专利名称：光频域游标法光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光频域游标法光谱仪，属于光谱探测领域，可以应用于物质的吸收光谱的測定、光通信和光纤传感等领域。
背景技术：
測定光谱的现有技术目前主要有两类。一类是将不同波长的光波分布在不同的空间方向上，其中常见的分光兀件是棱镜和光栅。另ー类是将不同波长的光波在时间上分开，其中常见的是傅里叶变换光谱仪，可以利用迈克耳逊干涉仪或者马赫-曾德干涉仪实现。在先技术之一，利用光栅将不同波长的光波分散到不同的空间方向，利用线性探测器阵列或者线性图象传感器(如CCD或者CMOS图像传感器)探測不同波长光波的功率，由此得到待测光谱。这种方法的优点是响应速度快，波长分辨率也可以很高。缺点主要在于探测器和光栅之间需要较大的距离，因而导致机械加工困难，设备庞大笨重，而且价格昂
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贝o在先技术之ニ，将光波导入ー个迈克耳逊或者马赫-曾德干涉仪，输出的光波是两臂中传输的光波的相干光，其功率是波长和相位差的函数。通过调节一条光臂的长度，改变相位差，可以得到光功率随腔长的变化。而光谱与这个信号的关系正好是余弦傅里叶变换，因此，通过求解逆傅里叶变换，可以得到待测光谱。这种方法的优点是，光谱探测范围和波长分辨率都很高。缺点是非常耗费时间，不能够测量变化较快的光谱；具有运动部件，对机械加工的要求也很高；设备也庞大而昂贵。因此如何克服现有技术中上述技术问题,成为本领域普通技术人员努力的方向。
发明内容
本发明目的是提供一种光频域游标法光谱仪，避免了使用体积较大的迈克耳逊干涉仪和光栅-图像传感器结构，而实现光频率选择；且可以在很小的幅度上调谐谐振腔的腔长，避免了采用活动部件所产生的技术问题。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种光频域游标法光谱仪，包括入射准直透镜，用于将待测的入射光耦合入光纤；可调谐F-P干涉仪，其通过调谐其腔长在选择部分来自所述入射准直透镜光波通过；F-P标准具，用于提取来自所述可调谐F-P干涉仪中特定频率的光波；用于隔离反射光的第一光纤环行器，位于可调谐F-P干涉仪和F-P标准具之间，用于接收来自可调谐F-P干涉仪的光波；第二光纤环行器，此第二光纤环行器输入端ロ与所述F-P标准具之间传输光波；第一光电探测装置，连接到所述第二光纤环行器第一输出端ロ，用于将光波转化为电信号；功率測量模块，根据来自第一光电探测装置的电信号计算光功率，采样并储存光功率数据；第二光电探测装置，连接到所述第二光纤环行器第二输出端ロ，用于将光波转化为电信号；波长解调模块，根据来自第二光电探测装置的电信号计算稳频光源所发出的光波穿过整个系统后的光功率，采样并保存光功率数据，从光功率数据中解调得到波长数据。上述技术方案中进ー步改进的技术方案如下作为优选，所述可调谐F-P干涉仪中两个端面反射镜在不同的波长有不同的反射率。作为优选，还包括稳频光源，接收来自所述第一光纤环行器中第3端ロ传输的光 波，此稳频光源发出的稳频基准光波经耦合器和来自入射准直透镜的光波耦合入光纤；第一光纤稱合器，稳频光源发出的光波经稱合器与待测光波叠加在一起，并一同通过干涉仪；光纤布拉格光栅,位于所述第二光纤环行器和第一光电探测装置之间，将来自稳频光源发出的光波反射，其阻带与待测光波的频率范围错开。作为优选，还包括稳频光源，用于提供一稳频基准光波；第三光纤环行器，其第I端ロ接收所述稳频基准光波，第三光纤环行器第2端ロ与所述F-P标准具传输光波,第三光纤环行器第3端ロ与所述第二光纤环行器第I端ロ传输光波；光纤布拉格光栅，位于所述第二光纤环行器和光电探测装置之间，将来自稳频光源发出的光波反射，其阻带与待测光波的频率范围错开。作为优选，还包括稳频光源，用于提供一稳频基准光波；第二光纤耦合器，用于将稳频基准光波分为两路；第一光纤稱合器，稳频光源发出的光波经第一光纤稱合器与待测光波叠加在一起，并一同通过干涉仪；第三光纤环行器，其第I端ロ接收来自第二光纤耦合器的稳频基准光波，第三光纤环行器第2端ロ与所述F-P标准具传输光波,第三光纤环行器第3端ロ与所述第二光纤环行器第I端ロ传输光波；第一光电探测装置，连接到所述第二光纤环行器第一输出端ロ，用于将光波转化为电信号；第二光电探测装置，连接到所述第二光纤环行器第二输出端ロ，用于将光波转化为电信号；光纤布拉格光栅，位于所述第二光纤环行器和光电探测装置之间，将来自稳频光源发出的光波反射，其阻带与待测光波的频率范围错开。作为优选，所述稳频光源的光频率与待测光谱的范围错开。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果I、本发明利用两个体积很小的谐振腔实现了光频率选择的功能，避免了使用体积较大的迈克耳逊干涉仪，或者是光栅-图像传感器结构中较长的自由空间传播距离。2、本发明只需要一个光电探測器，避免了使用价格昂贵的仪器级的图像传感器。3、本发明在扫描光频率的过程中只需要在很小的幅度上调谐谐振腔的腔长。因此可以采用电光调制等手段，避免了采用活动部件所造成的问题。4、本发明的频谱分辨率由标准具的自由光谱范围决定，可以很容易地达到极高的分辨精度。
图I本发明的结构；图2谐振腔的功率透射谱；图3标准具7和干涉仪3的功率透射谱；图4通过调谐干涉仪3实现频率扫描；图5干涉仪3在不同波段的端面反射率和功率透射谱； 图6标准具7和干涉仪3对波长调制光波施加的幅度调制；图7调谐谐振腔长度的电压信号。以上附图中1、入射准直透镜；2、第一光纤耦合器；3、可调谐F-P干涉仪；4、第一光纤环行器；5、稳频光源；6、第二光纤稱合器；7、F-P标准具；8、第三光纤环行器；9、第二光纤环行器；10、光纤布拉格光栅；11、第一光电探测装置；12、第二光电探测装置；13、功率測量模块；14、波长解调模块。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进ー步描述实施例一种光频域游标法光谱仪，，如附图I所示，依次由入射准直透镜1，第一光纤耦合器2，可调谐F-P干涉仪3，光纤环行器4，稳频光源5，第二光纤耦合器6，F-P标准具7,光纤环行器8,光纤环行器9,光纤布拉格光栅(FBG) 10,第一光电探测装置11,光电探测装置12，功率測量模块13，波长解调模块14构成。其结构如图I所示。各组成特征的功能和具体的工作方式见技术方案部分的叙述。根据多光束干渉的知识，谐振腔的功率透射谱呈现梳状，如图2所示。其中自由光谱范围(腔纵模间隔)与谐振腔内的光程(简称为腔长)成反比。腔纵模的宽度，也就是透射光谱的宽度，是由精细度決定的。精细度越高，纵模的形状越尖鋭，纵模宽度D越窄。本发明中存在有两个串接的谐振腔，即腔长可变的F-P干涉仪3和腔长固定的F-P干涉仪7。两者的自由光谱范围有ー个微小的差别，如图3所示，图3 (a)为F-P标准具的透射谱，图3 (b)为可调谐F-P干涉仪的透射谱，两者的透射光谱在光频率Vi处重合，而在其它任何波长都不重合，因此，待测光波穿过两个谐振腔之后，只剩下频率为Vi的単色光波。根据谐振腔的相关知识，其纵模频率为其中C是光速，L是腔内光程，n是ー个正整数，是纵模的序号。从式⑴可以得到谐振腔的自由光谱范围，也就是相邻纵模的频率差为
剛Av=-⑵从式⑴和式⑵可以看出，当改变腔长L时，自由光谱范围和第n个纵模所在的光频率V都会变化。但是，如果腔长的改变量A L远小于腔长，即有关系AL<<L，从式
(2)可以看出，分母上的一点微小变化不会对自由光谱范围Av产生显著的影响，我们可以认为Av是不变的。另ー方面，在光频波段，腔纵模的序数n都是很大的。因此，自由光谱范围(纵模间隔)的一点微小变 化都会累加起来，使第n个纵模所在的光频率产生显著的变化。综上所述，微调腔长L的效果就相当于平移谐振腔的透射光谱，如图4所示。图中为了便于区别，将干涉仪3的透射光谱的位置略微下移了ー些。如附图4所示，其中V1 :采样光频率1，V2 :采样光频率2，V3 :采样光频率3，V4 :采样光频率4，V5 :可调谐F-P干涉仪的光谱，V6 :F-P标准具的光谱，dl :纵模的偏移，d2 采样光频率的偏移；图4(a)中，当标准具7光谱的第m个纵模与干涉仪3光谱的第n个纵模相重合时，采样光频率I能够通过；图4(b)中，第m+1个纵模与第n+1个纵模相重合，采样光频率2能够通过；图4(c)中，第m+2个纵模与第n+2个纵模相重合，采样光频率3能够通过；图4(d)中，第m+3个纵模与第n+3个纵模相重合，采样光频率4能够通过。从图4中我们可以看出，第n个纵模的频率仅仅只漂移了很小的量值，系统的采样光频率就已经跨越了很大的范围。这个特点决定了本发明所需要的腔长调谐量值非常的小，因而可以采用电光调制等技术，避免了使用活动部件。技术方案如图I所示。待测的入射光被准直透镜I耦合入光纤；经过耦合器2，进入干涉仪3 ;干涉仪3是一个梳状的光滤波器，其透射光谱如图2所示。待测的入射光波中，只有那些频率与干涉仪3的纵模相重合的光波能够通过。干涉仪3输出的光波进入环行器4。所谓环行器，是ー种在光通信和传感领域常用的无源器件，其功能为I端ロ入射的光波从2端ロ输出，2端ロ入射的光波从3端ロ输出，3端ロ入射的光波则无输出。(从属)光波进入环行器4的I端ロ，从2端ロ输出，进入标准具7。在干涉仪3和标准具7之间插入环行器4的目的是为了隔离反射光。标准具7也是ー个梳状的光滤波器，其透射光谱如图2、图3所示。从图3、图4及前文的说明可知，穿过干涉仪3的若干个光频率成分中，最多只有一个能够穿过标准具7。从图3、图4及前文的说明可知，通过调谐干涉仪3的腔长，可以人为地选择最終穿过标准具7的光波的频率。也就是说，可以从待测光波中选出ー个单色光波。这个功能是实现光谱测量的基础。从标准具7出射的単色光波进入环行器8的2端ロ，从3端ロ出射；进入环行器9的I端ロ，从2端ロ出射，进入FBG10。FBGlO是ー个光带阻滤波器。在本发明中，FBGlO的阻带与待测光波的频率范围错开，不会对待测光谱中任何一个频率成分发生作用。光波穿过FBGlO以后，被光电探测器11转变为电信号，进入功率測量模块13。功率測量模块13的作用为从电信号计算光功率；采样并储存光功率数据。在本发明中，干涉仪3的腔长被连续地调谐，其透射光谱也连续地移动。从图3、图4及前文的说明可知，在一个调谐周期中，待测光波中不同的频率成分在不同的时间穿过系统，被功率測量模块13所測量和记录。所以，功率測量模块得到的数据中包含有不同波长的光波的功率信息。对于一台光谱分析仪器，仅仅只是将待测光谱中的単色光波分离测量是不够的，还必须能够判断当前所测量的光波的频率。直观地看，可以通过測量干涉仪3的腔长计算出当前通过的光波的光频率。但是，由于腔长的变化量很小，不可能得到足够精确的測量，所以本发明提供了一个稳频光源5做为判断当前采样光频率的手段。稳频光源5所采用的稳频机理是roH(Pound-DreVer-Hall)方法。PDH稳频方法中，必须采用标准具的ー个纵模作为稳频基准。在本发明中，采用标准具7的某个纵模作为稳频光源5的稳频基准。严格地说，标准具7和稳频光源5结合使用才构成一个完整的稳频光源。但是在本发明中，标准具7还有其它功能(与干涉仪3共同实现频率选择功能)，所以本发明中所谓稳频光源5，是指ー个完整的稳频光源中除去标准具之后剰余的部分。此外，PDH方法输出的所谓稳频光波实际上是ー个以很小的幅度做波长调制的光
波。 稳频光源5发出的光波经过耦合器6，一部分光功率分配给耦合器2，用于判断干涉仪3的光谱平移量，另一部分光功率分配给稳频反馈回路。该回路包括环行器8、标准具
7、环行器4。光波从环行器8的I端ロ进入，2端ロ输出，然后进入标准具7，穿过标准具7的光波进入环行器4的2端ロ，从3端ロ输出，反馈回稳频光源5，提供稳频的误差信号。本发明中利用稳频光源5实现对干涉仪3透射谱平移量的解调。其工作过程为稳频光源5发出的光波经耦合器2与待测光波叠加在一起，并一同通过干涉仪3，进入环行器4的I端ロ，从2端ロ输出，穿过标准具7，进入环行器8的2端ロ，从3端ロ输出，进入环行器9的I端ロ，从2端ロ输出，到达FBGlO。FBGlO是ー个带阻光滤波器，让待测光波通过，将稳频光源5发出的光波反射。稳频光源5被FBGlO反射后进入环行器9的2端ロ，从3端ロ输出，被光电探测电路12转化为电信号，最后输入波长解调模块14。波长解调模块14的作用为从电信号计算稳频光源5所发出的光波穿过整个系统后的光功率；采样并保存光功率数据；从光功率数据中解调得到波长数据。解调的原理叙述如下。由于稳频光源5的频率是稳定的，如果干涉仪3的透射谱发生平移，那么该光波穿过干涉仪3后肯定会产生对应的变化。通过解算该变化，理论上可以得知干涉仪3的光谱平移量。但是，考虑到干涉仪3的精细度很高，光谱的形状很尖锐，在光谱平移的过程中，当稳频光源5的波长没有对准某个纵模时，几乎没有光功率能够穿过干涉仪3，给探测增添了很多困难。为了能够让稳频光源5在穿过干涉仪3之后还能保留较多的光功率，必须降低干涉仪3的精细度，使其透射光谱变得平坦ー些。然而，为了实现频率选择功能，干涉仪3又需要很高的精细度。所以，选择稳频光源5的光频率与待测光谱范围错开，与此相对应，干涉仪3在待测光谱范围内具有较高的精细度，在稳频光源5附近的波段具有较低的精细度。为了实现这个目的，干涉仪3的两个端面反射镜在不同的波长有不同的反射率，如图5所示图5(a)是干涉仪3的端面反射镜的反射率，R1是光谱測量范围的反射率，非常接近于1，R2是稳频光源所在波段的反射率；图5(b)是不同波段的不同反射率所对应的谐振腔功率透射谱；图5 (c)是稳频光源5的光谱。应注意稳频光源5所输出的实际上是ー个波长调制的光波，其调制幅度约等于标准具7的纵模宽度D。在图5中，由于绘制的范围跨越了很多个自由光谱范围，所以将稳频光源5的光谱绘制为ー个固定的窄光谱。
通过稳频光源5解调出干涉仪3的透射谱的平移量的方法如图6所示。 图6 (a)是标准具7的透射光谱中用于光源稳频的那个纵模；图6 (b)是稳频光源5发出的波长正弦调制的光波通过该纵模后所受到的幅度调制；图6(()是干涉仪3的低反射率波段的透射光谱，其中实线、虚线、点划线分别代表平移量不同的三个透射谱；图6(d)是波长正弦调制的光波通过干涉仪3之后受到的幅度调制；图6(e)是波长正弦调制的光波。如前文所述，本发明通过调谐干涉仪3的腔长使干涉仪3的透射光谱发生平移。当高反射率波段的尖鋭透射谱发生平移时，低反射率波段的平缓透射谱也会平移相同的量值。所以，測量出低反射率波段透射谱的平移，就可以反推出哪ー个频率的光谱分量能够穿过干涉仪3和标准具7。本发明中，稳频光源5输出ー个波长调制的光波。所谓波长调制，是指光波的光频率随时间按照某种规律变化，比如最常见的正弦形式。波长调制的光波穿过ー个光滤波器时，会被滤波器的透射光谱施加ー个幅度调制。这是因为，当光源被调制于某个波长时，正好对准透射光谱中透过率较大的点，而被调制到另ー个波长时，对准透射光谱中透过率较小的点。所以，在ー个波长调制周期中，穿过透射谱的光功率也会往复变化一回，最終的效果就是对波长调制光谱又施加了ー个幅度调制。參看图6(e)中的正弦曲线投映到图6(a)中的纵模曲线所产生的图6 (b)中的振荡曲线。从图6中还可以看出，透射光谱所施加的幅度调制的波形是随着光源与透射光谱的相对位置不同而变化的。简略说来，在透射光谱斜率比较大的地方，施加的幅度调制就比较大，反之亦然。如图6(e)中的正弦曲线投映到图6(c)中的三条透射谱曲线所分别产生的图6(b)中的三个不同的波动曲线。从图6(c)，(d)，(e)可以看出，在干涉仪3的低反射率波段，当透射光谱平移时(图中只画出了透射光谱处于三个不同的位置，用以代表平移)，稳频光源5发出的波长调制光波对准了透射光谱的不同位置，输出的幅度调制信号的相位、幅度、频率成分都会不同，从这些信息可以很反演出谐振腔的光谱平移量。稳频光波经过干涉仪3之后还要经过标准具7，还会再受到标准具7的调制，如图6(a),(b),(e)所示。根据理论分析可知，波长调制的光波穿过两个谐振腔之后受到的总幅度调制相当于他们各自效应的乘积。由于两个谐振腔的自由光谱范围略有不同，可以通过取对数运算将相乘的关系变为相加，然后利用锁相放大等手段将两者分离开来。其中电光晶体4的前后端面镀有高反射膜，构成F-P干涉仪。电光晶体4的上下表面贴有电极5，通过施加电压改变材料的折射率，因而改变谐振腔内的光程。所施加的电压信号如图8所示。从图8中可以看出，腔长随时间变化的函数是ー个正弦函数和线性函数的叠加。线性函数的斜率等于正弦函数斜率的最大值，因此曲线上周期性地出现斜率为0的点。在设计中，这些斜率为0的点对应频率采样点。这样设计是考虑到两个谐振腔的精细度都很高，腔纵模宽度D很小。如果简单地采用线性扫描，则在扫描的过程中，两者重合的时间太过短暂。如果用很慢地速率扫描，则又导致测试的时间太长。因此，本发明采用的扫描形式在采样频率处停留时间较长，而在其它地方用较快的速率扫描，解决了这个问题。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种光频域游标法光谱仪，其特征在干包括 入射准直透镜(I)，用于将待测的入射光耦合入光纤； 可调谐F-P干涉仪(3)，其通过调谐其腔长在选择部分来自所述入射准直透镜光波通过； F-P标准具(7)，用于提取来自所述可调谐F-P干涉仪(3)中特定频率的光波； 用于隔离反射光的第一光纤环行器(4)，位于可调谐F-P干涉仪(3)和F-P标准具(7)之间，用于接收来自可调谐F-P干涉仪(3)的光波； 第二光纤环行器(9)，此第二光纤环行器(9)输入端ロ与所述F-P标准具(7)之间传输 光波； 第一光电探测装置(11)，连接到所述第二光纤环行器(9)第一输出端ロ，用于将光波转化为电信号； 功率測量模块(13)，根据来自第一光电探测装置(11)的电信号计算光功率，采样并储存光功率数据； 第二光电探测装置(12)，连接到所述第二光纤环行器(9)第二输出端ロ，用于将光波转化为电信号； 波长解调模块(14)，根据来自第二光电探测装置(12)的电信号计算稳频光源(5)所发出的光波穿过整个系统后的光功率，采样并保存光功率数据，从光功率数据中解调得到波长数据。
2.根据权利要求I所述的光频域游标法光谱仪，其特征在于所述可调谐F-P干涉仪(3)中两个端面反射镜在不同的波长有不同的反射率。
3.根据权利要求I或2所述的光频域游标法光谱仪，其特征在于还包括 稳频光源(5)，接收来自所述第一光纤环行器(4)中第3端ロ传输的光波，此稳频光源(5)发出的稳频基准光波经耦合器(6)和来自入射准直透镜(I)的光波耦合入光纤； 第一光纤I禹合器(2)，稳频光源(5)发出的光波经I禹合器(2)与待测光波叠加在一起，并一同通过干涉仪(3)； 光纤布拉格光栅(10)，位于所述第二光纤环行器(9)和第一光电探测装置(11)之间，将来自稳频光源(5)发出的光波反射，其阻带与待测光波的频率范围错开。
4.根据权利要求3所述的光频域游标法光谱仪，其特征在干所述稳频光源(5)的光频率与待测光谱的范围错开。
5.根据权利要求I或2所述的光频域游标法光谱仪，其特征在于 稳频光源(5)，用于提供一稳频基准光波； 第三光纤环行器(8)，其第I端ロ接收所述稳频基准光波，第三光纤环行器(8)第2端ロ与所述F-P标准具(7)传输光波，第三光纤环行器(8)第3端ロ与所述第二光纤环行器(9)第I端ロ传输光波； 光纤布拉格光栅(10)，位于所述第二光纤环行器(9)和光电探测装置(11)之间，将来自稳频光源(5)发出的光波反射，其阻带与待测光波的频率范围错开。
6.根据权利要求5所述的光频域游标法光谱仪，其特征在干所述稳频光源(5)的光频率与待测光谱的范围错开。
7.根据权利要求I或2所述的光频域游标法光谱仪，其特征在于还包括稳频光源(5)，用于提供一稳频基准光波； 第二光纤耦合器出)，用于将稳频基准光波分为两路； 第一光纤I禹合器(2),稳频光源(5)发出的光波经第一光纤I禹合器(2)与待测光波叠加在一起，并一同通过干涉仪(3)； 第三光纤环行器(8)，其第I端ロ接收来自第二光纤耦合器￠)的稳频基准光波，第三光纤环行器(8)第2端ロ与所述F-P标准具(7)传输光波，第三光纤环行器(8)第3端ロ与所述第二光纤环行器(9)第I端ロ传输光波；第一光电探测装置(11)，连接到所述第二光纤环行器(9)第一输出端ロ，用于将光波转化为电信号； 第二光电探测装置(12)，连接到所述第二光纤环行器(9)第二输出端ロ，用于将光波转化为电信号； 光纤布拉格光栅(10)，位于所述第二光纤环行器(9)和光电探测装置(11)之间，将来 自稳频光源(5)发出的光波反射，其阻带与待测光波的频率范围错开。
8.根据权利要求7所述的光频域游标法光谱仪，其特征在干所述选择稳频光源(5)的光频率与待测光谱范围错开。
全文摘要
本发明公开一种光频域游标法光谱仪，包括入射准直透镜，用于将待测的入射光耦合入光纤；可调谐F-P干涉仪，其通过调谐其腔长在选择部分米自所述入射准直透镜光波通过；F-P标准具，用于提取来自所述可调谐F-P干涉仪中特定频率的光波；用于隔离反射光的第一光纤环行器，位于可调谐F-P干涉仪和标准具之间；第二光纤环行器，此第二光纤环行器输入端口与所述F-P标准具之间传输光波；第一光电探测装置；功率测量模块；第二光电探测装置；波长解调模块。本发明避免了使用体积较大的迈克耳逊干涉仪和光栅-图像传感器结构，而实现光频率选择；且可以在很小的幅度上调谐谐振腔的腔长，避免了采用活动部件所产生的技术问题。
文档编号G01J3/45GK102654422SQ201210065559
公开日2012年9月5日 申请日期2012年3月14日 优先权日2012年3月14日
发明者刘志麟, 王允韬, 郁菁菁, 阮驰 申请人:昆山煜肸传感器科技有限公司