背景技術(shù)：

激光作為一種光源由于其單色性好、方向性強(qiáng)、色散小等特點(diǎn)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。激光波長(zhǎng)是物理檢測(cè)的基準(zhǔn)值，被廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)度、速度、角度、平面度、直線度和垂直度等的測(cè)量，是精密計(jì)量、精密機(jī)械和微電子工業(yè)領(lǐng)域重要的測(cè)量參數(shù)。精確地測(cè)量激光波長(zhǎng)，在光學(xué)的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的意義?，F(xiàn)在的波長(zhǎng)測(cè)量?jī)x器主要是光譜儀和波長(zhǎng)計(jì)，但分光型光譜儀受限于其測(cè)量原理只能實(shí)現(xiàn)激光中心波長(zhǎng)的粗略測(cè)量(約幾十pm)，而且價(jià)格比較昂貴；波長(zhǎng)計(jì)因其高精度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于激光波長(zhǎng)的測(cè)量中。現(xiàn)代商用的波長(zhǎng)計(jì)按照測(cè)量原理分類，主要有斐索干涉型波長(zhǎng)計(jì)、法布里-珀羅干涉型波長(zhǎng)計(jì)和邁克爾遜干涉型波長(zhǎng)計(jì)，其基本工作原理都是基于光的干涉，但是前兩者都需要面陣ccd探測(cè)干涉條紋以及復(fù)雜的圖像處理；([1]吳瑞坤.f-p標(biāo)準(zhǔn)具激光波長(zhǎng)測(cè)量系統(tǒng).中國(guó)激光，1986，14(5)：287-291.[2]宋建明，是度芳.利用斐索干涉測(cè)量激光波長(zhǎng).量子電子學(xué)報(bào)，2001，18(3)：224-227.)后兩者(法布里-珀羅干涉型和邁克爾遜干涉型)都需要內(nèi)置參考激光器，通過波長(zhǎng)值已知的參考激光和待測(cè)激光產(chǎn)生的干涉條紋進(jìn)行對(duì)比，從而得到待測(cè)激光的波長(zhǎng)值。([3]陸宏.利用f-p標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)時(shí)測(cè)量激光波長(zhǎng)的研究.激光技術(shù)，1996，20(3)：143-146.[4]王利強(qiáng)，左愛斌，彭月祥.光波長(zhǎng)測(cè)量?jī)x器的分類、原理及研究進(jìn)展.科技導(dǎo)報(bào)，2005，23(6)：31-33)這些因素都使現(xiàn)在的波長(zhǎng)計(jì)成本較高，并且受原理所限無法大規(guī)模降低成本。另外，邁克爾遜干涉型波長(zhǎng)計(jì)(如hp81620c)由于內(nèi)置機(jī)械掃描部件，受振動(dòng)影響大，不能在環(huán)境較為復(fù)雜的場(chǎng)所運(yùn)行，且難以實(shí)現(xiàn)窄脈沖光的波長(zhǎng)測(cè)量。

本發(fā)明提出了一種無需參考激光器，利用雙f-p(fabry-pérot)標(biāo)準(zhǔn)具與線性濾波器結(jié)合的全光纖結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量裝置。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)：1、全光纖結(jié)構(gòu)，布局靈活，不需要空間準(zhǔn)直，大大減少了光在傳輸過程中的所受環(huán)境等不可控因素的影響，拓寬了該波長(zhǎng)測(cè)量裝置的應(yīng)用領(lǐng)域和使用條件。2、原理方面，本發(fā)明所述測(cè)量系統(tǒng)只需分別探測(cè)經(jīng)過雙f-p腔和濾波器的光功率，就可以測(cè)量入射激光的波長(zhǎng)值，不需要圖像處理，后期的數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單；3、本發(fā)明所述測(cè)量系統(tǒng)無需使用參考激光器和面陣ccd，從而使得系統(tǒng)的成本更低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種簡(jiǎn)易低成本的波長(zhǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，即入射光經(jīng)過分束后，分別通過一個(gè)線性濾波器和兩個(gè)f-p標(biāo)準(zhǔn)具，通過測(cè)量透過的光功率值實(shí)現(xiàn)對(duì)激光波長(zhǎng)的精確測(cè)量。該裝置能夠大范圍、高精度的實(shí)時(shí)測(cè)量激光波長(zhǎng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，低成本，易于操作等特點(diǎn)。

通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種簡(jiǎn)易低成本的波長(zhǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于：由(1)1分4光纖耦合器、(2)線性濾波器、(3)光電探測(cè)器、(4)光纖環(huán)形器、(5)和(7)f-p標(biāo)準(zhǔn)具、(6)溫度控制裝置、(8)數(shù)據(jù)采集卡、(9)電腦，組成，上述各部分的位置關(guān)系如下：

首先，當(dāng)光經(jīng)1分4的光纖耦合器后，光功率將被平均分為四份，其中一束光先與線性濾波器相連然后接入光電探測(cè)器，另外一束光直接與光電探測(cè)器連接，剩余的兩束光分別同時(shí)先與光纖環(huán)形器相連，然后各自連接兩個(gè)f-p標(biāo)準(zhǔn)具，接著分別與光電探測(cè)器和相連，從兩光纖環(huán)形器支路3出射的兩條光纖直接分別連至光電探測(cè)器和中，然后將光電探測(cè)器出射的六條光纖經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后全部接入數(shù)據(jù)采集卡，最后數(shù)據(jù)采集卡連接到電腦。(如圖1所示)

由溫控裝置控制兩個(gè)f-p標(biāo)準(zhǔn)具的溫度；線性濾波器用來初步確定波長(zhǎng)區(qū)間，可實(shí)現(xiàn)大范圍波長(zhǎng)測(cè)量，兩個(gè)f-p標(biāo)準(zhǔn)具用來精確測(cè)量波長(zhǎng)值。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，成本低，測(cè)量范圍大，可實(shí)時(shí)測(cè)量，應(yīng)用于精密計(jì)量領(lǐng)域。

所述的線性濾波器(2)，在一定范圍內(nèi)，不同波長(zhǎng)的激光入射后其透過的光功率會(huì)不同，由此通過探測(cè)到的光功率值來粗略確定波長(zhǎng)。基于原理所限，f-p標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)波長(zhǎng)的響應(yīng)是正弦周期變化的，而線性濾波器的主要目的就是確定入射光波長(zhǎng)值對(duì)應(yīng)于f-p標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)響應(yīng)正弦曲線的一個(gè)準(zhǔn)確周期，從而確定一個(gè)周期范圍內(nèi)的準(zhǔn)確單調(diào)區(qū)間，所以線性濾波器的波長(zhǎng)分辨率應(yīng)小于f-p標(biāo)準(zhǔn)具fsr(自由光譜范圍)的1/4。

所述的兩個(gè)f-p標(biāo)準(zhǔn)具(5)和(7)各自對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)-波長(zhǎng)曲線均為正弦型，且兩曲線的相位差為90度，具有互補(bǔ)的波長(zhǎng)響應(yīng)特性，因此f-p標(biāo)準(zhǔn)具(5)和(7)可以用來互相補(bǔ)償在響應(yīng)曲線波峰和波谷附近的測(cè)量，從而提高測(cè)量精度；溫度控制裝置(6)使用兩塊銅塊與f-p標(biāo)準(zhǔn)具(5)和(7)上下緊密貼合，將半導(dǎo)體制冷片貼在銅塊底面，熱敏電阻置于銅塊內(nèi)部用于實(shí)時(shí)采集溫度值，外接溫度控制電路構(gòu)成負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用pid算法進(jìn)行精確溫度控制，控制精度為0.001度，其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)控制精度為0.1nm。(溫控裝置如圖2所示)

本發(fā)明的有益效果是：該裝置使用線性濾波器先粗略測(cè)量待測(cè)激光的波長(zhǎng)，確定其在f-p標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)-波長(zhǎng)曲線的準(zhǔn)確周期；然后使待測(cè)激光分別入射到兩個(gè)f-p標(biāo)準(zhǔn)具中，測(cè)量其在兩個(gè)f-p標(biāo)準(zhǔn)具的光強(qiáng)透過率，最后通過相關(guān)計(jì)算就可以得到入射激光的波長(zhǎng)值，這種方法不僅避免了圖像處理步驟，大大簡(jiǎn)化了后期的數(shù)據(jù)處理，而且使得整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，體積較小易于攜帶；光電探測(cè)器分為和，和，和三組，通過測(cè)量線性濾波器和兩個(gè)f-p標(biāo)準(zhǔn)具的光透過率排除因入射光功率變化造成的測(cè)量誤差；溫度控制裝置與以上器件緊密接觸，最終實(shí)現(xiàn)高精度溫度控制，用于排除外界溫度變化對(duì)其不良影響。基于以上性質(zhì)使得該裝置結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，成本低，測(cè)量范圍大，可實(shí)時(shí)測(cè)量光波長(zhǎng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明的溫度控制裝置圖；

圖3是f-p標(biāo)準(zhǔn)具的i^(t)/i^(r)～λ波形圖；

圖4是f-p標(biāo)準(zhǔn)具的補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形圖；

圖5是波長(zhǎng)測(cè)量的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

f-p腔標(biāo)準(zhǔn)具由兩塊平行放置的平面玻璃板組成，兩板的內(nèi)表面鍍以高反射率的銀膜或鋁膜，其結(jié)構(gòu)可看成一塊平行平面玻璃板，由于f-p腔兩端高反射膜的特性，光在腔內(nèi)來回反復(fù)的反射與折射，如果平行平面玻璃板的左、右兩端面對(duì)光信號(hào)沒有吸收，當(dāng)待測(cè)激光以一定的角度θ入射到f-p腔標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)，經(jīng)過一系列的推斷，可得出反射光強(qiáng)度和透射光強(qiáng)度之比為

δ為相位，r為f-p標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)高反射率膜的反射率。

由相位和腔長(zhǎng)的關(guān)系

δ＝kδ＝k·2nlcosθ(1-2)

式中：δ為相鄰光束的光程差；k為自由空間中光的傳輸常數(shù)，k＝2π/λ；n為腔內(nèi)的折射率；l為腔長(zhǎng)；θ為光在腔內(nèi)反射的夾角。

結(jié)合公式(1-1)和(1-2)可得：

若入射激光的中心波長(zhǎng)λ0為1550nm，所對(duì)應(yīng)的f-p標(biāo)準(zhǔn)具的fsr為100ghz(波長(zhǎng)間隔為0.8nm)，由自由光譜范圍

可知2nl＝3003000nm，代入等式(1-3)，取高反射率膜的反射率為0.8時(shí)，當(dāng)待測(cè)激光近似垂直入射至f-p標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)，θ＝0，cosθ＝1。歸一化后相應(yīng)的i^(t)/i^(r)～λ波形如圖3所示。

由所示波形圖的周期性可知，當(dāng)我們探測(cè)到一個(gè)光功率值時(shí)，除了波峰和波谷處外，在波長(zhǎng)響應(yīng)曲線的一個(gè)周期內(nèi)對(duì)應(yīng)有兩個(gè)波長(zhǎng)值(如圖3中的a、b兩點(diǎn))。這里我們用到的線性濾波器對(duì)信號(hào)光波長(zhǎng)的分辨率為0.1nm，而f-p標(biāo)準(zhǔn)具的fsr為100ghz(約0.8nm)，濾波器的分辨率小于波長(zhǎng)響應(yīng)曲線的1/4周期，所以我們能夠根據(jù)測(cè)得的線性濾波器透射率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值，來進(jìn)一步確定波長(zhǎng)響應(yīng)曲線橫坐標(biāo)所在的某個(gè)準(zhǔn)確單調(diào)區(qū)間(即圖3中從a、b兩點(diǎn)中確定出其中一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值)，最終求得此時(shí)光功率對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確λ值。

然而對(duì)于波長(zhǎng)響應(yīng)曲線斜率無限趨近于0時(shí)(即波形圖中的波峰和波谷附近)，由于光電探測(cè)器熱噪聲、放大電路噪聲等因素，會(huì)大大影響數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性。

由等式(1-3)可知，我們可以通過改變相關(guān)未知數(shù)的值，從而使得i^(t)/i^(r)～λ曲線在原來的基礎(chǔ)上產(chǎn)生約90度的相移，這樣就可以利用相移后的波長(zhǎng)響應(yīng)曲線來補(bǔ)償原圖形在波峰和波谷附近的誤差。此處，我們讓產(chǎn)生的相移約為90度(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)響應(yīng)曲線的1/4個(gè)周期)，從而使得原波長(zhǎng)響應(yīng)曲線(i)的波峰和波谷對(duì)應(yīng)于相移后的波長(zhǎng)響應(yīng)曲線(ii)的線性度高的區(qū)域，如圖4所示，當(dāng)我們探測(cè)到原波長(zhǎng)響應(yīng)曲線(i)的光功率值(c點(diǎn)處)位于波峰或波谷附近時(shí)，這時(shí)我們?nèi)⊥粫r(shí)間探測(cè)到的相移后的波長(zhǎng)響應(yīng)曲線(ii)對(duì)應(yīng)的光功率值(d點(diǎn)處)，所對(duì)應(yīng)的λ值(e點(diǎn)處)，最終就得到了此時(shí)待測(cè)激光的準(zhǔn)確波長(zhǎng)值。

綜上，本發(fā)明的部分重要流程如下：

首先，由通過線性濾波器的光功率值來縮小f-p標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)響應(yīng)曲線至某個(gè)確定的周期中的單調(diào)區(qū)間；然后，若測(cè)得的光功率值在波函數(shù)線性度高的區(qū)域，就讀取與f-p標(biāo)準(zhǔn)具(5)相連的光電探測(cè)器(和)的光功率值；若測(cè)得的光功率值在靠近波峰或波谷附近時(shí)，此時(shí)讀取與f-p標(biāo)準(zhǔn)具(7)相連的光電探測(cè)器(和)的光功率值；最后由測(cè)得的光功率值求出相應(yīng)的波長(zhǎng)值。(流程圖如圖5所示)

本發(fā)明的波長(zhǎng)測(cè)量步驟為：

步驟1)按照?qǐng)D1，連接光路：當(dāng)一束待測(cè)激光經(jīng)過1分4光纖耦合器(1)等分為四束光①、②、③、④，光纖①的光經(jīng)過線性濾波器(2)被光電探測(cè)器探測(cè)，光纖②的光直接被光電探測(cè)器探測(cè)；光纖③先連接一個(gè)光纖環(huán)形器(4)，環(huán)形器其中一分路2連入f-p標(biāo)準(zhǔn)具(5)中，經(jīng)過f-p標(biāo)準(zhǔn)具(5)的透射功率被光電探測(cè)器探測(cè)，另一分路3的反射光功率被光電探測(cè)器探測(cè)；光纖④同樣也先連接一個(gè)光纖環(huán)形器(4)，環(huán)形器其中一分路2連入f-p標(biāo)準(zhǔn)具(7)中，然后其透射功率被光電探測(cè)器探測(cè)，另一分路3的反射光功率被光電探測(cè)器探測(cè)；光電探測(cè)器(3)的6個(gè)電信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡(8)采集，最后將數(shù)據(jù)采集卡(8)連接至電腦(9)。

步驟2)按照?qǐng)D2，溫度控制：溫度控制裝置使用兩塊銅片與f-p標(biāo)準(zhǔn)具5(7)上下緊密貼合，將半導(dǎo)體制冷片(11)貼在銅塊底面，熱敏電阻(12)置于銅塊內(nèi)部用于實(shí)時(shí)采集溫度值，外接溫度控制電路(13)構(gòu)成負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用pid算法進(jìn)行精確溫度控制，控制精度為0.001度，其對(duì)應(yīng)的信號(hào)激光的波長(zhǎng)控制精度為0.1nm。

步驟3)，數(shù)據(jù)采集與處理：參照?qǐng)D1，光電探測(cè)器(3)探測(cè)各通道輸出光功率；然后將所有通道信號(hào)連接到數(shù)據(jù)采集卡(8)中，數(shù)據(jù)采集卡(8)通過usb連接電腦(9)，最后通過電腦(9)中的程序分析計(jì)算從而得到待測(cè)激光波長(zhǎng)。