一种激光多波长测量装置及测量方法与流程

本发明涉及激光测量，具体涉及一种激光多波长测量装置及测量方法。

背景技术：

1、“cn112857592.a一种紧凑型激光波长测量装置及其测量方法”中提出了一种用于wdm系统和器件测试使用的激光单波长测量装置。然而，在wdm系统中往往同时传输多个波长激光，相关激光器生产和检测过程中也会出现多波长输出的情况。

2、fizeau干涉波长计具有无运动结构、测量速度快、结构紧凑等优势，但其产生干涉条纹的工作原理与f-p标准具类似，所以当入射干涉腔的多束激光波长差值恰与干涉腔自由光谱范围相近时，受限于光学系统和探测器的空间分辨率，无法对多波长区分。专利“cn109489837.a一种基于光学干涉仪的多波长计”和“cn115077728.b一种多波长检测方法、装置、系统”分别讨论了测量多波长的类似方法，但均未能解决上述问题，会将间隔等于干涉腔自由光谱范围的多波长输入伪分辨为单一波长。专利“cn114942081.b一种光波长测量方法及系统”通过单色仪合并干涉腔的方法理论上可实现多波长测量功能，但为实现宽光谱范围的测量，系统需包含扫描运动结构，破坏了fizeau干涉波长计的稳定性，且波长扫描过程中输出狭缝处的光束指向性影响了入射干涉腔的光束角度，使得探测器获得的相位图与波长之间不具有一一对应的关系，所以该测量方法在激光多波长测量中不具备实用性。

3、商用激光波长计采用的另一种构型是基于michealson干涉仪的多波长计。该类型多波长计通过时间分辨的fourier变换方式可以测量多波长输入光束，在测量范围内不会出现上述因元件自由光谱范围引入的周期性伪分辨。但受限于其扫描的时间分辨率，无法区分两束波长差值很小的激光，以目前最先进的日本横河aq6151b为例，存在5ghz(1550nm处约40pm)内无法多波长分辨的盲区。

技术实现思路

1、技术目的：针对上述现有激光波长测量无法对波长差值相近的激光进行准确波长测量的不足，本发明公开了一种基于干涉-衍射相结合，能够对宽波段内多波长输入进行高精度测量的激光多波长测量装置及测量方法。

2、技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种激光多波长测量装置，包括用于对待测激光束进行滤波处理去除噪声的空间滤波器，用于对空间滤波器滤波处理后的激光束进行准直为平行光束的准直镜组，用于接收平行光束进行干涉处理形成干涉条纹的干涉腔，用于对干涉条纹进行色散处理的色散元件，以及用于将色散元件的色散光束聚焦至光电探测器的聚焦元件，通过光电探测器接收待测激光束聚焦后的图像并根据图像获取待测激光光束的波长成分。

4、优选地，本发明的干涉腔包括与平行光束相垂直的前表面以及与前表面之间形成楔角的后表面，在前表面和后面上均镀有分光膜，平行光束从前表面进入干涉腔后，在前表面和后表面之间反射、透射，从后表面出射光束沿干涉腔楔角方向形成干涉条纹。

5、优选地，本发明的色散元件采用衍射光栅，衍射光栅的刻线方向与干涉腔的楔角方向平行。

6、优选地，本发明的聚焦元件为一维聚焦元件，采用柱面镜，聚焦方向与干涉腔的楔角方向相垂直，光电探测器设置在聚焦元件的后焦面上。

7、优选地，本发明的光电探测器采用面阵探测器，所述面阵探测器的自由光谱范围：fsrinf≥δλ，其中δλ为面阵探测器沿垂直于衍射光栅刻线方向像素所对应的波长范围，f为聚焦元件的焦距，l为衍射光栅的线对数，θ为衍射光栅衍射光与垂直于衍射光栅方向的夹角，m为使用的光栅级次。

8、优选地，本发明的色散元件和聚焦元件在光电探测器上的色散方向分辨率小于干涉腔的自由光谱范围。

9、优选地，本发明的空间滤波器包括用于进行待测激光光束聚焦耦合的物镜，以及位于物镜出射端的滤波小孔，使通过滤波小孔出射的光束横模为高斯基横模。

10、优选地，本发明的准直镜组为消球差、消色差镜头，采用离轴抛物面反射镜，波像差小于λ，λ为装置波长测量范围内的最小波长值。

11、本发明还提供一种激光多波长测量方法，使用上述的激光多波长测量装置，包括步骤：将待测激光束滤波处理去除噪声，并准直为平行光束，对平行光束进行干涉处理形成干涉条纹，干涉条纹经色散元件色散后聚焦至光电探测器上，通过光电探测器检测的干涉条纹分布计算波长值。

12、有益效果：本发明所提供的一种激光多波长测量装置及测量方法具有如下有益效果：

13、1、本发明通过色散元件将待测光在宽带光谱范围内分离成多个小于干涉腔自由光谱范围的信号，测量多波长激光输入，避免了干涉腔因周期重叠而不可区分波长，从而可以在色散后通过聚焦元件聚焦至光电探测器上，从而实现对激光波长的准确测量。

14、2、本发明通过干涉腔在窄带光谱范围内测量多波长激光输入，最小可分辨波长间隔很小，测量分辨率相较传统单色散器件的波长测量装置提高数十倍。

15、3、本发明的检测装置不含有运动结构，所有元件固定安装，整体结构紧凑、测量稳定性高。

16、4、本发明的光电探测器使用面阵探测器，并且面阵探测器自由光布范围大于沿垂直与衍射光栅刻线方向对应的波长范围，使得不同波长产生的条纹在面阵探测器上不会产生重叠，从而对多波长激光束进行检测。

技术特征：

1.一种激光多波长测量装置，其特征在于，包括用于对待测激光束进行滤波处理去除噪声的空间滤波器(1)，用于对空间滤波器(1)滤波处理后的激光束进行准直为平行光束的准直镜组(2)，用于接收平行光束进行干涉处理形成干涉条纹的干涉腔(3)，用于对干涉条纹进行色散处理的色散元件(4)，以及用于将色散元件(4)的色散光束聚焦至光电探测器(5)的聚焦元件(6)，通过光电探测器(5)接收待测激光束聚焦后的图像并根据图像获取待测激光光束的波长成分。

2.根据权利要求1所述的一种激光多波长测量装置，其特征在于，所述干涉腔(3)包括与平行光束相垂直的前表面以及与前表面之间形成楔角的后表面，在前表面和后面上均镀有分光膜，平行光束从前表面进入干涉腔(3)后，在前表面和后表面之间反射、透射，从后表面出射光束沿干涉腔(3)楔角方向形成干涉条纹。

3.根据权利要求2所述的一种激光多波长测量装置，其特征在于，所述色散元件(4)采用衍射光栅，衍射光栅的刻线方向与干涉腔的楔角方向平行。

4.根据权利要求3所述的一种激光多波长测量装置，其特征在于，所述聚焦元件(6)为一维聚焦元件，采用柱面镜，聚焦方向与干涉腔的楔角方向相垂直，光电探测器(5)设置在聚焦元件(6)的后焦面上。

5.根据权利要求3所述的一种激光多波长测量装置，其特征在于，所述光电探测器(5)采用面阵探测器，所述面阵探测器的自由光谱范围：fsrinf≥δλ，其中δλ为面阵探测器沿垂直于衍射光栅刻线方向像素所对应的波长范围，f为聚焦元件的焦距，l为衍射光栅的线对数，θ为衍射光栅衍射光与垂直于衍射光栅方向的夹角，m为使用的光栅级次。

6.根据权利要求1所述的一种激光多波长测量装置，其特征在于，所述色散元件(4)和聚焦元件(6)在光电探测器(5)上的色散方向分辨率小于干涉腔(3)的自由光谱范围。

7.根据权利要求1所述的一种激光多波长测量装置，其特征在于，所述空间滤波器(1)包括用于进行待测激光光束聚焦耦合的物镜(7)，以及位于物镜(7)出射端的滤波小孔(8)，使通过滤波小孔(8)出射的光束横模为高斯基横模。

8.根据权利要求1所述的一种激光多波长测量装置，其特征在于，所述准直镜组(2)为消球差、消色差镜头，采用离轴抛物面反射镜，波像差小于λ，λ为装置波长测量范围内的最小波长值。

9.一种激光多波长测量方法，使用权利要求1-8任一所述的激光多波长测量装置，其特征在于，包括步骤：将待测激光束滤波处理去除噪声，并准直为平行光束，对平行光束进行干涉处理形成干涉条纹，干涉条纹经色散元件色散后聚焦至光电探测器上，通过光电探测器检测的干涉条纹分布计算波长值。

技术总结
本发明公开了一种激光多波长测量装置及测量方法，测量装置包括用于对待测激光束进行滤波处理去除噪声的空间滤波器，用于对空间滤波器滤波处理后的激光束进行准直为平行光束的准直镜组，用于接收平行光束进行干涉处理形成干涉条纹的干涉腔，用于对干涉条纹进行色散处理的色散元件，以及用于将色散元件的色散光束聚焦至光电探测器的聚焦元件，通过光电探测器接收待测激光束聚焦后的图像并根据图像获取待测激光光束的波长成分；本发明对于激光波长的测量，基于干涉‑衍射相结合，能够对宽波段内多波长输入进行高精度测量。

技术研发人员：陈宽,李建楠,丁文,顾长青
受保护的技术使用者：南京中科神光科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24