提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量精度的方法

提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量精度的方法
【专利摘要】本发明提供了一种提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量精度的方法。该方法利用多种已知波长单色光源测量电光调制波导在不同波长下的半波电压，建立半波电压与波长的函数依赖关系；在测量待测光源时，首先采用一已知波长激光器测量该调制器半波电压，利用测得的半波电压修正已建立的半波电压与波长的函数依赖关系，而后测量该电光调制波导在待测光源入射时输出光强随调制电压变化的干涉图谱，对该干涉图谱进行离散傅立叶变换处理，得到入射光功率随半波电压的分布曲线，利用修正后的半波电压与波长的函数依赖关系将入射光功率随半波电压的分布曲线转换为待测光源发射光谱。本发明有效消除了电光调制波导半波电压波动对光谱测量结果的影响。
【专利说明】提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量精度的方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于光谱测量【技术领域】，尤其涉及一种提高基于电光调制波导的傅立叶变 换光谱测量精度的方法。

【背景技术】
[0002] 傅立叶变换光谱仪是一种分析物质组成成份及其结构的重要分析仪器，具有光谱 分辨率高、光通量大、信噪比高、扫描速度快等优点，在环境监测、食品安全检测、产品质量 检测、防化反恐、生物医学、石油化工、空间探测、材料研发等众多领域有着广泛应用。与实 验室大型的光谱分析设备相比，傅立叶微光谱仪具有体积小、质量轻、可携带等优点，能够 满足现场实时快速测试和航空航天应用的要求，因此具有更加广阔的应用前景和良好的发 展趋势。
[0003] 国际上研究较多的傅立叶变换微光谱仪具有动镜迈克尔逊干涉仪结构，通过采用 电梳驱动、电磁驱动、热致驱动等方法改变反射镜位置实现对光程差的调制。这类傅立叶微 光谱仪具有可移动部件，抗机械振动能力仍然不足，性能易受环境温度、湿度、气压及气氛 变化的干扰。此外，反射镜在调制过程中需保持平行移动，对驱动系统提出了较高的要求。
[0004] 为了克服常规傅立叶微光谱仪的上述缺点，本发明的同一 申请人:提出了利用铌酸 锂光波导电光调制技术实现对光程差的静态调制，并在此基础上申报了基于集成光技术 的傅立叶变换芯片光谱仪（专利号：ZL201010138943. 2)、基于光波导的衰减全反射光谱 测量式傅立叶光谱仪（专利号：ZL201010263095. 8)、一种获取光源光谱的方法（申请号： 201210506070. 5)和分辨率增强傅立叶微光谱仪（申请号：201310053568. 5)等四项专利。 这些发明公开的傅立叶微光谱仪不包含运动部件，不需要精密的驱动系统，不需要特殊的 减震环境，同时通过使用导波光克服了空间自由光束易受干扰的缺点。其中，一种获取光源 光谱的方法（申请号：201210506070. 5)通过采用已有的电光调制器和傅立叶变换方法，能 够有效对未知信号光谱进行测量。
[0005] 但是铌酸锂光波导的电光效应受到温度、暗电流、残留电荷、机械应力等因素的影 响，表现为铌酸锂电光调制波导半波电压的波动。当上述基于电光调制波导的傅立叶变换 光谱测量方法被用于长时间范围内的测量或需多次重新加载调制电压的测量时，这种电光 调制波导半波电压的波动表现得尤为明显。铌酸锂电光调制波导的这种特性导致了测得的 信号光谱存在波长漂移，削弱了光波导傅立叶变换光谱测量方法的测量精度。如何消除铌 酸锂电光调制波导半波电压波动带来的影响，以提高光波导傅立叶变换光谱测量精度，仍 然是一个需要研究的问题，目前还未见相关报导。


【发明内容】

[0006] (一）要解决的技术问题
[0007] 鉴于上述技术问题，本发明提供了一种提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱 测量精度的方法。
[0008] (二）技术方案
[0009] 本发明提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量精度的方法包括：步骤A : 利用多种已知波长的单色光源测量电光调制波导在不同波长下的半波电压νπ，得到该电光 调制波导的半波电压ν π与波长λ的单调函数依赖关系= f( λ);步骤Β:利用一窄线 宽激光器作为参考光源，其发射波长称为参考波长λ Mf，测量电光调制波导在该参考波长 λΜ?下的半波电压，利用测得的半波电压对半波电压νπ与波长λ的函数依赖关 系^ = f(A)进行修正，修正后的半波电压与波长的单调函数依赖关系为：νπ = ?；(λ); 步骤C:测量待测光源光信号对应的电光调制波导输出光强随调制电压变化的干涉图谱 I(U)，通过离散傅立叶变换方法由该干涉图谱得到待测光源入射光功率随半波电压的分布 曲线B' (〇 ;以及步骤D:利用修正后的半波电压与波长的函数依赖关系νπ=?；(λ)，将 待测光源入射光功率随半波电压的分布曲线Β' (νπ)，转换为待测光源入射光功率随波长 的分布曲线Β ( λ )，该Β ( λ )即为测量得到的待测光源的发射光谱。
[0010] (三）有益效果
[0011] 从上述技术方案可以看出，本发明提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量 精度的方法具有以下有益效果：
[0012] (1)仅需额外引入一个参考光源，参考光源选择灵活，参考光源波长可以为所涉及 的电光调制波导的单模工作波长区间内的任意波长，实现成本较低；
[0013] (2)无需精确确定电光调制波导的各种物理参数和几何参数，无需测定外电场、温 度、机械应力、残留电荷等导致电光调制波导半波电压波动的影响因素，也不涉及抑制电光 调制波导半波电压波动的措施，简单易行；
[0014] (3)对参考光源信号和待测光源信号的收集容许光纤活动连接耦合或光束聚焦透 镜耦合，不涉及可动部件，抗震动能力强，体积小、重量轻、便于携带；
[0015] (4)本发明方法采用离散傅立叶变换，由待测光源信号入射时电光调制波导的输 出光强随调制电压变化的干涉图谱，得到待测光源入射光功率随半波电压的分布曲线，其 中调制电压在一个测量周期内随时间单调变化。本发明方法降低了对调制电压的要求，易 于实现；
[0016] (5)通过引入参考光源，消除了电光调制波导半波电压波动导致的波长测量误差， 有效提高了光波导傅立叶变换光谱测量精度；
[0017] (6)本发明方法可应用于实时连续光谱分析。

【专利附图】

【附图说明】
[0018] 图1为根据本发明实施例提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量精度的 方法的流程图；
[0019] 图2Α和图2Β分别为根据本发明第一实施例提高基于电光调制波导的傅立叶变换 光谱测量精度的方法中在子步骤Α1和Β1中的测试装置连接的示意图；
[0020] 图3Α和图3Β分别为根据本发明第二实施例提高基于电光调制波导的傅立叶变换 光谱测量精度的方法中在步骤1、5中测试装置连接的示意图，图3C为图3Β的一种等效的 测试装置连接的示意图；
[0021] 图4为本发明第二实施例中建立的铌酸锂电光调制波导半波电压与波长的依赖 曲线；
[0022] 图5为本发明第二实施例中对波长为1267. 8nm的激光器的发射光谱进行探测，测 量得到的铌酸锂电光调制波导输出光强随调制电压变化的干涉图谱；
[0023] 图6为本发明第二实施例中利用离散傅立叶变换和切趾运算的方法对图5给出的 变换图谱进行数据处理得到的待测信号入射光功率随半波电压的分布曲线；
[0024] 图7为本发明第二实施例中利用修正后的半波电压与波长的单调函数依赖关系， 由图6给出的待测光源入射光功率随半波电压的分布曲线，得到的待测光源的发射光谱；
[0025] 图8A和图8B为使用基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量方法分别对 1347. 7nm和1608. 3nm激光器的发射光谱进行测量得到的曲线，其中：图8A为未采用参考 光源对电光调制波导半波电压与波长的函数依赖关系进行修正的情况下分别获得的激光 器的发射光谱；图8B为采用参考光源对电光调制波导半波电压与波长的函数依赖关系进 行修正后分别获得的激光器的发射光谱。
[0026] 【图中元件标号说明】
[0027] 1-单色光源；
[0028] 2-待测光源；
[0029] 3-参考光源；
[0030] 4-二分支光纤；
[0031] 4a_主光纤枝； 4b_第一光纤枝；
[0032] 4c-第二光纤枝；
[0033] 5-铌酸锂电光调制波导；
[0034] 6-窄带滤波器；
[0035] 6a_信号输入端；6b_带通信号输出端；
[0036] 6c-带阻信号输出端；
[0037] 7-第一光电探测器；
[0038] 8-第二光电探测器；
[0039] 9-信号控制与处理模块；
[0040] 10-第一光开关；
[0041] 11-第二光开关。

【具体实施方式】
[0042] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部 分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员 所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等 于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的 方向用语，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，仅是参考附图的方向。因此，使用的 方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
[0043] 本发明公开了一种通过采用参考光源提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱 测量精度的方法。该方法利用多种已知波长单色光源测量电光调制波导在不同波长下的 半波电压，建立半波电压与波长的函数依赖关系；在测量待测光源时，首先采用一已知波长 激光器测量该调制器半波电压，利用测得的半波电压修正已建立的半波电压与波长的函数 依赖关系，而后测量该电光调制波导在待测光源入射时输出光强随调制电压变化的干涉图 谱，对该干涉图谱进行离散傅立叶变换处理，得到入射光功率随半波电压的分布曲线，再利 用修正后的半波电压与波长的函数依赖关系将入射光功率随半波电压的分布曲线转换为 待测光源发射光谱。
[0044] 在本发明的一个实施例中，提供了一种提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱 测量精度的方法。图1为根据本发明实施例提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量 精度的方法的流程图。图2A和图2B分别为根据本发明第一实施例提高基于电光调制波导 的傅立叶变换光谱测量精度的方法中在子步骤A1和B1中测试装置连接的示意图。
[0045] 首先请参照图2,测量装置包括：单色光源1、待测光源2、参考光源3、二分支光纤 4、铌酸锂电光调制波导5、窄带滤波器6、第一光电探测器7、第二光电探测器8、信号控制与 处理模块9、电源及后续设备10。
[0046] 请参照图1，本实施例提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量精度的方法 包括以下步骤：
[0047] 步骤A :利用多种已知波长的单色光源1测量铌酸锂电光调制波导5在不同波长 下的半波电压，得到铌酸锂电光调制波导5的半波电压ν π与波长λ的单调函数依赖关 系 νπ = f( λ );
[0048] 该步骤Α又可以具体包括：
[0049] 子步骤A1 :将单色光源1与铌酸锂电光调制波导5的光输入端口光连接，铌酸锂 电光调制波导5的光输出端口与光电探测器7光连接；将信号控制与处理模块9分别与银 酸锂电光调制波导5的调制电极和光电探测器7输出端电连接，如图2A所示；
[0050] 子步骤A2 :通过信号控制与处理模块9给铌酸锂电光调制波导5施加调制电压， 并同步测量该调制电压及光电探测器7的输出信号。由光电探测器7输出信号随调制电压 的变化得到单色光源1波长下铌酸锂电光调制波导5的半波电压ν π ;
[0051] 子步骤A3 :利用多种已知波长的单色光源1测量铌酸锂电光调制波导5在不同波 长下的半波电压;
[0052] 在建立铌酸锂电光调制波导5半波电压与波长的单调函数依赖关系时所使用的 已知波长的单色光源1的数量不少于3个，这些单色光源1的发射波长位于铌酸锂电光调 制波导5的单模工作波长区间内，并且尽可能覆盖铌酸锂电光调制波导5的整个单模工作 波长区间，而且每个单色光源1的谱线宽度小于lnm，所有波长下半波电压的测量在相同的 稳定测试环境下完成，确保在宽的光谱范围内准确建立铌酸锂电光调制波导5的半波电压 与波长的单调函数依赖关系。
[0053] 此外，在利用不同已知波长的单色光源1测量对应波长下铌酸锂电光调制波导5 半波电压时，铌酸锂电光调制波导5在每一个波长下的输出光强度在调制电压随时间单调 变化的过程中应产生至少一个完整周期的变化。
[0054] 子步骤A4 :根据不同波长下铌酸锂电光调制波导5半波电压的测量结果，建立半 波电压与波长λ的单调函数依赖关系= f(X)。
[0055] 本子步骤中，利用线性函数、多项式函数、指数函数等函数依赖关系式对测得的铌 酸锂电光调制波导5半波电压随波长的变化曲线进行最佳拟合，在给定的光谱区间内准确 建立铌酸锂电光调制波导5半波电压与波长的单调函数依赖关系^ = f (λ)。
[0056] 步骤Β :利用一窄线宽激光器作为参考光源3,其发射波长称为参考波长λ Mf，测 量铌酸锂电光调制波导5在该参考波长λΜ?下的半波电压，利用参考波长λ Μ?对应 的半波电压，对半波电压νπ与波长λ的函数依赖关系^ =f(A)进行修正，修正后 的半波电压与波长的单调函数依赖关系为：
[0057] V,=fr(A) (1)
[0058] 该步骤B又可以具体包括：
[0059] 子步骤B1 :将待测光源2与二分支光纤4的第一光纤枝4b连接，已知波长为λ ,ef 的参考光源3与二分支光纤4的第二光纤枝4c连接，二分支光纤4的主光纤枝4a与铌酸 锂电光调制波导5的光输入端口光连接；铌酸锂电光调制波导5的光输出端口与窄带滤波 器6的信号输入端6a光连接，窄带滤波器6的带通信号输出端6b与第一光电探测器7光 连接，带阻信号输出端6c与第二光电探测器8光连接。将信号控制与处理模块9分别与铌 酸锂电光调制波导5的调制电极和第一光电探测器7输出端、第二光电探测器8输出端电 连接，如图2B所示；
[0060] 参考光源3波长应位于铌酸锂电光调制波导5的单模工作波长区间内，并位于对 待测光源2的进行光谱测量的波长区间外。
[0061] 窄带滤波器6的滤波窗口应在参考光源3波长位置，带通信号输出端6b输出波长 与参考光源3波长相同的光信号，带阻信号输出端6c输出不含参考光源3波长成分的光信 号。
[0062] 子步骤B2 :打开参考光源3,利用信号控制与处理模块9给铌酸锂电光调制波导5 施加调制电压，并利用信号控制与处理模块9同步同频记录调制电压和第一光电探测器7、 第二光电探测器8的输出信号。
[0063] 调制电压在一个测量周期内随时间单调变化，电压幅值低于铌酸锂电光调制波导 5的击穿电压。
[0064] 利用信号控制与处理模块9同步同频记录第一光电探测器7、第二光电探测器8输 出信号和施加给铌酸锂电光调制波导5的调制电压时，信号控制与处理模块9的采样频率 应大于铌酸锂电光调制波导5输出光信号变化频率的2倍。
[0065] 子步骤B3 :由第一光电探测器7输出信号随调制电压的变化得到参考光源3波长 λ 下铌酸锂电光调制波导5的半波电压。根据该半波电压，对步骤A中得到的半波 电压与波长的单调函数依赖关系= f( λ)进行修正，修正后的函数依赖关系为：
[0066] νπ = fr(A) = [νπΓε?/Γ(λΓ6?)]?(λ) (2)
[0067] 步骤C :测量铌酸锂电光调制波导5在待测光源2的输出波长下，输出光强随调制 电压变化的干涉图谱I(u)，得到待测光源2入射光功率随半波电压的分布曲线B' (〇 ;
[0068] 该步骤C又可以具体包括：
[0069] 子步骤C1 :由第二光电探测器8输出信号随调制电压的变化得到待测光源2入射 时铌酸锂电光调制波导5的输出光强随调制电压变化的干涉图谱I (U);
[0070] 其中，所述待测光源2发射光谱，包括各种发光体的发射光谱、溶液和气体的突光 光谱，及各种物质的透射光谱和散射光谱。
[0071] 子步骤C2 :通过采用离散傅立叶变换的方法，由子步骤Cl中得到的铌酸锂电光调 制波导5输出光强随调制电压变化的干涉图谱I (U)，得到待测光源2入射光功率随半波电 压的分布曲线K (〇。
[0072] 步骤D :利用修正后的半波电压与波长的函数依赖关系νπ =?；(λ)，将待测光源2 入射光功率随半波电压的分布曲线Β' (〇,转换为待测光源2入射光功率随波长的分布 曲线Β ( λ )，该Β ( λ )即测量得到的待测光源2的发射光谱。
[0073] 至此，本发明第一实施例介绍完毕。
[0074] 在本发明的另一个示例性实施例中，又提供了一种提高基于电光调制波导的傅立 叶变换光谱测量精度的方法。
[0075] 图3Α和图3Β分别为根据本发明第二实施例提高基于电光调制波导的傅立叶变换 光谱测量精度的方法中在步骤1、5中测试装置连接的示意图。
[0076] 请参照图1，本实施例提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量精度的方法 包括以下步骤：
[0077] 步骤1 :本实施例中选用商业化电光调制器提供的铌酸锂电光调制波导5。采 用 1267. 8nm,1307. lnm,1347. 7nm,1389. 6nm,1449. 2nm,1490. 9nm,1530. 7nm,1550. 7nm， 1588. 9nm，1608. 3nm，1653. 7nm等已知波长的半导体激光器作为单色光源1，依次通过光纤 耦合与铌酸锂电光调制波导5光输入端连接。铌酸锂电光调制波导5的输出光通过光纤耦 合进入光电探测器7。光电探测器7为InGaAs光探测器。将信号控制与处理模块9分别与 铌酸锂电光调制波导5的调制电极和光电探测器7输出端电连接；如图3A所示。
[0078] 步骤2 :使用信号控制与处理模块9提供的周期性变化的三角波电压作为铌酸锂 电光调制波导5的调制电压，所述调制电压幅度为-60V-60V，频率为10Hz，调制电压作用在 铌酸锂电光调制波导5的调制电极上，再利用信号控制与处理模块9对光电探测器7的输 出电信号和调制电压以20000Hz的采样频率进行同步采样。铌酸锂电光调制波导5的输出 光强可由光电探测器7的输出电信号表示，设定调制电压的上升沿作为分析区域，从采样 得到的输出光强随调制电压变化的关系中，得到对应的单色光源1波长下铌酸锂电光调制 波导5的半波电压。
[0079] 步骤3 :在相同的稳定测试环境下依次测量步骤1中所述的11种不同单色光源1 波长下的铌酸锂电光调制波导5的半波电压。
[0080] 步骤4 :对步骤3中得到的11组半波电压和对应的波长采用最小二乘法以多项式 拟合曲线，建立半波电压^ (V)与波长λ (μ m)的单调函数依赖关系：
[0081] νπ = 1. 1637 · λ 4-4· 5740 · λ 3+6. 2070 · λ 2-1· 0546 · λ (3)
[0082] 其中，多项式拟合曲线如图4所示。
[0083] 步骤5 :将波长为1267. 8nm的近红外激光器作为待测光源2进行光谱分析，将待 测光源2经过第一光开关10与二分支光纤4的第一光纤支4b连接；采用尾纤输出的波长 为λ = 1550. 7nm的激光器作为参考光源3,经过第二光开关11与二分支光纤4的第二 光纤枝4c连接；二分支光纤4的主光纤枝4a与银酸锂电光调制波导5的光输入端口光连 接；铌酸锂电光调制波导5的光输出端口与光电探测器7光连接；信号控制与处理模块9分 别与铌酸锂电光调制波导5的调制电极、第一光开关10和第二光开关11的控制端、光电探 测器7输出端电连接；如图3B所示。通过交替开启、关闭第一光开关10和第二光开关11， 并使其处于不同状态，可以使待测光源2光信号和参考光源3光信号交替耦合进入铌酸锂 电光调制波导5。
[0084] 本实施例中可以采用另外一种等效结构实现这一效果：将待测光源2与二分支光 纤4的第一光纤支4b连接；参考光源3与二分支光纤4的第二光纤枝4c连接；二分支光 纤4的主光纤枝4a与铌酸锂电光调制波导5的光输入端口光连接；铌酸锂电光调制波导5 的光输出端口与光电探测器7光连接；信号控制与处理模块9分别与铌酸锂电光调制波导 5的调制电极、待测光源2电源和参考光源3电源、光电探测器7输出端电连接；如图3C所 示。通过信号控制与处理模块9控制待测光源2和参考光源3,使二者交替工作，即可使待 测光源2光信号和参考光源3光信号交替耦合进入铌酸锂电光调制波导5。
[0085] 步骤6 :利用信号控制与处理模块9分时开启或关闭第一光开关10和第二光开关 11，使二者在同一时间处于不同状态，开关切换频率为0. 1Hz。在铌酸锂电光调制波导5调 制电极上施加周期变化的三角波调制电压（幅度为-60V-60V，频率为10Hz)，信号控制与处 理模块9以20000Hz的米样频率对光电探测器7的输出电信号、第一光开关10和第二光开 关11状态及调制电压同步同频采样。
[0086] 步骤7 :在第二光开关11开启时段内，由铌酸锂电光调制波导5输出光信号随调 制电压变化的关系，得到该时刻下铌酸锂电光调制波导5在λ Μ?= 1550. 7nm下的半波电 压 V"ef = 2. 9601V。
[0087] 步骤8 :由步骤7中得到的λΜ?= 1550. 7nm下铌酸锂电光调制波导5的半波电压 = 2. 9601V，对步骤4中建立的半波电压与波长的函数依赖关系进行修正，修正后的半 波电压与波长的单调函数依赖关系为：
[0088] νπ = 1. 1624 · λ 4-4· 5687 · λ 3+6. 1998 · λ 2-1· 0534 · λ (4)
[0089] 步骤9 :在步骤7所述第二光开关11开启时段后的第一个第一光开关10开启时 段内，设定调制电压的上升沿作为分析区域，得到铌酸锂电光调制波导5的输出光信号随 调制电压变化的干涉图谱，如图5所示。
[0090] 步骤10 :由信号控制与处理模块9对步骤9中得到的铌酸锂电光调制波导5的输 出光信号随调制电压变化的干涉图谱进行离散傅立叶变换。同时，为消除入射光功率随半 波电压的分布曲线中的旁瓣噪声，采用高斯窗函数对上述干涉图谱进行切趾处理，得到待 测光源2入射光功率随半波电压的分布曲线，如图6所示。
[0091] 步骤11 :采用步骤8中得到的修正后的半波电压与波长的单调函数依赖关系，将 步骤10中得到的待测光源2入射光功率随半波电压的分布曲线，转换为待测光源2的发射 光谱，如图7所示。可以看出，光谱峰值出现在1267. 9nm波长处，与所用激光器波长非常吻 合。
[0092] 为进一步说明本发明中引入参考光源3带来的有益效果，本实施例分别采用波长 为1347. 7nm和1608. 3nm的激光器作为待测光源2。图8A给出了在未采用参考光源3对半 波电压与波长的函数依赖关系进行修正的情况下分别获得的待测光源2发射光谱。可以看 出，光谱峰值分别出现在1342. 3nm和1601. 9nm波长处，与所用激光器波长存在一定误差。 图8B为采用本发明方法，使用参考光源3对半波电压与波长的函数依赖关系进行修正后， 得到的待测光源2发射光谱。可以看出，光谱峰值分别出现在1347. 8nm和1607. 9nm波长 处，与所用激光器波长均十分吻合，说明本发明发法可以有效消除半波电压波动带来的影 响，从而提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量精度。
[0093] 至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员 应当对本发明提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量精度的方法有了清楚的认识。 [0094] 此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形 状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
[0095] 综上所述，本发明通过采用参考光源3,消除了铌酸锂电光调制波导5半波电压波 动带来的影响，有效提高了基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量方法的测量精度，这 种提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量精度的方法可应用于长时间范围内的实 时连续光谱分析。
[〇〇96] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【权利要求】
1. 一种提高基于电光调制波导的傅立叶变换光谱测量精度的方法，其特征在于，包 括： 步骤A :利用多种已知波长的单色光源测量电光调制波导在不同波长下的半波电压 νπ，得到该电光调制波导的半波电压与波长λ的单调函数依赖关系=f(X); 步骤Β :利用一窄线宽激光器作为参考光源，其发射波长称为参考波长λΜ?，测量电光 调制波导在该参考波长λ 下的半波电压，利用测得的半波电压对半波电压νπ 与波长λ的函数依赖关系^ = f( λ)进行修正，修正后的半波电压与波长的单调函数依 赖关系为：= t( λ ); 步骤C:测量待测光源光信号对应的电光调制波导输出光强随调制电压变化的干涉图 谱I (U)，通过离散傅立叶变换方法由该干涉图谱得到待测光源入射光功率随半波电压的分 布曲线B' (〇;以及 步骤D :利用修正后的半波电压与波长的函数依赖关系νπ = ?；( λ )，将待测光源入射 光功率随半波电压的分布曲线Β' (〇,转换为待测光源入射光功率随波长的分布曲线 Β ( λ )，该Β ( λ )即为测量得到的待测光源的发射光谱。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤Α包括： 子步骤A1 :将单色光源与电光调制波导的光输入端口光连接，电光调制波导的光输出 端口与光电探测器光连接；信号控制与处理模块分别与电光调制波导的调制电极和光电探 测器输出端电连接； 子步骤A2:通过信号控制与处理模块给电光调制波导施加调制电压，并同步测量该调 制电压及光电探测器的输出信号，由光电探测器输出信号随调制电压的变化得到单色光源 波长下电光调制波导的半波电压; 子步骤A3 :利用多种已知波长的单色光源重复执行子步骤Α2,测量电光调制波导在不 同波长下的半波电压;以及 子步骤Α4 :根据不同波长下电光调制波导半波电压的测量结果，建立半波电压^与波 长λ的单调函数依赖关系= f (λ)。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在子步骤A3中，单色光源的数目不少于3 个，每个单色光源的谱线宽度小于lnm ; 这些单色光源的发射波长位于电光调制波导的单模工作波长区间内，并且覆盖电光调 制波导的整个单模工作波长区间。
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在子步骤A4中，利用线性函数、多项式函 数或指数函数对测得的电光调制波导半波电压随波长的变化曲线进行拟合，在给定的光谱 区间内建立电光调制波导半波电压与波长的单调函数依赖关系= f(A)。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤Β包括： 子步骤Β1 :将待测光源经过第一光开关与二分支光纤的第一光纤支连接，已知波长为 入的参考光源经过第二光开关与二分支光纤的第二光纤枝连接，二分支光纤的主光纤枝 与电光调制波导的光输入端口光连接；电光调制波导的光输出端口与光电探测器光连接； 信号控制与处理模块分别与电光调制波导的调制电极、第一光开关的控制端、第二光开关 的控制端、光电探测器输出端电连接；或 将待测光源与二分支光纤的第一光纤支连接，已知波长为λ 的参考光源与二分支光 纤的第二光纤枝连接，二分支光纤的主光纤枝与电光调制波导的光输入端口光连接；电光 调制波导的光输出端口与光电探测器光连接；信号控制与处理模块分别与电光调制波导的 调制电极、待测光源电源端口、参考光源电源端口、光电探测器输出端电连接； 子步骤B2:利用信号控制与处理模块分时开启或关闭第一光开关和第二光开关，使二 者在同一时间处于不同状态；或电控制待测光源和参考光源，使二者同一时间处于不同开 关状态，将待测光源光信号或参考光源光信号耦合进入电光调制波导，然后利用信号控制 与处理模块给电光调制波导施加调制电压，并同步同频记录光电探测器的输出信号和调制 电压，获取分别对应于待测光源光信号和参考光源光信号的随调制电压变化的干涉图谱； 子步骤B3 :由在参考光源光信号耦合进入电光调制波导的时段内测得的随调制电压 变化的干涉图谱得到参考光源波长λ 下电光调制波导的半波电压V，根据该半波电压 V"ef，对半波电压与波长的单调函数依赖关系νπ = ?·(λ)进行修正，修正后的函数依赖关 系为=?；(λ) = [V"ef/f(AMf)]fU)，修正后的函数关系用于获得该时段前或后待 测光源光信号耦合进入电光调制波导的时段中待测光源的发射光谱。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤Β包括： 子步骤Β1 :将待测光源与二分支光纤的第一光纤枝连接，已知波长为λ 的参考光 源与二分支光纤的第二光纤枝连接，二分支光纤的主光纤枝与电光调制波导的光输入端口 光连接；电光调制波导的光输出端口与窄带滤波器的信号输入端光连接，窄带滤波器的带 通信号输出端与第一光电探测器光连接，带阻信号输出端与第二光电探测器光连接；信号 控制与处理模块分别与电光调制波导的调制电极和第一光电探测器输出端、第二光电探测 器输出端电连接；其中，窄带滤波器的滤波窗口应在参考光源波长位置，带通信号输出端输 出波长与参考光源波长相同的光信号，带阻信号输出端输出不含参考光源波长成分的光信 号； 子步骤B2 :将待测光源光信号和参考光源光信号同时耦合进入电光调制波导，利用信 号控制与处理模块给电光调制波导施加调制电压，并利用信号控制与处理模块同步同频记 录调制电压和第一光电探测器、第二光电探测器的输出信号，获取分别对应于待测光源光 信号和参考光源光信号的随调制电压变化的干涉图谱； 子步骤B3 :由根据第一光电探测器输出信号测得的随调制电压变化的干涉图谱得到 参考光源波长λ 下电光调制波导的半波电压，根据该半波电压，对半波电压与波 长的单调函数依赖关系= f (λ )进行修正，修正后的函数依赖关系为：νπ = ?；(λ )= [V"ef/f(Aref)]f(A)0
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述参考光源波长位于电光调制波导的 单模工作波长区间内，并位于待测光源的光谱测量波长区间外。
8. 根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在子步骤B2中，调制电压在一个测量 周期内随时间单调变化，电压幅值低于电光调制波导的击穿电压； 信号控制与处理模块的采样频率大于电光调制波导输出光信号变化频率的2倍。
9. 根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述待测光源的发射光谱为 以下光谱中的一种： 发光体的发射光谱； 溶液和气体的荧光光谱； 各种物质的透射光谱和散射光谱。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述电光调制波导为铌酸 锂电光调制波导。
【文档编号】G01J3/28GK104048758SQ201410321916
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】祁志美, 李金洋, 逯丹凤 申请人:中国科学院电子学研究所