一種全光纖傅里葉光譜分析儀的制作方法
【專利摘要】本發明屬于光譜分析技術領域，具體涉及一種可用于各種光源光譜的精確分析與測量的全光纖傅里葉光譜分析儀。一種全光纖傅里葉光譜分析儀，包括待測光源1、連接器2、第一三端口光纖環行器3和第二三端口光纖環行器4、第一波分復用器5和第二波分復用器6、雙端口連接的光纖耦合器7、差動式光程掃描裝置8、窄帶半導體激光器9、第一差分式光電探測信號放大器10和第二差分式光電探測信號放大器11。本發明中采用了差分式光電探測信號放大器的一個輸入端采用可調衰減器，實現對光路的平衡調整，消除了直流強度信號和探測器暗電流的影響，提高了系統測量的動態范圍，同時增強了干涉信號的強度，也進一步提高了系統的信噪比。
【專利說明】
-種全光纖傅里葉光譜分析儀
技術領域
[0001] 本發明屬于光譜分析技術領域，具體設及一種可用于各種光源光譜的精確分析與 測量的全光纖傅里葉光譜分析儀。
【背景技術】
[0002] 隨著現代科技的進步和行業技術的發展，分析儀器和測試系統得到了快速發展和 應用。光譜分析儀是光學儀器家族中的重要組成員，在分析測試領域具有廣闊的應用前景 和實用價值。
[0003] 傅里葉變換光譜儀具有高通量、高分辨率、高波數精度等多種優點，是光譜分析的 強有力工具，可用于寬光譜、復雜光譜或極弱光譜的測量。傅里葉變換光譜法被廣泛用于分 子光譜學和天體物理學中的紅外光譜分析。傅里葉變換光譜儀其核屯、思想是通過計算干設 儀輸出的干設圖的傅里葉逆變換得到光譜圖，進而獲取光譜的信息。
[0004] 光譜儀根據工作原理，可W分為色散型光譜儀和干設型光譜儀，色散型光譜儀采 用棱鏡或光柵作為色散元件獲取目標光譜，具有體積小、性能穩定等優點，但是采用運種結 構的光譜儀實現高精度光譜分析和測量時，系統相對復雜，限于光柵的限制，難W實現高光 譜分辨率的測量。而干設型光譜儀采用雙光束干設的信號做傅里葉逆變換獲取光譜，具有 高分辨率、光譜范圍寬等優點。
[0005] 隨著光譜技術的發展，在生物檢測、環境監測、軍事偵察等領域，對光譜儀提出了 實時準確地獲取光譜信息的要求。為此，國內外研究者進行了大量的研究工作。1985年，美 國科學家A.D-Kersey在文南犬Sin邑Ie mode fiber Fourier trans-form spectrometer中介 紹了一種全光纖器件傅里葉變換光譜檢測裝置，反射鏡移動掃描的情況下，光譜分辨率在 820nm達到lcm-l。1990年英國倫敦帝國學院的M.A.F^ageJones在文獻0ptical-fiber Spectrum Analyzers中介紹采用保偏光纖實現了光程掃描，克服了光纖彎曲的雙折射效 應，分辨率達到〇.67cm-i。1996年Madint Selzele等人用溫度效應實現了相位調制，建立了 全光纖傅里葉變換光譜儀，從理論上分析了禪合器分束比影響，測量了激光二極管的譜線， 并且測量了面素燈的譜線。采用溫度效應實現光纖的拉伸，光譜分辨率達到4cnfi。文獻41^ fiber wavenumber and Fourier-transform spectrometer中介紹了一種基于光纖光柵的 全光纖傅里葉變換光譜檢測裝置，運種全光纖光譜檢測裝置簡單結構緊湊，但是受光纖光 柵周期的限制，光譜分辨率和測量范圍受到很大的限制。劉勇等人在文獻(光纖傅里葉變換 光譜分析裝置）中提出基于Mach-Zehnder干設儀的全光纖變換光譜儀，利用壓電陶瓷的壓 電效應來改變光程差，但伸縮纏繞在PZT環上的光纖會產生雙折射，同時由于PZT的引入也 會帶來溫度漂移，而且由于受光纖光柵周期的限制，光譜分辨率和測量范圍受到很大的限 審IJ，只適合測量相干長度比較長的譜線。
[0006] 此外，
【申請人】于2015年公開的一種寬譜光源光譜分布函數和相關函數的測量與構 造方法（中國專利:201510001556.7)主要解決了將光譜儀測得待測的寬譜光源的采集數據 進行傅里葉逆變換得到寬譜光源光譜的一種簡便的數學方法。申請號201180042065.7專利 公開發明一種用于測量樣品光伏電池中的量子效率的系統中僅是將傅里葉變換紅外光譜 儀作為系統的一部分。申請號200820071669.X實用新型專利提出一種微型傅里葉變換光譜 儀沒有采用光纖技術。申請號201420434050.6實用新型專利設及一種動鏡偏振干設傅里葉 變換成像光譜儀，掃描范圍有限。申請專利號201420347014.6實用新型專利設及一種窗掃 型傅里葉變換成像光譜儀，其掃描范圍也非常有限。
[0007] 全光纖系統比其他常規的系統具有不可比擬的優越性，如靈敏度高、抗電磁干擾、 耐腐蝕、結構簡單、體積小、重量輕等優點。成為近=十年來國際光纖領域研究和應用的熱 點和重點。本發明所提出的全光纖傅里葉光譜分析儀，不但具備全光纖器件的優點，而且克 服了在先技術上的不足，為光源光譜測量提供了一種技術先進的解決方案，可廣泛用于各 種光譜測量與高精度光譜分析領域。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的在于提供一種掃描范圍大、精度高的全光纖傅里葉光譜分析儀。
[0009] 本發明的目的是運樣實現的：
[0010] -種全光纖傅里葉光譜分析儀，包括待測光源1、連接器2、第一=端口光纖環行器 3和第二=端口光纖環行器4、第一波分復用器5和第二波分復用器6、雙端口連接的光纖禪 合器7、差動式光程掃描裝置8、窄帶半導體激光器9、第一差分式光電探測信號放大器10和 第二差分式光電探測信號放大器11、第一可調衰減器12和第二可調衰減器13W及第一信號 處理單元14和第二信號處理單元15,所述系統中待測光源1發出的光經由第一=端口光纖 環行器后經由第一波分復用器5和雙端口連接的光纖禪合器7被注入到差動式光程掃描裝 置8，該光程掃描匹配裝置產生兩束問訊光信號，再次經過雙端口連接的光纖禪合器7、第一 波分復用器5、第二波分復用器6和第一=端口光纖環行器3被第二差分式光電探測信號放 大器11所接收并放大，信號最后經由第二信號處理單元15處理給出測量結果；窄帶半導體 激光器9發出的光經由第二=端口光纖環行器4經由第一波分復用器5和雙端口連接的光纖 禪合器7被注入到同一個差動式光程掃描裝置8,再由光程掃描匹配裝置產生兩束問訊光信 號，再次經過雙端口連接的光纖禪合器7、第一波分復用器5、第二波分復用器6和第二=端 口光纖環行器4,形成均勻的干設條紋，被第一差分式光電探測信號放大器10所接收并放 大，該信號最后經由第一信號處理單元14處理得到干設信號。
[0011] 差動式光程掃描裝置是由第一光纖自聚焦透鏡準直器、第二光纖自聚焦透鏡準直 器和一個雙端面全反射鏡組成，光纖自聚焦透鏡準直器被固定在一個精密滑移臺的基座 上，雙端面全反射鏡被固定在可W滑移的平臺上，正對著光纖準直器，該光程掃描匹配裝置 通過移動光學反射鏡來改變該兩束光信號的光程差，實現對光源光程變化的匹配測量。
[0012] 將窄帶激光光源與待測光源形成了共光路Michelson型干設測量系統，可實現激 光干設信號對掃描光程的均勻校正。
[0013] 差分式光電探測信號放大器的一個輸入端采用可調衰減器，實現對光路的平衡調 整。
[0014] 本發明的有益效果在于：
[0015] 本發明中采用了差分式光電探測信號放大器的一個輸入端采用可調衰減器，實現 對光路的平衡調整，消除了直流強度信號和探測器暗電流的影響，提高了系統測量的動態 范圍，同時增強了干設信號的強度，也進一步提高了系統的信噪比。
【附圖說明】
[0016] 圖1是全光纖傅里葉光譜分析儀結構示意圖。
[0017] 圖2是全光纖傅里葉光譜分析儀原理框圖。
[0018] 圖3是重建窄帶激光的均勻干設條紋作為校正的參考信號來完成對激光干設信號 的均勻性校正的示意圖。
[0019] 圖4是全光纖傅里葉光譜分析儀等間隔采樣示意圖。 圖5是采用全光纖傅里葉光譜分析儀得到的光譜示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖對本發明做進一步描述。
[0021] 本發明提供的是一種全光纖傅里葉光譜分析儀。其特征是：它由待測光源1、連接 器2、=端口光纖環行器3和4、波分復用器5和6、雙端口連接的光纖禪合器7、差動光程匹配 掃描裝置8、窄帶半導體激光器9、差分式光電探測信號放大器10和11、可調衰減器13和14W 及信號處理單元14和15組成。本發明采用全光纖設計，具備全光纖器件的優點，用光纖禪合 器代替分束器，用差動掃描鏡作為光學延遲線，不僅簡化了光路，還具有掃描范圍大、精度 高等特點。光電探測信號放大器輸入端采用可調衰減器，實現對光信號的調整匹配，將用于 精確定位的激光光源與待測光源共光路，形成差動式Michelson干設測量系統，可實現激光 干設信號對掃描光程的均勻校正。而差分光電探測信號放大器消除了直流強度信號和探測 器暗電流的影響，提高了系統測量的動態范圍，同時增強了干設信號的強度，也進一步提高 了系統的信噪比。
[0022] 本發明公開了一種全光纖傅里葉變換光譜分析儀，可用于寬光譜、復雜光譜或者 極弱光譜的測量。本發明采用全光纖設計，具備全光纖器件的優點，用光纖禪合器代替分束 器，用差動掃描鏡作為光學延遲線，不僅簡化了光路，還具有掃描范圍大、精度高等特點。 光電探測信號放大器輸入端采用可調衰減器，實現對光信號的調整匹配。將用于精確定位 的激光光源與待測光源共光路，形成差動式Michelson干設測量系統，可實現激光干設信號 對掃描光程的均勻校正。而差分光電探測信號放大器消除了直流強度信號和探測器暗電流 的影響，提高了系統測量的動態范圍，同時增強了干設信號的強度，也進一步提高了系統的 信噪比。
[0023] 本發明的目的在于提供一種結構簡單緊湊、掃描光程范圍大、實現等間隔采樣的 全光纖傅里葉變換分析儀。
[0024] 如圖1所示，該全光纖傅里葉變換分析儀是由待測光源1、連接器2、=端口光纖環 行器3和4、波分復用器5和6、雙端口連接的光纖禪合器7、差動式光程掃描裝置8、窄帶半導 體激光器9、差分式光電探測信號放大器10和11、可調衰減器13和14W及信號處理單元14和 15組成。所述系統中待測光源1發出的光經由=端口光纖環行器3后經由波分復用器5和雙 端口光纖禪合器7被注入到差動光程掃描匹配裝置8,該光程掃描匹配裝置產生兩束問訊光 信號，再次經過雙端口環形器7和波分復用器5、6和=端口環形器3被差分式光電探測器11 所接收并放大，該信號最后經由信號處理單元15處理給出測量結果。窄帶半導體激光器9發 出的光經由=端口環形器4經由波分復用器5和雙端口環形器7被注入到同一個差動光程掃 描匹配裝置8,再由光程掃描匹配裝置產生兩束問訊光信號，再次經過雙端口環形器7和波 分復用器5、6和=端口環形器4,形成均勻的干設條紋，被差分式光電探測器10所接收并放 大，該信號最后經由信號處理單元14處理得到干設信號。
[0025] 本發明中的差動式光程掃描匹配裝置8如圖1所示，是由兩個光纖自聚焦透鏡準直 器8-U8-2和一個雙端面全反射鏡8-3組成，光纖自聚焦透鏡準直器被固定在一個精密滑移 臺的基座上，光學反射鏡8-3被固定在可W滑移的平臺上，正對著光纖準直器，該光程掃描 匹配裝置通過移動光學反射鏡來改變該兩束光信號的光程差，實現對光源光程變化的匹配 測量。
[0026] 全光纖傅里葉變換光譜分析儀主要分為四個部分：（1)產生待測光源干設信號的 光學系統；（2)用于精確測量掃描鏡位移的光學系統；（3)掃描鏡位移干設信號數據處理部 分；（4)基于掃描位移校正的待測光源干設信號及其傅立葉變換光譜分析部分。
[0027] 待測光源經過2X2光纖禪合器分光后，進入差動Michelson干設儀，產生干設條紋 信號，但是在光程掃描測量裝置中，由于掃描速度的非均勻性，導致干設條紋時域及頻域信 號均與理想干設條紋存在誤差，因此，運樣的干設信號需要得到校正。
[0028] 為了實現對掃描鏡的位移進行精確測量，本發明采用了窄帶激光器作為位置測量 光源，將該光源注入同一個光路中，窄帶激光將產生一個均勻的干設條紋信號，運個信號就 可W用來對掃描鏡進行精確的位置測量。但是在光程掃描測量裝置中，由于掃描速度的非 均勻性，導致干設條紋時域及頻域信號均與理想干設條紋存在誤差，因此，運樣的干設信 號需要得到校正。為此，采用慢掃描的密集采樣方法，重建窄帶激光的均勻干設條紋作為校 正的參考信號來完成對激光干設信號的均勻性校正，如圖3所示。
[0029] 本發明中將光程掃描位置測量系統與光源測量系統合二而一，將窄帶激光光源與 待測光源形成了共光路Michelson型干設測量系統，可實現激光干設信號對掃描光程的均 勻校正，如圖2和圖3所示。
[0030] 為了實現對待測光源的等光程差的數據采集。需要對所采集的數據進行處理。運 里所說的等間隔，指的是光程差相等，在相等的光程差間隔位置采集數據點，而不能在動鏡 連續移動的情況下，在相等的時間間隔采集數據點。因為動鏡移動速度的微小變化都會改 變數據點采集的位置，因而影響到光譜的測量。由于本發明采用了共光路Michelson型干設 測量系統，掃描鏡對窄帶激光干設條紋的影響與對于待測光源干設信號的影響是相同的， 為了修正掃描鏡所帶來的影響，可采用窄帶激光干設信號的修正參數來然后進行修正，如 圖4所示。
[0031] 本發明中采用了差分式光電探測信號放大器的一個輸入端采用可調衰減器，實現 對光路的平衡調整，消除了直流強度信號和探測器暗電流的影響，提高了系統測量的動態 范圍，同時增強了干設信號的強度，也進一步提高了系統的信噪比。
[0032] 圖1給出了全光纖傅里葉光譜分析儀結構示意圖。該全光纖傅里葉變換分析儀是 由待測光源1、連接器2、=端口光纖環行器3和4、波分復用器5和6、雙端口連接的光纖禪合 器7、差動光程掃描匹配裝置8、窄帶半導體激光器9、差分光電探測信號放大器10和11、可調 衰減器13和14W及信號處理單元14和15組成。所述系統中待測光源1發出的光經由S端口 光纖環行器3后經由波分復用器5和雙端口光纖禪合器7被注入到差動光程掃描匹配裝置8， 該光程掃描匹配裝置產生兩束問訊光信號，再次經過雙端口環形器7和波分復用器5、6和= 端口環形器3被光電探測器11所接受并放大，該信號最后經由信號處理單元15處理給出測 量結果。窄帶半導體激光器9發出的光經由=端口環形器4經由波分復用器5和雙端口環形 器7被注入到差動光程掃描匹配裝置8,再由光程掃描匹配裝置產生兩束問訊光信號，再次 經過雙端口環形器7和波分復用器5、6和=端口環形器4被光電探測器10所接受并放大，該 信號最后經由信號處理單元14處理得到的干設信號。
[0033] 本發明所給出的差動光程掃描匹配裝置8是由兩個光纖自聚焦透鏡準直器8-U8- 2和一個雙端面全反射鏡8-3組成的，光纖自聚焦透鏡準直器被固定在一個精密滑移臺的基 座上，光學反射鏡8-3被固定在可W滑移的平臺上，正對著光纖準直器，該差動光程掃描匹 配裝置通過移動光學反射鏡來改變兩束光信號的光程差，實現對光源光程變化的差動匹配 測量。
[0034] 為了更好的理解本全光纖傅里葉光譜分析儀是如何實現的，下面給出詳細的數學 描述：
[0035] 設入射光束在波數為V的時侯，其光譜分布為I(V),光程差為5,依據物理光學中關 于簡諧波合成的知識，當光束經過干設系統之后，其輸出的干設信號的光強表達式為：
[0036]
(1)
[0037] 其中交流部分含有光譜調制信息，本發明中由于使用了差分光電探測器，因此探 測到的交流部分I(S)的干設信號為：
[0038] I(S)=B(V)COS(^tvS) (2)
[0039] 其中B(V) = I(V),從式(2)中可W看出單色光通過改變光程差S之后所得到的干設 圖是一條余弦曲線。當入射光不只是單色光時，輸出的干設信號可看成是將各種頻率成份 的干設信號之間的疊加。在一般情況下，具有連續光譜成份的光入射時，干設輸出的結果 為：
[0040]
(：3)
[0041] I(S)表示光程差為S運一點時，檢測器檢測到的信號強度。運個信號是從-CX^到+ CX^ 對所有波數V進行積分得到的，即所有不同波長的光強度的加和。
[0042] 式(3)中得到的只是干設圖，為了得到光譜圖，需要對式(3)實施傅里葉逆變換：
[0043]
(4)
[0044] 從式(3)和(4)中可W看出構成了一組傅里葉變換對，所W根據傅里葉變換理論， 只需要對干設圖I(S)做傅里葉逆變換，就可W得到任意波數的光譜圖B(V)D
[0045] 當然，所有的傅里葉光譜分析儀中，掃描光程差都是有限的，因此光譜測量和變換 只能在一個有限的光程差區間上完成。
【主權項】
1. 一種全光纖傅里葉光譜分析儀，包括待測光源（1)、連接器(2)、第一三端口光纖環行 器(3)和第二三端口光纖環行器(4)、第一波分復用器(5)和第二波分復用器(6)、雙端口連 接的光纖耦合器(7)、差動式光程掃描裝置(8)、窄帶半導體激光器(9)、第一差分式光電探 測信號放大器(10)和第二差分式光電探測信號放大器(11)、第一可調衰減器(12)和第二可 調衰減器（13)以及第一信號處理單元（14)和第二信號處理單元（15)，其特征在于:所述系 統中待測光源（1)發出的光經由第一三端口光纖環行器后經由第一波分復用器(5)和雙端 口連接的光纖耦合器(7)被注入到差動式光程掃描裝置(8)，該光程掃描匹配裝置產生兩束 問訊光信號，再次經過雙端口連接的光纖耦合器(7)、第一波分復用器(5)、第二波分復用器 (6)和第一三端口光纖環行器(3)被第二差分式光電探測信號放大器（11)所接收并放大，信 號最后經由第二信號處理單元（15)處理給出測量結果；窄帶半導體激光器(9)發出的光經 由第二三端口光纖環行器(4)經由第一波分復用器(5)和雙端口連接的光纖耦合器(7)被注 入到同一個差動式光程掃描裝置(8)，再由光程掃描匹配裝置產生兩束問訊光信號，再次經 過雙端口連接的光纖耦合器(7)、第一波分復用器(5)、第二波分復用器(6)和第二三端口光 纖環行器(4)，形成均勻的干涉條紋，被第一差分式光電探測信號放大器（10)所接收并放 大，該信號最后經由第一信號處理單元(14)處理得到干涉信號。2. 根據權利要求1所述的一種全光纖傅里葉光譜分析儀，其特征在于:差動式光程掃描 裝置(8)是由第一光纖自聚焦透鏡準直器(8-1)、第二光纖自聚焦透鏡準直器(8-2)和一個 雙端面全反射鏡(8-3)組成，光纖自聚焦透鏡準直器被固定在一個精密滑移臺的基座上，雙 端面全反射鏡(8-3)被固定在可以滑移的平臺上，正對著光纖準直器，該光程掃描匹配裝置 通過移動光學反射鏡來改變該兩束光信號的光程差，實現對光源光程變化的匹配測量。3. 根據權利要求1所述的一種全光纖傅里葉光譜分析儀，其特征在于:將窄帶激光光源 與待測光源形成了共光路Michelson型干涉測量系統，可實現激光干涉信號對掃描光程的 均勻校正。4. 根據權利要求1所述的一種全光纖傅里葉光譜分析儀，其特征在于:差分式光電探測 信號放大器的一個輸入端采用可調衰減器，實現對光路的平衡調整。
【文檔編號】G01J3/45GK105953919SQ201610201527
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月1日
【發明人】苑立波, 何學蘭, 苑勇貴, 楊軍
【申請人】哈爾濱工程大學