一种简易低成本的波长实时测量装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种简易低成本的波长实时测量装置。首先，当光经1分4的光纤耦合器后，光功率将被平均分为四份，其中一束光先与线性滤波器相连然后接入第一光电探测器，另外一束光直接与第二光电探测器连接，剩余的两束光分别同时先与光纤环形器相连，然后各自连接两个F?P标准具，接着分别与第三光电探测器和第四光电探测器相连，从两环形器支路3出射的两条光线直接分别连至第五光电探测器和第六光电探测器中，然后将光电探测器出射的六条光线经过光电转换后全部接入数据采集卡，最后数据采集卡连接到电脑。本实用新型结构紧凑简单，成本低，测量范围大，可实时测量，应用于精密计量领域。
【专利说明】
一种简易低成本的波长实时测量装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于激光频谱特性参数测量领域，用于测量未知激光的波长值。
【背景技术】
[0002] 激光作为一种光源由于其单色性好、方向性强、色散小等特点在现代科学技术与 工程实践中得到了广泛的应用。激光波长是物理检测的基准值，被广泛应用于长度、速度、 角度、平面度、直线度和垂直度等的测量，是精密计量、精密机械和微电子工业领域重要的 测量参数。精确地测量激光波长，在光学的基础研究与应用领域具有重要的意义。现在的波 长测量仪器主要是光谱仪和波长计，但分光型光谱仪受限于其测量原理只能实现激光中心 波长的粗略测量(约几十pm)，而且价格比较昂贵;波长计因其高精度测量的优点，而被广泛 应用于激光波长的测量中。现代商用的波长计按照测量原理分类，主要有斐索干涉型波长 计、法布里-珀罗干涉型波长计和迈克尔逊干涉型波长计，其基本工作原理都是基于光的干 涉，但是前两者都需要面阵CCD探测干涉条纹以及复杂的图像处理；（[1 ]吴瑞坤.F-P标准具 激光波长测量系统.中国激光，1986，14(5): 287-291. [2]宋建明，是度芳.利用斐索干涉测 量激光波长.量子电子学报，2001，18(3) :224-227.)后两者(法布里-珀罗干涉型和迈克尔 逊干涉型）都需要内置参考激光器，通过波长值已知的参考激光和待测激光产生的干涉条 纹进行对比，从而得到待测激光的波长值。（[3]陆宏.利用F-P标准具实时测量激光波长的 研究.激光技术，1996，20(3): 143-146. [4]王利强，左爱斌，彭月祥.光波长测量仪器的分 类、原理及研究进展.科技导报，2005,23(6) :31-33)这些因素都使现在的波长计成本较高， 并且受原理所限无法大规模降低成本。另外，迈克尔逊干涉型波长计(如HP 81620c)由于内 置机械扫描部件，受振动影响大，不能在环境较为复杂的场所运行，且难以实现窄脉冲光的 波长测量。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型提出了一种无需参考激光器，利用双F-P(Fabry-P6r〇t)标准具与线性 滤波器结合的简易低成本的波长实时测量装置。即入射光经过分束后，分别通过一个线性 滤波器和两个F-P标准具，通过测量透过的光功率值实现对激光波长的精确测量。该装置能 够大范围、高精度的实时测量激光波长，具有结构紧凑简单，低成本，易于操作等特点。
[0004] 通过以下技术方案实现：
[0005] -种简易低成本的波长实时测量装置，其特征在于：由1分4光线耦合器（1)、线性 滤波器(2)、光纤环形器(3)、第一 F-P标准具(4)、第二F-P标准具(5)、温度控制装置(6)、第 一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、第三光电探测器(9)、第四光电探测器（10)、第五光 电探测器（11)、第六光电探测器（12)、数据采集卡（13)和电脑（14)组成，上述各部分的位置 关系如下：
[0006] 待测激光经过1分4光纤耦合器（1)等分的四束光分别通过光纤①、光纤②、光纤 ③、光纤④与后面器件相连，光纤①中的光经过线性滤波器(2)被第一光电探测器(7)探测， 光纤②中的光直接被第二光电探测器(8)探测；光纤③先连接一个光纤环形器(3)，环形器 的分路2接第一 F-P标准具(4)，经过第一 F-P标准具(4)的透射光被第三光电探测器(9)探 测，另一分路3的反射光被第四光电探测器(10)探测;光纤④同样也先连接一个光纤环形器 (3)，环形器的分路2接第二F-P标准具(5)，然后其透射光被第五光电探测器（11)探测，另一 分路3的反射光被第六光电探测器（12)探测;第一光电探测器(7)-第六光电探测器（12)的6 个电信号由数据采集卡（13)采集，最后通过电脑（14)分析计算从而得到待测激光波长，其 中，第一F-P标准具(4)和第二F-P标准具(5)分别放置在温度控制装置(6)中以隔绝外界温 度变化的影响。（结构框图如图1所示）
[0007] 所述的线性滤波器，在一定范围内，不同波长的激光入射后其透过的光功率会不 同，由此通过探测到的光功率值来粗略确定波长。基于原理所限，F-P标准具对波长的响应 是正弦周期变化的，而线性滤波器的主要目的就是确定入射光波长值对应于F-P标准具的 波长响应正弦曲线的一个准确周期，从而确定一个周期范围内的准确单调区间，所以线性 滤波器的波长分辨率应小于F-P标准具FSR(自由光谱范围）的1/4。
[0008] 所述的两个F-P标准具各自对应的光强-波长曲线均为正弦型，且两曲线的相位差 为90度，具有互补的波长响应特性，因此两F-P标准具可以用来互相补偿在响应曲线波峰和 波谷附近的测量，从而提高测量精度;温度控制装置使用两块铜块与F-P标准具上下紧密贴 合，将半导体制冷片（15)贴在铜块底面，热敏电阻（16)置于铜块内部用于实时采集温度值， 外接温度控制电路（17)构成负反馈闭合控制系统，采用PID算法进行精确温度控制，控制精 度为〇. 001度，其对应的波长控制精度为〇. lnm。(温控装置如图2所示）
[0009] 本实用新型的优点在于：1、全光纤结构，布局灵活，不需要空间准直，大大减少了 光在传输过程中的所受环境等不可控因素的影响，拓宽了该波长测量装置的应用领域和使 用条件。2、原理方面，本实用新型所述测量系统只需分别探测经过双F-P腔和滤波器的光功 率，就可以测量入射激光的波长值，不需要图像处理，后期的数据处理简单;3、本实用新型 所述测量系统无需使用参考激光器和面阵CCD，从而使得系统的成本更低。
【附图说明】
[0010]图1是本实用新型的结构框图；
[0011] 图2是本实用新型的温度控制装置图；
[0012] 图3是F-P标准具的I(t)/IW~λ波形图；
[0013] 图4是F-P标准具的补偿实验结果波形图；
[0014]图5是波长测量的流程图。
【具体实施方式】
[0015] 本实用新型的工作原理：
[0016] F-P腔标准具由两块平行放置的平面玻璃板组成，两板的内表面镀以高反射率的 银膜或铝膜，其结构可看成一块平行平面玻璃板，由于F-P腔两端高反射膜的特性，光在腔 内来回反复的反射与折射，如果平行平面玻璃板的左、右两端面对光信号没有吸收，当待测 激光以一定的角度Θ入射到F-P腔标准具时，经过一系列的推断，可得出反射光强度和透射 光强度之比为
[0018] δ为相位，R为F-P标准具内高反射率膜的反射率。
[0019] 由相位和腔长的关系
[0020] δ=ΚΔ =Κ · 2nl cosB (1-2)
[0021] 式中：Δ为相邻光束的光程差;K为自由空间中光的传输常数，Κ = 23?/λ;η为腔内的 折射率;1为腔长;9为光在腔内反射的夹角。
[0022] 结合公式（1-1)和（1-2)可得：
[0024]若入射激光的中心波长λ〇为1550nm，所对应的F-P标准具的FSR为100GHz(波长间 隔为0.8nm)，由自由光谱范围
[0026] 可知2nl = 3003000nm，代入等式（1-3)，取高反射率膜的反射率为0.8时，当待测激 光近似垂直入射至F-P标准具时，0 = 〇，cos0 = l。归一化后相应的I(t)/Iw~λ波形如图3所 不。
[0027] 由所示波形图的周期性可知，当我们探测到一个光功率值时，在波长响应曲线的 一个周期内除了波峰点和波谷点外，都对应有两个波长值(如图3中的a、b两点）。这里我们 用到的线性滤波器对信号光波长的分辨率为0. lnm，而F-P标准具的FSR为100GHz (约 〇.8nm)，滤波器的分辨率小于波长响应曲线的1/4周期波长间隔，所以我们能够根据测得的 线性滤波器透射率所对应的波长值，来进一步确定波长响应曲线横坐标所在的某个准确单 调区间（即图3中从a、b两点中确定出其中一点所对应的波长值），最终求得此时光功率对应 的准确波长Μ直。
[0028] 然而对于波长响应曲线斜率无限趋近于0时（即波形图中的波峰和波谷附近），由 于光电探测器热噪声、放大电路噪声等因素，会大大影响数据的可靠性和真实性。
[0029] 由等式（1-3)可知，我们可以通过改变相关未知数的值，从而使得I(t)/IW~λ曲线 在原来的基础上产生约90度的相移，这样就可以利用相移后的波长响应曲线来补偿原图形 在波峰和波谷附近的误差。此处，我们让产生的相移约为90度(对应波长响应曲线的1/4个 周期），从而使得原波长响应曲线（I)的波峰和波谷对应于相移后的波长响应曲线（II)的线 性度高的区域，如图4所示，当我们探测到原波长响应曲线（I)的光功率值(c点处)位于波峰 或波谷附近时，这时我们取同一时间探测到的相移后的波长响应曲线（II)对应的光功率值 (d点处），所对应的λ值( e点处），最终就得到了此时待测激光的准确波长值。
[0030] 本实用新型的有益效果是：
[0031] 该装置使用线性滤波器先粗略测量待测激光的波长，确定其在F-P标准具对应的 光强-波长曲线的准确某一周期范围；再通过第一 F-P标准具和第二F-P标准具各自对应的 光强-波长曲线的结合，就可以得到准确的波长值。这种方法不仅避免了图像处理步骤，大 大简化了后期的数据处理，而且使得整个装置结构紧凑简单，体积较小易于携带;第一光电 探测器和第二光电探测器为一组，第三光电探测器和第四光电探测器为一组，第五光电探 测器和第六光电探测器为一组，这样的对比测量可以排除因入射光功率变化造成的测量误 差;温度控制装置分别与第一 F-P标准具、第二F-P标准具紧密接粗，最终实现高精度温度控 制，用于排除外界温度变化对其不良影响。基于以上性质使得该装置结构紧凑简单，成本 低，测量范围大，可实时测量光波长。
[0032] 综上，本发明的部分重要流程如下：
[0033] 由通过线性滤波器的光功率值来缩小F-P标准具的波长响应曲线至某个确定的周 期中的单调区间;然后，若测得的光功率值在波函数线性度高的区域，就读取第三光电探测 器(5)和第四光电探测器(6)的光功率值;若测得的光功率值在靠近波峰或波谷附近时，此 时读取第三光电探测器(7)和第六光电探测器(8)的光功率值;最后结合测得的光功率值求 出相应的波长值。（流程图如图5所示）
[0034]本发明的波长测量步骤为：
[0035] 步骤1)按照图1，连接光路:待测激光经过1分4光纤耦合器（1)等分的四束光分别 通过光纤①、光纤②、光纤③、光纤④与后面器件相连，光纤①中的光经过线性滤波器(2)被 第一光电探测器(7)探测，光纤②中的光直接被第二光电探测器(8)探测;光纤③先连接一 个光纤环形器(3)，环形器的分路2接第一 F-P标准具(4)，经过第一 F-P标准具(4)的透射光 被第三光电探测器(9)探测，另一分路3的反射光被第四光电探测器（10)探测;光纤④同样 也先连接一个光纤环形器(3)，环形器的分路2接第二F-P标准具(5)，然后其透射光被第五 光电探测器（11)探测，另一分路3的反射光被第六光电探测器（12)探测；第一光电探测器 (7)_第六光电探测器（12)的6个电信号由数据采集卡（13)采集，最后通过电脑（14)分析计 算从而得到待测激光波长。
[0036] 步骤2)按照图2,温度控制:温度控制装置使用两块铜块与F-P标准具上下紧密贴 合，将半导体制冷片（15)贴在铜块底面，热敏电阻（16)置于铜块内部用于实时采集温度值， 外接温度控制电路（17)构成负反馈闭合控制系统，采用PID算法进行精确温度控制，控制精 度为〇. 001度，其对应的波长控制精度为〇. lnm。
[0037] 步骤3)数据采集与处理：参照图1，第一光电探测器(7)至第六光电探测器（12)探 测六条通道输出光功率;然后将所有通道信号连接到数据采集卡(8)中，数据采集卡（13)通 过USB连接电脑(14)，最后通过电脑(14)分析计算从而得到待测激光波长。
【主权项】
1. 一种简易低成本的波长实时测量装置，其特征在于：由1分4光线耦合器（1)、线性滤 波器(2)、光纤环形器(3)、第一 F-P标准具(4)、第二F-P标准具(5)、温度控制装置(6)、第一 光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、第三光电探测器(9)、第四光电探测器（10)、第五光电 探测器（11)、第六光电探测器（12)、数据采集卡（13)和电脑（14)组成，上述各部分的位置关 系如下： 待测激光经过1分4光纤耦合器（1)等分的四束光分别通过光纤①、光纤②、光纤③、光 纤④与后面器件相连，光纤①中的光经过线性滤波器(2)被第一光电探测器(7)探测，光纤 ②中的光直接被第二光电探测器(8)探测；光纤③先连接一个光纤环形器(3)，环形器的分 路2接第一F-P标准具(4)，经过第一F-P标准具(4)的透射光被第三光电探测器(9)探测，另 一分路3的反射光被第四光电探测器（10)探测;光纤④同样也先连接一个光纤环形器(3)， 环形器的分路2接第二F-P标准具(5)，然后其透射光被第五光电探测器(11)探测，另一分路 3的反射光被第六光电探测器（12)探测；第一光电探测器(7)-第六光电探测器（12)的6个电 信号由数据采集卡（13)采集，最后通过电脑（14)分析计算从而得到待测激光波长，其中，第 一 F-P标准具(4)和第二F-P标准具(5)分别放置在温度控制装置(6)中以隔绝外界温度变化 的影响。2. 根据权利要求1所述的一种简易低成本的波长实时测量装置，其特征在于:通过测量 激光通过线性滤波器(2)的透射率粗略估算光波长值；由于第一F-P标准具(4)和第二F-P标 准具(5)的透射率对波长的响应是正弦周期变化的，线性滤波器主要用来确定入射光波长 值对应于第一F-P标准具(4)和第二F-P标准具(5)的波长响应正弦曲线的哪个周期，因此线 性滤波器(2)对激光波长的测量误差应小于第一 F-P标准具(4)和第二F-P标准具(5)波长响 应正弦曲线周期的1/4。3. 根据权利要求1所述的一种简易低成本的波长实时测量装置，其特征在于:第一 F-P 标准具(4)和第二F-P标准具(5)的相位差为90度，这样第一 F-P标准具(4)或第二F-P标准具 (5)的波长响应曲线的波峰和波谷都对应于第二F-P标准具(4)或第一 F-P标准具（5)线性 区，通过这种互补测量的方式可以解决波长响应正弦曲线在波峰和波谷附近处引起的测量 误差大的问题。4. 根据权利要求1所述的一种简易低成本的波长实时测量装置，其特征在于:温度控 制装置(6)使用两块铜块同时与第一 F-P标准具(4)和第二F-P标准具(5)上下紧密贴合，将 半导体制冷片贴在铜块底面，热敏电阻置于铜块内部用于实时采集温度值，外接温度控制 电路构成负反馈闭环控制系统。
【文档编号】G01J9/00GK205642638SQ201620016947
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年1月4日
【发明人】李裔, 陈贝, 张庆利
【申请人】中国计量学院