CN208780351U - 一种基于三f-p标准具的高精度波长测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型专利公开了一种基于三F‑P标准具的高精度波长测量装置。入射光经过一分二光纤耦合器后分成两束光，一束光入射到光电探测器上作为参考光，另一束光入射到一分四光纤耦合器上，将光平均分成四束，一束光经线性滤波器后入射到光电探测器上，另三路光经由对应的多光纤准直器后入射到对应的F‑P标准具上，产生对应的透射光和对应的反射光，产生的透射光经过对应的单光纤准直器后，再由光电探测器采集相应的透射光的光强，产生的反射光反射回到多光纤准直器后，经光电探测器采集对应反射光的光强，最后，将八路光电探测器采集的光强信号由采集卡采集对应的电压信号，并输入到电脑上进行分析计算得出波长。

Description

一种基于三F-P标准具的高精度波长测量装置

技术领域

本实用新型专利属于激光频谱特性参数测量领域，特别涉及一种基于三F-P标准具的高精度波长测量装置。

背景技术

激光作为一种具有相干性好，方向性强等特点的光源，在科学研究、医疗、国防安全和生活服务等领域发挥着举足轻重的作用，光波长作为激光的重要参数之一，是光纤通信、传感和精密测量等方面的性能的重要指标。在电信运营商和系统供应商一般运用的系统中，根据ITU-T（国际电信联盟电信标准分局）对光信道波长及信道间隔的规定，激光器的出射光波长的测量精度应在±0.25 GHz（杨洋,刘兵, 赵勇等. DWDM技术在新型波长解调方法中的应用[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(8):94-100），因此，高精度的波长测量才能保证通信的质量和稳定，同时，激光波长的精确测量在光纤传感领域有着重要的作用，对于波长可调谐的FBG解调仪系统中，需要高精度的波长计来实时校准监控激光器的输出波长，消除激光器输出光波长的漂移带来的测量误差，从而提升系统的可靠性和稳定性。现有常见的高精度的波长计主要是基于迈克尔逊干涉、斐索干涉和法布里珀罗干涉原理。迈克尔干涉首先是通过分光振幅法产生双光束，再调节干涉仪中的反射镜的位置，从而实现两条光束在重合面上的干涉现象，移动反射镜时，参考激光器和待测激光的干涉条纹的数量会发生变化，通过CCD读取干涉条纹的变化量来得到待测光的光波长，迈克尔逊干涉型波长计包含机械扫描部件，且需要内置参考激光器，使用环境条件严苛，结构复杂，成本高昂，也难以实现窄脉冲的测量。斐索干涉型波长计是一种结构固定的波长计，利用斐索干涉条纹的空间相干性，通过线阵CCD将空间干涉变化的光信号随时间转变为电信号，可计算得出波长值，斐索干涉型波长计需要CCD图像处理技术，计算量大且结果容易受温度影响，需要将整个装置置于恒温箱内，限制了波长计应用的场合。一般的F-P(法布里-珀罗)干涉型波长计是通过将多个F-P腔结合，同样使用面阵CCD和参考激光器来比对计算干涉条纹数量，从而得出待测光束的波长，这种结构的F-P干涉型波长计同样需要内置的参考激光器和CCD图像处理，因此带来了高额的成本，限制了相关应用范围。与上述波长计相比，本实用新型使用三个F-P标准具协同工作，通过简便的光功率探测，建立以波长响应曲线为函数的方程组，对所求得解的情况进行分析比对，即可得出待测光束的波长，在使用FSR（自由光谱范围）较低的F-P标准具时，其更短的响应曲线的周期能有效提升对波长测量的分辨率。本实用新型无需图像处理和内置的参考激光器，并且采用的三F-P标准具共同工作的结构方式，能够避免如在中国专利CN106949220A在仅使用两个相同的F-P标准具时带来的最大精度局限于线性滤波器的分辨率的问题，有更高的测量精度。

发明内容

本实用新型提出了一种无需参考激光器，利用三个F-P标准具和一个线性滤波器结合的简易的高精度的波长实时测量装置。待测激光光束经过分束后，分别通过三个F-P标准具和一个线性滤波器，通过测量透射和反射的光功率值实现对待测激光光束波长的精准测量。该设备结构紧凑，操作便捷，能够高精度的实时测量大范围的激光波长。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种基于三F-P标准具的高精度波长测量装置，其特征在于：待测光束经过一分二光纤耦合器等分成两束光分别入射到光纤①和光纤②，通过光纤①的出射光束直接由第一光电探测器接收；进入光纤②的光束经由一分四光纤耦合器等分成四束光分别入射到光纤③、光纤④、光纤⑤和光纤⑥：光纤③中的光束经第一多光纤准直器后出射的光束⑩照射到被第一旋转台转动一定角度后的第一F-P标准具上，光纤③中的光束在经过第一F-P标准具产生的透射光⑬被第一单光纤准直器接收并传递至第二光电探测器，光纤③中光束在经过第一F-P标准具产生的反射光⑯照射到第一多光纤准直器上，再经过光纤⑦传递到第三光电探测器上；光纤④中的光束经第二多光纤准直器后出射的光束⑪垂直照射到被第二旋转台转动一定角度后的第二F-P标准具上，光纤④中的光束在经过第二F-P标准具产生的透射光⑭被第二单光纤准直器接收并传递至第四光电探测器，光纤④中的光束在经过第二F-P标准具产生的反射光⑰照射到第二多光纤准直器上，再经过光纤⑧传递到第五光电探测器上；光纤⑤中的光束经第三多光纤准直器后出射的光束⑫同样照垂直射到被第三旋转台转动一定角度后的第三F-P标准具上，光纤⑤中的光束经过第三F-P标准具产生的透射光⑮被第三单光纤准直器接收并传递至第六光电探测器，光纤⑤中的光束经过第三F-P标准具产生的反射光束⑱照射到第三多光纤准直器上，再经过光纤⑨传递到第七光电探测器上；光纤⑥中的光束经由线性滤波器传递到第八光电传感器；第一光电传感器至第八光电传感器采集到的信号经由数据采集卡采集并上传到计算机进行分析和计算。其中，第一多光纤准直器、第二多光纤准直器、第三多光纤准直器、第一F-P标准具、第二F-P标准具、第三F-P标准具、第一旋转台、第二旋转台、第三旋转台、第一单光纤准直器、第二单光纤准直器、第三单光纤准直器均放置在恒温箱中以隔绝外界温度变化对F-P性能的干扰。

因为线性滤波器在一定的光波长范围内透射的光功率和入射的激光波长呈线性关系，待测激光经过一分二光纤耦合器和一分四光纤耦合器后，由光纤⑥里面的光束通过线性滤波器的透射率可得出一个粗略的光波长值，因F-P标准具的透射率对波长的响应是周期性的变化，所以通过线性滤波器来得出入射光波长在第三F-P标准具的波长响应正弦曲线的周期位置，再通过第三F-P标准具得到的待测波长的可能值来确定第一F-P标准具和第二F-P标准具的波长响应曲线的周期。这里线性滤波器对激光的测量分辨率应小于第三F-P标准具的波长响应曲线周期，第一F-P标准具和第二F-P标准具的自由光谱范围FSR一致且为第三F-P标准具的FSR（自由光谱范围）的1/4。

上述的三个F-P标准具对应的波长响应曲线均为正弦型，根据线性滤波器定位第三F-P标准具的波长响应曲线的周期，得出两个波长值，从而确定第一F-P标准具和第二F-P标准具的波长响应曲线的周期，再进行分析整合得出最终精确的波长值。其中第一F-P标准具和第二F-P标准具的FSR一致且为第三F-P标准具的FSR的1/4。通过调整第二旋转台，令第二多光纤准直器出射的光垂直于第二F-P标准具，调整第三旋转台，第三多光纤准直器出射的光垂直于第三F-P标准具，调整第一旋转台，令第一F-P标准具旋转一定角度，使得第一F-P标准具和第二F-P标准具的波长响应曲线有90度的相位差，用于补偿在响应曲线上波峰波谷的测量以及区分多个解的情况，从而提升测量精度。三个F-P标准具均应控制在同一温度下从而避免因温度变化导致F-P标准具的响应曲线相位的变化带来的测量误差。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型所述的测量系统只需探测经过三个F-P标准具和线性滤波器的光功率，就可以得出入射激光的波长值，无需图像处理，后期数据处理简便快速。

2、通过线性滤波器和FSR较大的F-P标准具估计一个大致的波长值，再通过两个FSR更小的F-P标准具进一步求解出精确的波长值，更低的FSR能够提高测量结果的分辨率。这种方案不仅无需参考激光器，还得到进一步提高了精度，实施起来也很方便，并且控制了成本。

3、相比于中国专利CN106949220A中仅用两个F-P标准具进行计算的方案，使用两个FSR更小的F-P标准具和一个FSR相对较大的F-P标准具，解决了在当线性滤波器在分辨率较差的情况下，解周期函数的方程时带来的出现了多个解的问题，不仅减少了计算量还进一步提高了测量精度。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2是100Ghz的第三F-P标准具和线性滤波器的波长响应曲线图；

图3是三个F-P标准具的波长响应曲线图。

具体实施方式

本实用新型的工作原理：

F-P标准具由两块平行的玻璃板组成，玻璃板的内侧表面镀有高反膜，光束以一定倾角入射到F-P标准具内，光束在腔内往返反射，经推导，可得出反射光和透射光强之比为

(1-1)

式中，δ为相位，R为F-P标准具内高反射膜的反射率。

由相位和腔长的关系：

(1-2)

式中，n为腔内折射率，l为腔长，θ为光在腔内反射的夹角，λ为入射光波长，在计算中，折射率和腔长因装置中温度恒定，故为定值。从而可以得出，波长响应曲线的相位仅与夹角θ相关，合适的入射角度可使两个相同的F-P标准具的曲线错开90度的相位。

结合公式（1-1）和（1-2）可得：

（1-3）

由（1-3）可知，入射光垂直照射到FSR为100Ghz的第三F-P标准具8上得到的波形如图2所示。

由图2可知，当探测通过FSR为100Ghz的第三F-P标准具8的光功率和分辨率在0.6nm的线性滤波器12的光功率值时，除了波峰和波谷，一般能够确定出某个区间内的两个波长值，如图中a和 b两点，这种状况下，无法解出唯一正确的的光波长值，因此引入两个25Ghz的F-P标准具第一F-P标准具6和第二F-P标准具7，第一F-P标准具6和第二F-P标准具7的周期大约为100Ghz的F-P的1/4，为了避免在波长响应曲线斜率接近于0处因噪声导致的信噪比较差的情况，同时也为了解决在周期函数的计算中得出多个解的问题，将第一F-P标准具6旋转一定角度与入射光形成一定夹角，令第一F-P标准具6和第二F-P标准具7的相位差为90度，使第一F-P标准具6和第二F-P标准具7的波长响应曲线的波峰和波谷能够分别对应在第二F-P标准具7和第一F-P标准具6响应曲线的线性区，其响应曲线如图3，从图中可以看出，在确定出a点和b点的情况下，对于第一F-P标准具6和第二F-P标准具7，一个光功率比值在以a点为中心的一段区间内会对应出3个波长值，通过比对，发现对于a点，在第一F-P标准具6上得出的C点的波长值和第二F-P标准具7上得出的A点波长值一致，即通过三个F-P标准具的波长响应曲线构建的方程组在该区间内具有相同的解；而对于b点为中心的一段区间内，构建的方程组没有共同的解，因此可以得出点A和C对应的λ值就是待测光的准确的波长值。

综上，本实用新型的测试的重要流程如下：

结合图1、图2和图3，通过第八光电探测器24得出的线性滤波器12的透射光功率确定以线性滤波器的分辨率的值为宽度的区间，用得到的区间来确定第三F-P标准具8的周期，通过第六光电探测器22和第七光电探测器23得到通过第三F-P标准具8的光功率比值，光功率比值对应到第三F-P标准具8的周期内得出两个或一个粗略的波长值，再通过得到的两个或一个波长值确定其第一F-P标准具6和第二F-P标准具7的波长响应曲线的计算区间。以区间为定义域，将第二光电探测器18到第五光电探测器21得出的光功率比值分别代入第一F-P标准具6和第二F-P标准具7的波长响应曲线构成方程式，将解出的波长值进行比对，三个F-P标准具对应的方程式最相近的或是共同的解，即为待测光的波长值。

本实用新型的测量步骤为：

步骤1）按照图1，连接光路：待测光束经过一分二光纤耦合器（1）等分成两束光分别入射到光纤①和光纤②，通过光纤①的出射光束直接由第一光电探测器（17）接收；进入光纤②的光束经由一分四光纤耦合器（2）等分成四束光分别入射到光纤③、光纤④、光纤⑤和光纤⑥，光纤③中的光束经第一多光纤准直器（3）后出射的光束⑩照射到被第一旋转台（9）转动合适角度后的第一F-P标准具（6）上，这个合适的角度使第一F-P标准具（6）的波长响应正弦曲线和第二F-P标准具（7）的波长响应正弦曲线产生90度的相位差，光纤③中的光束在经过第一F-P标准具（6）产生的透射光⑬被第一单光纤准直器（14）接收并传递至第二光电探测器（18），光纤③中光束在经过第一F-P标准具（6）产生的反射光⑯照射到第一多光纤准直器（3）上，再经过光纤⑦传递到第三光电探测器（19）上；光纤④中的光束经第二多光纤准直器（4）后出射的光束⑪垂直照射到被第二旋转台（10）转动一定角度后的第二F-P标准具（7）上，光纤④中的光束在经过第二F-P标准具（7）产生的透射光⑭被第二单光纤准直器（15）接收并传递至第四光电探测器（20），光纤④中的光束在经过第二F-P标准具（7）产生的反射光⑰照射到第二多光纤准直器（4）上，再经过光纤⑧传递到第五光电探测器（21）上；光纤⑤中的光束经第三多光纤准直器（5）后出射的光束⑫同样照垂直射到被第三旋转台（11）转动一定角度后的第三F-P标准具（8）上，光纤⑤中的光束经过第三F-P标准具（8）产生的透射光⑮被第三单光纤准直器（16）接收并传递至第六光电探测器（22），光纤⑤中的光束经过第三F-P标准具（8）产生的反射光⑱照射到第三多光纤准直器（5）上，再经过光纤⑨传递到第七光电探测器（23）上；光纤⑥中的光束经由线性滤波器（12）传递到第八光电传感器（24）；第一光电传感器（17）至第八光电传感器（24）采集到的信号经由数据采集卡（25）采集并上传到计算机（26）进行分析和计算。

步骤2）按照图2，粗略测得波长值：通过第八光电探测器24得出的线性滤波器12的透射光功率确定以线性滤波器的分辨率的值为宽度的区间，用得到的区间来确定第三F-P标准具8的周期，通过第六光电探测器22和第七光电探测器23得到通过第三F-P标准具8的光功率比值，光功率比值对应到第三F-P标准具8的周期内得出两个或一个粗略的波长值。

步骤3）按照图3，精确测得波长值：通过得到的两个或一个波长值确定其第一F-P标准具6和第二F-P标准具7的波长响应曲线的计算区间。以区间为定义域，将第二光电探测器18到第五光电探测器21得出的光功率比值分别代入第一F-P标准具6和第二F-P标准具7的波长响应曲线构成方程式，将解出的波长值进行比对，三个F-P标准具对应的方程式最相近的或者是共同的解，即为待测光的波长值。

Claims (2)

1.一种基于三F-P标准具的高精度波长测量装置，其特征在于：待测光束经过一分二光纤耦合器（1）等分成两束光分别入射到光纤①和光纤②，通过光纤①的出射光束直接由第一光电探测器（17）接收；进入光纤②的光束经由一分四光纤耦合器（2）等分成四束光分别入射到光纤③、光纤④、光纤⑤和光纤⑥，光纤③中的光束经第一多光纤准直器（3）后出射的光束⑩照射到被第一旋转台（9）转动一定角度后的第一F-P标准具（6）上，光纤③中的光束在经过第一F-P标准具（6）产生的透射光⑬被第一单光纤准直器（14）接收并传递至第二光电探测器（18），光纤③中光束在经过第一F-P标准具（6）产生的反射光⑯照射到第一多光纤准直器（3）上，再经过光纤⑦传递到第三光电探测器（19）上；光纤④中的光束经第二多光纤准直器（4）后出射的光束⑪垂直照射到被第二旋转台（10）转动一定角度后的第二F-P标准具（7）上，光纤④中的光束在经过第二F-P标准具（7）产生的透射光⑭被第二单光纤准直器（15）接收并传递至第四光电探测器（20），光纤④中的光束在经过第二F-P标准具（7）产生的反射光⑰照射到第二多光纤准直器（4）上，再经过光纤⑧传递到第五光电探测器（21）上；光纤⑤中的光束经第三多光纤准直器（5）后出射的光束⑫同样照垂直射到被第三旋转台（11）转动一定角度后的第三F-P标准具（8）上，光纤⑤中的光束经过第三F-P标准具（8）产生的透射光⑮被第三单光纤准直器（16）接收并传递至第六光电探测器（22），光纤⑤中的光束经过第三F-P标准具（8）产生的反射光⑱照射到第三多光纤准直器（5）上，再经过光纤⑨传递到第七光电探测器（23）上；光纤⑥中的光束经由线性滤波器（12）传递到第八光电探测器（24）；第一光电探测器（17）至第八光电探测器（24）采集到的信号经由数据采集卡（25）采集并上传到计算机（26）进行分析和计算；该系统中，第一多光纤准直器（3）、第二多光纤准直器（4）、第三多光纤准直器（5）、第一F-P标准具（6）、第二F-P标准具（7）、第三F-P标准具（8）、第一旋转台（9）、第二旋转台（10）、第三旋转台（11）、第一单光纤准直器（14）、第二单光纤准直器（15）、第三单光纤准直器（16）均放置在恒温箱（13）中。

2.根据权利要求1所述的一种基于三F-P标准具的高精度波长测量装置，其特征在于：旋转第二旋转台（10），令入射光⑪垂直于第二F-P标准具（7），并且旋转第三旋转台（11），令入射光⑫垂直于第三F-P标准具（8），同时通过调整第一旋转台（9）令入射光在第一F-P标准具（6）上有一定的入射角，使第一F-P标准具（6）的波长响应正弦曲线和第二F-P标准具（7）的波长响应正弦曲线产生90度的相位差。