專利名稱：全光纖光譜測量方法
技術領域：
本發(fā)明是一種干涉式全光纖光譜測量方法。
本發(fā)明的光譜測量裝置主要由激光器、全光纖干涉裝置、振動源、數據處理幾部分組成。由穩(wěn)定光源發(fā)出的激光經過干涉系統(tǒng)傳輸至振動器前的反射鏡，攜帶有振動器振動信息的光再次進入干涉系統(tǒng)，使相同的光程差對不同的波長形成不同的干涉相位，最后的干涉信號被光電探測器接收，最后由數據處理系統(tǒng)反演出被測光源光譜特性。具體方法是設光譜λi對應的振幅為Ai(λi)，光譜分布以中心波長λ0對稱分布，λi與λ0的差值Δλi為Δλi＝λi-λ0，根據對稱分布特性，A(λ0+Δλ)＝A(λ0-Δλ)。如果干涉系統(tǒng)形成的光程差為ΔL，對應于λ0的光譜形成的相位弧度為 該等式非常重要，因為在以后的討論中可以看出，不同波長光譜形成的干涉相位差與0密切相干。為了全面獲取光譜信息，希望不同光譜產生的相位差能夠準確反映在干涉信號中。與中心波長相差Δλ的光譜對應的相位弧度差Δ為 設δ＝w0/N(N為整數)，Δλi＝iδ(i＝0，±1，±2.......±N......) 在本發(fā)明所利用的全光纖干涉系統(tǒng)中，干涉信號的相位表現(xiàn)為余弦函數，即干涉信號Ii(t)可表現(xiàn)為 考慮整個光譜范圍內的合成干涉信號I(t)，有下式成立I(t)=ΣiIi(t)---(3)]]>利用光譜關于中心波長的對稱性， 考慮到(2)和(4)式，(3)式中i的取值范圍可由原來的負整數轉變?yōu)閺?開始的整數取值，即有 上式中，M為i的最大正值， 由 式可以看出，Δi與中心波長對應的相位0和偏離中心波長的級數i密切相關。當0取較小值時，偏離中心波長的光譜分量產生的干涉條紋僅依賴于光譜的固有頻譜幅度分布Ai；當0取較大值時，干涉信號產生的初始相位差Δi造成條紋強度減弱的影響表現(xiàn)為三角函數的變化關系cos[Δi(t))]。所以，在寬光譜光源作用下的干涉系統(tǒng)，在條紋數增加的情況下，信號將出現(xiàn)衰變現(xiàn)象。衰變現(xiàn)象體現(xiàn)了光譜分布特性，利用該特點，可實現(xiàn)光譜特性分析。在前面關于δ的等式中，N值的選取決定了系統(tǒng)的測量精度。在(5)式中，如果頻譜分布特性A(λ)為已知，通過擬合干涉曲線和理論推導公式(5)，可求出級數的最大值M，同時，也可求出光譜幅度下降為A0/10時級數Ai的項數。
0(t)＝62πsin(t/5000) (6)上式中，t∈[-2500，2500]。
假設光譜分量的振幅分布滿足以下關系式A(λi)=exp[-(ΔλiB)2]---(7)]]>上式中，Δλi＝λi-λ0，其中λ0對應光譜的中心波長。
將(6)(7)式帶入(5)式，并取光譜寬度為B＝20nm，Δλmax＝40nm，可以得到干涉曲線隨時間的變化曲線，結果如圖3所示。本發(fā)明利用光纖耦合器、單模光纖、光纖準直器等光纖無源器件，以及穩(wěn)定光源和光電探測器等有源器件，制成光纖干涉裝置。該裝置結構如下激光器發(fā)出的穩(wěn)定經過光纖耦合器I分光后由耦合器1端進入光纖耦合器II，再經過耦合器III，待測光纖置于耦合器II、III之間；經過耦合器III的光經光纖準直器后被振動器上的反射鏡反射后，重新返回耦合器III，被其分光后，在3和4端注入耦合器II，從而在1、2端形成穩(wěn)定的干涉條紋，被探測器I、II所檢測。
本發(fā)明所用的激光器可以是待測光譜的光源，光源工作波長是任意光纖可傳輸的波長。激光器類型可以是半導體激光二極管(LD)，或半導體發(fā)光二極管(LED)，或者是超輻射發(fā)光管(SLD)。
本發(fā)明的振動裝置由振動器或喇叭及其前粘貼的反射鏡構成。
本發(fā)明所采用的光纖耦合器為兩端輸入、兩端輸出的2×2型光纖耦合器。
圖2是本發(fā)明全光纖干涉裝置圖。其中1-4分別是光纖耦合器II的輸入、輸出端口，5、6是光纖耦合器III的輸入端口，7是反射鏡，8是激光器，9是耦合器I，10是耦合器II，11是待測光纖，12是耦合器III，13是光纖準直器，14是振動器(喇叭)，15是光電探測器I，16是光電探測器II，17是數據處理。
圖3是模擬計算理論曲線圖。
圖4是實際測量結果曲線圖。
利用上面所列的器件，構造了

圖1所示的光譜分析裝置。通過計算機擬合，改變不同的光譜寬度，在特定的測試精度要求下，得到與測試曲線4吻合很好的計算曲線3，從而得到激光器的譜分布特性。
權利要求
1.全光纖光譜測量方法，主要由被測光源的激光器、全光纖干涉裝置、振動源和數據處理幾部分組成，其特征是穩(wěn)定的光源發(fā)出的激光經過干涉系統(tǒng)傳輸至振動器前的反射鏡，攜有振動信息的光再次進入干涉系統(tǒng)，相同光程差對不同波長形成不同的干涉相位，干涉信號被光電探測器接收，經數據處理反演出被測光源的光譜特性，具體方法是設光譜λi對應的振幅為Ai(λi)，光譜分布以中心波長λ0對稱分布，λi與λ0的差值Δλi為Δλi＝λi-λ0，根據對稱分布特性，A(λ0+Δλ)＝A(λ0-Δλ)。如果干涉系統(tǒng)形成的光程差為ΔL，對應于λ0的光譜形成的相位弧度為 該等式非常重要，因為在以后的討論中可以看出，不同波長光譜形成的干涉相位差與0密切相干，為了全面獲取光譜信息，希望不同光譜產生的相位差能夠準確反映在干涉信號中，設被測激光器的譜寬為w0，設δ＝w0/N(N為整數)，Δλi＝iδ(i＝0，±1，±2.........±N........)，與中心波長相差Δλ的光譜對應的相位弧度差Δ為 波長為λ0+Δλi的光譜對應的干涉信號Ii(t)可表現(xiàn)為 考慮整個光譜范圍內的合成干涉信號I(t)，有下式成立I(t)=ΣiIi(t)---(3)]]>利用光譜關于中心波長的對稱性， 考慮到(2)和(4)式，(3)式中i的取值范圍可由原來的負整數轉變?yōu)閺?開始的整數取值，即有上式中，M為i的最大正值，
2.根據權利要求1所述的全光纖光譜測量方法，其特征是所用的激光器為待測光譜的激光器，光源工作波長為任意光纖可傳輸波長，激光器為半導體激光二極管或半導體發(fā)光二極管。
3.根據權利要求1所述的全光纖光譜測量方法，其特征是振動源為可以產生機械振動的振動器或喇叭等。
4.根據權利要求1所述的全光纖光譜測量方法，其特征是干涉光路采用光纖耦合器構成。
5.根據權利要求4所述的全光纖光譜測量方法，其特征是光纖耦合器是2×2光纖耦合器。
全文摘要
本發(fā)明是一種干涉式全光纖光譜測量方法。采用了一種與傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀不同的干涉光路，通過光在相同傳輸光路中的順時針、反時針傳輸，形成干涉。振動系統(tǒng)產生干涉光路的光程差，形成干涉信號的調制相位差，通過不同光波長在相同光程差條件下形成的不同干涉相位，通過對不同光譜分量的干涉信號疊加，形成最終的干涉信號。系統(tǒng)中全光纖干涉裝置由三只2×2光纖耦合器組成，激光經過耦合器分光、差頻干涉后，產生穩(wěn)定的干涉條紋，經探測器光電轉換后，分析干涉曲線，反演出光源光譜。與透鏡等分離光學器件構造干涉光路測量光譜的方法不同，本發(fā)明的干涉光路免調，系統(tǒng)結構簡單。本發(fā)明的全光纖光譜測量方法，數據處理方便，測量精度高。
文檔編號G01J3/45GK1421679SQ02157678
公開日2003年6月4日 申請日期2002年12月23日 優(yōu)先權日2002年12月23日
發(fā)明者賈波 申請人:復旦大學