一種光纖通信用高分辨率光柵光譜儀結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光纖通信光譜分析領域，涉及光學元件，系統，具體涉及一種高分辨率光柵光譜儀的單色器光路和波長定位機構。
【背景技術】
[0002]光纖通信光譜分析領域要求光譜儀具有光纖輸入，探測波長覆蓋光纖通信頻段，波長分辨率高等特點。同時在光纖通信逐漸普及的今天，還需要便攜可靠，成本適宜的光譜儀產品，所以對光譜儀的設計，特別是單色器光路設計和波長精確定位機構的設計提出了更高的要求。
[0003]目前國際上領先的光纖通信用光譜儀，多采用光束多次通過同一塊光柵的多通光路技術來提高波長分辨率和降低成本，如美國專利:US 6636306B2, US 5233405的雙通光路，以及美國專利:US 6177992 BI，US 5886785的4通光路設計等。雙通光路在光纖通信波段所能達到的光譜分辨率為0.05nm級別，已經不能適應需求，而4通光路雖然分辨率可以達0.02nm級別，但是器件繁多，光路復雜，調試困難，所以成本高企，不能適應低成本化需求。
[0004]另外，傳統光譜儀波長掃描機構多為正弦機構，或者凸輪機構，這些掃描機構機械器件復雜，安裝困難，而且掃描速度緩慢，可靠性低。某國外企業開發的電機與旋轉編碼器組成直接驅動機構，雖然可以克服上述缺點，但是為達到所標稱的波長精度，波長定標所用的旋轉編碼器必須選用高輸出數的正弦編碼器，還需掌握正弦信號超高細分算法或電路設計，例如該企業就采用的1024線/轉正弦編碼器和1024細分每線的細分技術，這些技術掌握在少數國際大公司手中，國內掌握極少，而且成本非常高昂，阻礙了高分辨率光譜的發展與普及。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是:研制光路結構簡單的4通高分辨率光譜儀單色器光路，以及快速精確可靠的波長掃描定位機構，同時要滿足低成本化，易于生產的要求。
[0006]本發明技術方案
[0007]本發明包括:光纖陣列(I)，準直透鏡(2)，光柵(3)，直角棱鏡(4)，棱鏡支架(5)，電動機￠)，光柵標尺(7)，光柵尺讀數頭(8)和平面反射鏡(9);
[0008]所述光纖陣列(I)為單模光纖陣列，光纖陣列(I)的兩個光纖端面分別作為光譜儀的出射與入射狹縫，要求這兩個光纖端面位于準直透鏡(2)的焦平面上，兩個光纖端面中心連線的中點位于準直透鏡(2)的焦點，如附圖3所示；
[0009]所述準直透鏡⑵將光纖陣列⑴的出射狹縫出射的發散光準直為平行光，并將經過4次衍射返回的單色平行光聚焦到入射狹縫上；
[0010]所述光柵(3)用于衍射分光，光柵表面法線與經準直透鏡(2)準直的平行光呈70-80°夾角，稱為光柵入射角，不同波長衍射光的衍射角不同，實現分光功能；
[0011]所述直角棱鏡(4)用于反射平行光束，實現多次衍射。光柵(3)第一次衍射光中垂直于直角棱鏡(4)表面入射的平行光的波長是被掃描到的波長，在直角棱鏡(4)旋轉過程中，所有波長的光依次垂直入射到直角棱鏡(4)表面，實現光譜儀的波長掃描功能；
[0012]所述棱鏡支架(5)是直角棱鏡(4)和光柵標尺(7)的安裝機構，直角棱鏡(4)固定在棱鏡支架(5) —端，光柵標尺(7)粘到棱鏡支架(5)另一圓弧形端面上；
[0013]所述電動機￠)的轉軸與棱鏡支架固定連接，作用是旋轉棱鏡支架(5)，使直角棱鏡(4)旋轉起來掃描光譜。棱鏡支架(5)的旋轉中心為電動機￠)的轉軸中心，也是棱鏡支架(5)的圓弧形端面的圓心。
[0014]所述光柵尺讀數頭(8)固定在棱鏡支架(5)的圓弧形端面旋轉圓周外，距圓周0.5-lmm，光柵標尺(7)粘在棱鏡支架(5)圓弧形端面上，當棱鏡支架(5)旋轉，使光柵標尺
(7)接近光柵尺讀數頭(8)的探測面，產生切向位移時，光柵尺讀數頭(8)產生脈沖，該脈沖與直角棱鏡(4)的旋轉角度增量嚴格對應，用于波長的標定。
[0015]如圖4所示，直角棱鏡(4)在設計波長范圍內選光時，光柵讀數頭⑶的探測面都要與光柵標尺(7)產生切向位移，這樣波長掃描時均有波長定位脈沖產生。當直角棱鏡(4)旋轉出光柵(3)的波長衍射區域時，光柵讀數頭(8)不需要能夠探測到光柵標尺(7)。
[0016]所述平面反射鏡(9)將2次衍射后的平行光反射回去，實現第3和第4次衍射。前文所述光纖陣列(I)的兩個光纖端面位于準直透鏡(2)焦點兩側且連線中心為焦點，根據幾何光學原理，光纖陣列(I)的出射狹縫經過準直透鏡(2)和平面反射鏡(9)組成的光學系統，必然成像于光纖陣列(I)的入射狹縫，如附圖3所示。即使在準直透鏡(2)和平面反射鏡(9)之間加入光柵(3)和直角棱鏡(4)進行了分光和光束平移、反射，也不會影響該成像過程，這也就是平面反射鏡(9)能夠將光束反射回入射狹縫的原理。
[0017]高分辨率光柵光譜儀，工作過程包括以下幾步:
[0018]第I步:待測光信號接入光纖陣列⑴的出射光纖，從出射光纖端面，即出射狹縫出射到準直透鏡(2)，準直透鏡(2)將待測光信號準直為平行入射光傾斜照射到光柵(3)上，形成第I次光柵衍射分光；
[0019]第2步:第I次衍射后，不同波長光以不同衍射角衍射，形成單色平行光，當某一波長光垂直照射到直角棱鏡⑷時，被直角棱鏡⑷向上平移并反射回光柵(3)，形成第2次衍射，如圖2所示。該波長第2次衍射的入射角等于第I次衍射的衍射角，因此第2次衍射的衍射角等于第I次衍射的入射角；
[0020]第3步:經過第2次衍射的平行光照射到平面反射鏡(9)上，平面反射鏡(9)將入射光再反射回光柵上，形成第3次衍射，這次衍射的入射角和衍射角與第I次衍射完全相同；
[0021]第4步:經過第3次衍射的平行光再次垂直照射到直角棱鏡(4)上，被直角棱鏡
(4)向下平移并再次反射回光柵(3)，形成第4次衍射，這次衍射的入射角等于第一次衍射的衍射角，因此衍射角等于第一次衍射的入射角，而且經過這次平移，平行光又回到了準直透鏡(2)所在平面，所以這次衍射的平行光將射向準直透鏡(2);
[0022]第5步:經過4次衍射的平行光照射到準直透鏡(2)上，被準直透鏡(2)聚焦到入射光纖陣列(I)的入射狹縫上，即完成單色器工作過程。
[0023]第6步:第2步提到垂直照射到直角棱鏡(4)的那一個波長的平行光才會重新聚焦到入射狹縫上，非垂直的光束不能進入入射狹縫。所以當電動機￠)帶動棱鏡支架(5)旋轉時，與直角棱鏡(4)垂直的波長不斷變化，單色器選出的單色光也發生變化，這就完成光譜儀的波長掃描過程；
[0024]第7步:直角棱鏡(4)旋轉選光時，光柵尺讀數頭(8)的探測面與光柵標尺(7)有切向相對位移，每位移一個微小距離，即棱鏡支架(5)轉過一個微小角度，光柵尺讀數頭
(8)產生一個電脈沖。該脈沖與直角棱鏡(4)轉過的角度增量嚴格對應，可用于對波長的精確標定。
[0025]本發明的優點和有益效果:
[0026]1.采用單模光纖陣列作為出射與入射狹縫；采用一個準直透鏡作為光束準直與聚焦元件；采用平面鏡作為高次衍射的反射元件；采用直角棱鏡作為掃描與反射元件。在滿足高分辨率指標的同時，器件功能復用率高，光路整體集成度高，成熟可靠，達到了設計要求；
[0027]2.使用平面反射鏡和直角棱鏡組合實現4次衍射和波長掃描，是本發明的重要特占.V，
[0028]3.棱鏡支架，電動機，開放式光柵標尺及其讀數頭組成的波長掃描定標系統，是本發明的重要特點。使用市售一般性能光柵尺產品就可以滿足波長定標要求，規避了昂貴的編碼器產品和復雜的細分技術。另外，該設計可使光柵標尺長度較短，也減低了成本。
[0029]總體來說，本發明達到了高分辨率光譜儀對光譜分辨率和高精度波長定標的要求，且器件少，復用性高，易于安裝調試，成本低，特別適用于規模化生產的小型光纖通信用光譜儀，這對于光譜儀的普及和光纖通信事業的發展都具有積極的意義。
【附圖說明】
:
[0030]圖1是光纖通信用高分辨率光柵光譜儀光路結構側視圖。
[0031]圖2是光纖通信用高分辨率光柵光譜儀光路結構俯視圖。
[0032]圖3是光纖陣列出射與入射光路示意圖。
[0033]圖4是光柵尺讀數頭與光柵標尺相對位移示意圖。
[0034]圖5 ZEMAX出射狹縫面點列圖。
[0035]圖6是單色器光路實測取樣光譜圖。
【具體實施方式】
[0036]如圖1、圖2所示，本發明提供的光纖通信用高分辨率光柵光譜儀結構，包括:光纖陣列(I)，準直透鏡(2)，光柵(3)，直角棱鏡(4)，棱鏡支架(5)，電動機(6)，光柵標尺(7)，光柵尺讀數頭(8)和平面