测模组；
两组零拍探测模组对输入的激光光脉冲和待测分束光束相干探测并放大探测信号；
数据处理模块接收两组零拍探测模组输出的探测信号并进行分析处理，获得波长为λ1的激光光束对应的待测光强度信息；
波长为λ1的激光光束的探测完成，控制模块调节可调谐激光器输出波长为λ2的激光光束，重复上述过程，直至完成所有预设波长的激光光束的探测；
数据处理模块获得每个调谐激光光束波长对应的待测光强度信息以及形成待测光强度与激光光束波长的对应关系。
10.根据权利要求9所述的一种基于零拍探测的光谱探测方法，其特征在于，当所述零拍探测模组包括第三50:50分束器、第一光电二极管、第二光电二极管、跨阻放大器和数据采集模块时，两组零拍探测模组对输入的激光光脉冲和待测分束光束相干探测并放大探测信号包括：
第三50:50分束器对波长为λ1的激光光脉冲和待测分束光束相干耦合，输出光束分别入射至第一光电二极管和第二光电二极管，且在第一光电二极管和第二光电二极管的串联节点处产生光电流差信号；
跨阻放大器将光电流差信号转换为光电压差信号并将光电压差信号放大；
数据采集模块获取放大后的光电压差信号并进行信号转换传输给数据处理模块。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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