TWI506254B - Dynamic optical frequency measurement device - Google Patents

Description

動態光學頻率量測裝置

本發明是有關於一種動態光學頻率量測裝置，特別是指一種能夠應用在光學量測領域的動態光學頻率量測裝置。

參閱圖1、圖2，以一種邁克生干涉儀1為例，主要包含有一分光鏡11、位於該分光鏡11一相對側且與該分光鏡11相隔一間距L1的一平面鏡12、位於該分光鏡11另一相對側且與該分光鏡11相隔一間距L2的一平面鏡13，及一光檢測器14。當一束入射光15(單色光、如雷射)通過該分光鏡11時，會分為二束分光151、152，且各自被對應的平面鏡12、13反射，再匯聚於該分光鏡11，最後，由該光檢測器14接收。

此時，只需控制間距L1或間距L2，使間距L1不同於間距L2，就能夠因為光程的變化，使二束分光151、152在來回過程中產生光程差，此時，若兩束分光151、152的來回光程差是波長的整數倍(如0、1、2...)，會在光檢測器14得到相長的干涉信號，即圖2的亮圈，若兩束分光151、152的光程差是波長的半整數倍(如0.5、1.5、2.5...) ，會在光檢測器14得到相消的干涉信號，即圖2的暗圈。

藉此，前述邁克生干涉儀1可以應用在微小距離的檢測，例如，在已知入射光15波長及間距L1固定的情形下，只需計算有幾次明、暗的干涉信號，就可以計算出該平面鏡13移動的距離，即計算出間距L2的變化。

根據前述干涉原理可知，光有特定的頻率及波長，能夠做為量測的規則，且不同顏色的光，會有不同的光譜及頻率，因此，利用此一特性，一種測量光頻率的工具(如光學頻率梳、或雷射共振腔)，主要是如圖3實線所示，將光譜中等距分佈的波峰、波谷標記到一“基準”上，藉此，當量測某一未知光波頻率時，就可以由圖3虛線所示曲線中的波谷落點，判斷出前述未知光波的頻率。

惟，由於前述光學頻率梳或雷射共振腔的共振腔構造均已固定，以致於在使用過程中，無法輕易的改變構造進而調整波谷間距，因此，在量測未知光波頻率時，若實線波谷的間距過大，會導致虛線波谷的落點不易判讀，若實線波谷的間距過小，則又會有虛線波谷的落點無法規律的落在實線相鄰波谷間的情形，而導致無法準確的判讀。

因此，本發明之目的，即在提供一種能夠提升判讀時方便性及準確性的動態光學頻率量測裝置。

於是，本發明動態光學頻率量測裝置，包含：一光通單元，及一遮光板。

該光通單元沿一光軸方向迎向一入射光，並具有沿該光軸方向延伸且可透光的一第一管路與一第二管路，該第一管路與該第二管路供至少一流體正向流動與逆向流動，使通過該第一管路、該第二管路的入射光分為相對流體逆向行進的一第一分光，及與流體同向行進且與該第一分光產生相位差的一第二分光。

該遮光板設置在該光軸的路徑上，並具有允許該第一分光與該第二分光分別通過的二狹縫，使該第一分光、該第二分光由前述狹縫發散後，再次重疊形成依循光軸行進的入射光。

本發明之功效：只需控制流體的流向，及改變流體的流速，就可以創造出不同的相位差，形成一種動態且能夠改變尺度的光學頻率尺，不但可以達到測量光頻率的目的，且能夠提升判讀時的方便性及準確性。

2‧‧‧光通單元

23‧‧‧連接段

24‧‧‧入口

25‧‧‧出口

3‧‧‧遮光板

31‧‧‧狹縫

32‧‧‧狹縫

4‧‧‧光譜分析單元

5‧‧‧控制單元

6‧‧‧入射光

61‧‧‧第一分光

62‧‧‧第二分光

7‧‧‧曲線

71‧‧‧波峰

72‧‧‧波谷

Z‧‧‧光軸

X‧‧‧軸線

Y‧‧‧軸線

A‧‧‧第一管路

B‧‧‧第二管路

X‧‧‧軸線

a‧‧‧間距

b‧‧‧寬度

l ‧‧‧長度

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是邁克生干涉儀的示意圖；圖2是前述邁克生干涉儀的干涉信號示意圖；圖3是一般光學頻率梳的頻譜圖；圖4是本發明動態光學頻率量測裝置的一較佳實施例的示意圖；圖5是該較佳實施例中一遮光板的側視圖；圖6是該較佳實施例所形成的一頻譜圖；及 圖7是該較佳實施例所形成的另一頻譜圖。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖4、圖5，本發明動態光學頻率量測裝置的一較佳實施例，包含一光通單元2、一遮光板3、一光譜分析單元4，及一控制單元5。

該光通單元2在本較佳實施例為一U形透明管，並具有沿一光軸Z方向延伸且可透光的一第一管路A與一第二管路B、連接該第一管路A一端與該第二管路B一端且迎向一入射光6的一連接段23，及分別形成在該第二管路B另一端、該第一管路A另一端的一入口24與一出口25。該入口24與該出口25供一流體進、出，使流體依循該第一管路A同向於該入射光6正向流動，及依循該第二管路B反向於該入射光6行進方向逆向流動。

該遮光板3反向於該光通單元2的連接段23設置在該光軸Z的路徑上，並具有沿該光軸Z方向貫穿且分別相對該第一管路A、第二管路B的二狹縫31、32。

該光譜分析單元4與該遮光板3光連接，且根據接收的光進行光譜分析，獲得一光譜圖(如圖6、圖7)。

該控制單元5在本較佳實施例為一流體控制閥，用於控制流體的流速。

以下即導證入射光6通過該光通單元2而產生相位差，及基於改變流體的流速，調變光譜中的頻寬做為 光學尺的方案：在本較佳實施例中，採用水為流體，及以可見光(寬頻光)為入射光6，由於入射光6在水中的吸收率少於0.01cm^-1 ，因此，吸收率在此狀態下可以忽略不計，而水的折射率約為1.33。

當入射光6沿該光軸Z方向行進時，會分成通過該第一管路A且與流體同向行進的一第一分光61，及通過該第二管路B且相對流體逆向行進的一第二分光62，此時，根據愛因斯坦的加法定理(addition theorem)，可以由式(1)得知第一分光61、第二分光62在第一管路A、第二管路B中的速度：

其中，u 是水(流體)的流速，C _w 是光在水中的速度，即。

當第一分光61、第二分光62分別依循該第一管路A、第二管路B通過該遮光板3的雙狹縫31、32後，會因為速度V _A 、V _B 的差異而由式(2)獲得第一分光61與第二分光62的相位差△φ：

其中，l 是第一管路A、第二管路B沿光軸Z方向的長度，v 是入射光6的頻率，且由式(1)與式(2)可以得知，相位差△隨流體的流速u 改變。

如圖2所示，第一分光61與第二分光62通過 雙狹縫12的孔隙函數為：

其中，Π(x' )為矩形函數，其定義：當|x' | b /2，Π(x' /b )=1，當|x' |>b /2，Π(x' /b )=0。每一狹縫31、32沿一軸線X方向的寬度為b 、二個狹縫31、32沿該軸線X方向的間距為a ，△為相位差。經過傅立葉轉換後，獲得：

其中，根據克希何夫繞射原理(Fresnel-Kirchhoff diffraction)，sinc函數被定義為sinc (x )=sin(x )/x ，而空間頻率f _x =vx /cz =v tan(θ )/c ，θ 是第一分光61、第二分光62以光軸Z為中心，分別通過該狹縫31、32後的方位角θ ，則在第一分光61、第二分光62通過雙狹縫31、32繞射後，可於該光譜分析單元4形成干涉頻譜。假設入射光6光譜為I ^{(i )} (v )，可以獲得干涉頻譜：

然後，將式(4)，及sinc (x )、f _x 代入式(5)，可以獲得干涉頻譜的修正函數：

由於式(5)是假設在遠場(far-field)位置所得到的，因此，二個狹縫31、32的間距a、每一狹縫31、32的寬度b，及，必須滿足弗勞恩霍夫模型(Fraunhofer approximation)，所以，獲得如下的關係式： tan(θ )<1， 1.0

其中，N _c 是中心頻率v _c 的菲涅耳數(Fresnel number)，以tan(θ )=0.01，a=1.0mm，v _c =5×10¹⁴ Hz，z>1.7m為例，所有在式(6)右邊的計算式，會因為第一分光61、第二分光62的光譜重疊，而以調變函數M (θ ,v )修正，且進一步指出，如果該光譜分析單元4的位置改變，或者式(4)中的方位角θ 改變，就會改變干涉頻譜I (θ ,v )，因此，本發明是以固定方位角θ ，及改變相位差△的方式，達到調變光譜中的頻寬做為光學尺的目的。

以式(4)中的方位角θ =0，來控制光譜的中心方向，及使sinc (0)=1，可以由式(6)獲得檢測中心的干涉頻譜為：

當以M (θ ,v )≡M (θ =0,v )=v ² ×cos² (△/2)=v ² ×cos² [π /v (1/V _B -1/V _A ]為檢測中心的調變函數，假設以高斯分佈來描述頻寬480nm~800nm的入射光6光譜I ^{(i )} (v )=exp{-[(v -v _c )/δv ]² }，及以中心頻率v _c =5×10¹⁴ Hz ，帶寬δv =1.25×10¹⁴ Hz ，就可以獲得對應的中心波長λ _c =600nm ，及頻寬△λ =320nm ，藉此，透過該控制單元5控制該流體的流速u =8.75×10³ m /s ，及流速u =2.3×10⁴ m /s ，可以獲得如圖6、圖7所示的干涉頻譜I (0,v )，即圖中的曲線7(實線)。

由式(7)的干涉頻譜I (0,v )關係式可以看出，當相位差△是π 的偶數倍時，會滿足建設性干涉條件，並呈現振幅相長且等距的數波峰71，及於相位差△是π 的奇數倍時，滿足破壞性干涉條件，並呈現表幅相消且等距的數波谷72 ，而能夠以前述干涉頻譜I (0,v )的該等波谷72依循一基準順序排列，形成光學頻率尺，進而達到量測某一未知光波頻率v 的目的。

且由圖6中該等波谷的間距大於圖7中該等波谷的間距可知，當流體的流速u 愈大時，頻譜就會呈愈緊密的狀態，當流體的流速u 愈小時，頻譜就會呈愈疏鬆的狀態。藉此，證明只需改變流體的流速u ，就可以控制前述光學尺刻度的疏、密。

綜上所述，本發明之動態光學頻率量測裝置具有下列優點及功效：本發明只需控制流體的流向，及改變流體的流速u ，就可以創造出不同的相位差△，還能夠控制干涉頻譜I (0,v )中的週期，而創造出一種動態且能夠改變尺度的光學尺，藉此，本發明能夠根據未知光波的波谷落點，輕易的調整該等波谷72的間距，使前述未知光波的波谷易於判讀，不但可以達到測量光頻率的目的，且能夠提升判讀時的方便性及準確性。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧光通單元

23‧‧‧連接段

24‧‧‧入口

25‧‧‧出口

3‧‧‧遮光板

31‧‧‧狹縫

32‧‧‧狹縫

4‧‧‧光譜分析單元

5‧‧‧控制單元

6‧‧‧入射光

61‧‧‧第一分光

62‧‧‧第二分光

Z‧‧‧光軸

A‧‧‧第一管路

B‧‧‧第二管路

θ ‧‧‧方位角

X‧‧‧軸線

l ‧‧‧長度

Claims (6)

1. 一種動態光學頻率量測裝置，包含：一光通單元，沿一光軸方向迎向一入射光，並具有沿該光軸方向延伸且可透光的一第一管路與一第二管路，該第一管路與該第二管路供至少一流體正向流動與逆向流動，使通過該第一管路、該第二管路的入射光分為相對流體逆向行進的一第一分光，及與流體同向行進且與該第一分光產生相位差的一第二分光；及一遮光板，設置在該光軸的路徑上，並具有允許該第一分光與該第二分光分別通過的二狹縫，使該第一分光、該第二分光由前述狹縫發散後，再次重疊形成依循光軸行進的入射光。
2. 如請求項1所述的動態光學頻率量測裝置，其中，該光通單元具有連接該第一管路一端與該第二管路一端且迎向入射光的一連接段，及分別形成在該第二管路另一端、該第一管路另一端的一入口與一出口。
3. 如請求項1所述的動態光學頻率量測裝置，更包含有一光譜分析單元，該入射光為寬頻光，該光譜分析單元接收前述通過雙狹縫的入射光且進行光譜分析，而得到一干涉頻譜，該干涉頻譜在該第一分光與該第二分光的相位差，是π 的偶數倍時，會滿足建設性干涉條件，並呈現振幅相長且等距的數波峰，及於相位差是π 的奇數倍時，會滿足破壞性干涉條件，並呈現振幅相消且等距的數波谷。
4. 如請求項3所述的動態光學頻率量測裝置，更包含有一控制單元，該控制單元用於控制流體的流速，使該第一分光與該第二分光的相位差產生變化，而改變前述相鄰波峰的間距，及相鄰波谷的間距。
5. 如請求項3所述的動態光學頻率量測裝置，其中，前述干涉頻譜以該等波谷為刻度，形成沿一軸線方向延伸的光學尺。
6. 如請求項3所述的動態光學頻率量測裝置，其中，前述干涉頻譜滿足下列式(1)： 其中，I (θ ,v )為干涉頻譜，I ^{(i )} (v )為入射光光譜，△為相位差，v 為頻率，C 為光在真空中速度，sin c為函數，M (θ ,v )為調變函數，a為二個狹縫的間距，b 為每一狹縫的寬度。