一种针对超连续光源的光谱分束测量方法及装置制造方法
【专利摘要】一种针对超连续光源的光谱分束测量方法及装置，使用三个光纤准直器和一个长波通滤光片或短波通滤光片，超连续光源通过尾纤输出的超连续光谱通过一个光纤准直器被准直，进而入射至长波通滤光片或短波通滤光片上，根据长波通滤光片或短波通滤光片的截止波长分为长波和短波两个部分被长波通滤光片或短波通滤光片透射或反射，透射或反射出的两路光再分别各经过一个光纤准直器耦合入待测物中，再分别采用对应量程的两个光谱仪同时分别测量待测物的透射光谱。本发明实现了在超连续光源整个光谱范围内同时使用光栅光谱仪进行超宽带无缝测量。本发明的装置不需要在每次测量之前调节光路更换不同的窄带滤光片，既省时省力，降低了成本，又增加了装置的稳定性和可靠性。
【专利说明】一种针对超连续光源的光谱分束测量方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光谱分束测量方法及装置。特别是涉及一种利用体光学器件将超 连续光谱长短波成分进行分束以便于在整个光谱范围内同时进行测量的针对超连续光源 的光谱分束测量方法及装置。
【背景技术】
[0002] 光脉冲在非线性介质中的传输过程，不仅受到诸如自相位调制（SPM)、交叉相位调 制（XPM)、四波混频（FWM)、受激喇曼散射（SRS)和受激布里渊散射（SBS)等多种非线性效 应的影响，也受到介质色散特性的影响。在非线性效应与色散的共同作用下，新的频率分量 得以产生。对于足够强的脉冲，其光谱能够被展宽数百纳米以上，这种现象称之为超连续光 谱的产生。
[0003] 超连续光源能输出超宽光谱激光，其在生物、医学、物理、国防和工业等对低相干 光源或光谱分析有高要求的领域上有着重要的应用。在光谱分析应用中，由于超连续光源 能够输出超过一个甚至数个倍频程的极宽光谱，所以一台超连续光源就可以替代之前数个 不同波段的窄带光源，大大简化了系统光源的复杂度。
[0004] 然而，从光谱测量方面来看，现阶段主要使用的设备是光栅光谱仪。相对于超连续 光源的光谱带宽来说，光栅光谱仪的量程十分有限，一般为一个倍频程左右，比如：两种常 用光栅光谱仪的量程分别为600-1700nm和1200-2400nm。特别是接近于中红外区的2微米 波段，市场上几乎只有量程为1200-2400nm这一种光谱仪可供选择。
[0005] 根据光栅方程sing-sin必=/W/(/TA)可知，长波长光信号的低级次衍射将与短 波长光信号的相应高级次衍射完全重合，无法分开。例如：波长为2100nm的光入射进光 栅光谱仪中，其一级衍射会与波长为1050nm光的二级衍射、波长为700nm光的三级衍射以 及以此类推更短波长的更高级次衍射光完全重合。其后果是即使实际上并没有2100nm的 光进入光谱仪而仅有上述提及的短波长光进入到光谱仪中，光谱仪也会显示测得了波长为 2100nm的光信号，从而导致测量误差。
[0006] 更进一步地，现有超连续光源大多使用工作在1微米波段的掺镱光纤锁模激光器 作为种子光源，经放大后泵浦非线性光纤产生超连续光谱。这使得超连续光谱的短波部分 尤其是1微米波段的光强强于长波部分。加之超连续光谱的短波部分已明显短于光谱仪量 程的短波限1200nm。最终的结果是在较强的1微米波段光信号以及光谱仪的超量程使用这 二者共同作用下，测量结果的长波部分，尤其是在2微米波段，上述测量误差被进一步加剧 了。
[0007] 目前，在应用超连续光源进行光谱分析应用时，解决上述问题的主要方法是根据 应用的波段采用相应的窄带滤光片滤出相应的光谱成分。然而，这种方法的劣势也是显而 易见的。一方面，处于窄带滤光片截止带内的光谱成分将被完全损耗掉，不能应用。这不仅 极大浪费了超连续光源的光谱宽度，也削弱了其较传统窄带光源而言的优势。另一方面，为 了满足超宽带测量的需求，上述方案必定需要数个窄带滤光片，不仅增加了装置的成本，而 且每次更换窄带滤光片都需要重新调节光路，费时费力。
[0008] 例如：在利用超连续光源测量光纤光栅的应用中，如果有中心波长分别为1.5微 米和2微米左右的两根光纤光栅需要测量。按照上述解决方案需要准备中心波长分别为 1. 5微米和2微米的两个窄带滤光片分两次测量，且每次测量前都需要重新调整光路。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够充分利用超连续光源全部波段进行 实时测量、不需要在每次测量之前调节光路更换不同的窄带滤光片，并且能够增加装置的 稳定性和可靠性的针对超连续光源的光谱分束测量方法及装置。
[0010] 本发明所采用的技术方案是：一种针对超连续光源的光谱分束测量方法，使用三 个光纤准直器和一个长波通滤光片或短波通滤光片，超连续光源通过尾纤输出的超连续光 谱通过一个光纤准直器被准直，进而入射至长波通滤光片或短波通滤光片上，根据长波通 滤光片或短波通滤光片的截止波长分为长波和短波两个部分被长波通滤光片或短波通滤 光片透射或反射，透射或反射出的两路光再分别各经过一个光纤准直器耦合入待测物中， 再分别采用对应量程的两个光谱仪同时分别测量待测物的透射光谱。
[0011] 所述长波通滤光片或短波通滤光片的截止波长大于测量长波部分光谱所用光谱 仪的量程短波限。
[0012] 一种用于针对超连续光源的光谱分束测量方法的装置，包括有第一光纤准直器、 第二光纤准直器、第三光纤准直器和长波通滤光片或短波通滤光片，所述的第一光纤准直 器的光入射端通过光纤连接超连续光源，所述长波通滤光片或短波通滤光片设置在所述第 一光纤准直器的输出光路上，所述第二光纤准直器设置在所述长波通滤光片或短波通滤光 片的反射光路上，所述第三光纤准直器设置在所述长波通滤光片或短波通滤光片的透射光 路上，所述的第二光纤准直器的光输出端连接第一待测物，所述的第三光纤准直器的光输 出端连接第二待测物，所述第一待测物的光输出端连接第一光谱仪，所述第二待测物的光 输出端连接第二光谱仪。
[0013] 所述长波通滤光片或短波通滤光片的截止波长大于分别使用长波通滤光片或短 波通滤光片时用于测量长波部分光谱的第二光谱仪或第一光谱仪的量程短波限。
[0014] 本发明的一种针对超连续光源的光谱分束测量方法及装置，不仅充分利用了超连 续光源的整个光谱带宽，使得同时测量不同波段待测物的光谱成为可能；实现了在超连续 光源整个光谱范围内同时使用光栅光谱仪进行超宽带无缝测量。使用本发明的装置也不需 要在每次测量之前调节光路更换不同的窄带滤光片，既省时省力，降低了成本，又增加了装 置的稳定性和可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是本发明的整体结构示意图；
[0016] 图2为第一光谱仪对1. 5微米波段的第一待测光纤光栅测量得到的结果；
[0017] 图3为第二光谱仪对2微米波段的第二待测光纤光栅测量得到的结果。
[0018] 图中
[0019] 1:第一光纤准直器2:第二光纤准直器
[0020] 3 :第三光纤准直器4 :长波通滤光片或短波通滤光片
[0021] 5:第一待测物 6:第二待测物
[0022] 7 :第一光谱仪 8 :第二光谱仪
[0023] 9 :超连续光源 10 :光纤
【具体实施方式】
[0024] 下面结合实施例和附图对本发明的一种针对超连续光源的光谱分束测量方法及 装置做出详细说明。
[0025] 本发明的一种针对超连续光源的光谱分束测量方法及装置，通过体光学器件将超 连续光谱分为长短波两部分分别应用，可以实现在超连续光源整个光谱范围内同时使用光 栅光谱仪进行超宽带无缝测量这一目标。
[0026] 本发明的一种针对超连续光源的光谱分束方法，是使用三个光纤准直器和一个长 波通滤光片或短波通滤光片来实现的，超连续光源通过尾纤输出的超连续光谱通过一个光 纤准直器被准直，进而入射至长波通滤光片或短波通滤光片上，根据长波通滤光片或短波 通滤光片的截止波长分为长波和短波两个部分被长波通滤光片或短波通滤光片透射或反 射，透射或反射出的两路光再分别经过一个光纤准直器耦合入待测物中，最后分别采用对 应量程的两个光谱仪同时分别测量待测物的透射光谱。其中，所述长波通滤光片或短波通 滤光片的截止波长大于测量长波部分光谱所用光谱仪的量程短波限。
[0027] 如图1所示，本发明的用于针对超连续光源的光谱分束方法的装置，包括有第一 光纤准直器1、第二光纤准直器2、第三光纤准直器3和长波通滤光片或短波通滤光片4,所 述的第一光纤准直器1的光入射端通过光纤10连接超连续光源9,所述长波通滤光片或短 波通滤光片4设置在所述第一光纤准直器1的输出光路上，并且，所述的长波通滤光片或短 波通滤光片4与所述的第一光纤准直器1的输出光路，以及长波通滤光片或短波通滤光片 4的反射光路与所述的第一光纤准直器1的输出光路根据测量需要以及滤光片特性可以设 置成一定的角度，如第一光纤准直器的输出光路以20度的入射角入射至长波通滤光片或 短波通滤光片4上，即长波通滤光片或短波通滤光片4的反射光路与所述的第一光纤准直 器1的输出光路呈40度夹角。
[0028] 所述第二光纤准直器2设置在所述长波通滤光片或短波通滤光片4的反射光路 上，所述第三光纤准直器3设置在所述长波通滤光片或短波通滤光片4的透射光路上，所述 的第二光纤准直器2的光输出端连接第一待测物5,所述的第三光纤准直器3的光输出端连 接第二待测物6,所述第一待测物5的光输出端连接第一光谱仪7,所述第二待测物6的光 输出端连接第二光谱仪8。所述长波通滤光片或短波通滤光片4的截止波长大于分别使用 长波通滤光片或短波通滤光片4时用于测量长波部分光谱的第二光谱仪8或第一光谱仪7 的量程短波限。
[0029] 本发明在具体实施例中使用的超连续光源输出光谱带宽为800_2100nm，超连续光 谱通过尾纤输出后经过反射式的第一光纤准直器变为准直光，并以20度的入射角入射至 长波通滤光片上。长波通滤光片的截止波长为1700nm，大于测量长波部分所用光栅光谱 仪量程的短波限1200nm。这样，超连续光源输出的超宽光谱将以1700nm为界分成两束， 800-1700nm的部分将被反射至第二光纤准直器中，1700-2100nm的部分将透射至第三光纤 准直器中。第二光纤准直器和第三光纤准直器分别将两束光耦合入光纤内，传输至第一待 测物和第二待测物。最后，用量程为600-1700nm和1200-2400nm的两个光谱仪分别同时测 量第一待测物和第二待测物的透射光谱，可以分别得到如图2和图3所示的结果。第一待测 物和第二待测物分别为1. 5微米和2微米波段的光纤光栅，从图中可以读出二者的中心波 长、反射率以及带宽等参数。其中的第一待测物和第二待测物可以是光纤光栅、块状晶体、 生物组织薄片等透光物体。
[0030] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例 序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0031] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、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. 一种针对超连续光源的光谱分束测量方法，其特征在于，使用三个光纤准直器和一 个长波通滤光片或短波通滤光片，超连续光源通过尾纤输出的超连续光谱通过一个光纤准 直器被准直，进而入射至长波通滤光片或短波通滤光片上，根据长波通滤光片或短波通滤 光片的截止波长分为长波和短波两个部分被长波通滤光片或短波通滤光片透射或反射，透 射或反射出的两路光再分别各经过一个光纤准直器耦合入待测物中，再分别采用对应量程 的两个光谱仪同时分别测量待测物的透射光谱。
2. 根据权利要求1所述的一种针对超连续光源的光谱分束测量方法，其特征在于，所 述长波通滤光片或短波通滤光片的截止波长大于测量长波部分光谱所用光谱仪的量程短 波限。
3. -种用于权利要求1所述针对超连续光源的光谱分束测量方法的装置，包括有第一 光纤准直器（1)、第二光纤准直器（2)、第三光纤准直器（3)和长波通滤光片或短波通滤光 片（4)，其特征在于，所述的第一光纤准直器（1)的光入射端通过光纤（10)连接超连续光 源（9)，所述长波通滤光片或短波通滤光片（4)设置在所述第一光纤准直器（1)的输出光路 上，所述第二光纤准直器（2)设置在所述长波通滤光片或短波通滤光片（4)的反射光路上， 所述第三光纤准直器（3)设置在所述长波通滤光片或短波通滤光片（4)的透射光路上，所 述的第二光纤准直器（2)的光输出端连接第一待测物（5)，所述的第三光纤准直器（3)的光 输出端连接第二待测物￠)，所述第一待测物（5)的光输出端连接第一光谱仪（7)，所述第 二待测物￠)的光输出端连接第二光谱仪（8)。
4. 根据权利要求3所述的用于针对超连续光源的光谱分束测量方法的装置，其特征在 于，所述长波通滤光片或短波通滤光片（4)的截止波长大于分别使用长波通滤光片或短波 通滤光片（4)时用于测量长波部分光谱的第二光谱仪（8)或第一光谱仪（7)的量程短波 限。
【文档编号】G01N21/01GK104237141SQ201410504608
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】刘博文, 黄昊, 宋寰宇, 胡明列, 王清月 申请人:天津大学