一種簡(jiǎn)易低成本的波長(zhǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種簡(jiǎn)易低成本的波長(zhǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量裝置。待測(cè)激光器發(fā)出的光經(jīng)3dB光纖耦合器分為兩束，一束進(jìn)入多通道粗波分復(fù)用器(或微型光譜儀)，其多條輸出光纖分別接入到對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器；另一束依次準(zhǔn)直進(jìn)入起偏器、磁光晶體和渥拉斯頓棱鏡，出射的兩束線偏振光通過(guò)單模光纖分別接入平衡光電探測(cè)器的兩個(gè)探測(cè)端口；上述光電探測(cè)器和平衡光電探測(cè)器的信號(hào)線與數(shù)據(jù)采集卡相連，數(shù)據(jù)采集卡連接到電腦；起偏器、磁光晶體和渥拉斯頓棱鏡被套在磁環(huán)中并被封裝在金屬套管中，由溫控裝置控制溫度。多通道粗波分復(fù)用器(或微型光譜儀)用來(lái)確定波長(zhǎng)區(qū)間，可實(shí)現(xiàn)大范圍波長(zhǎng)測(cè)量；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。
【專利說(shuō)明】
一種簡(jiǎn)易低成本的波長(zhǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] -種簡(jiǎn)易低成本的波長(zhǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，屬于光波測(cè)量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光波長(zhǎng)是一項(xiàng)基本光學(xué)參數(shù)，作為測(cè)量的最基準(zhǔn)值，在光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有重要 作用。例如激光器出廠和維修以后要精確測(cè)量激光波長(zhǎng)；還有一些激光器在改變工作溫度 或驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，其輸出光波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生改變，這時(shí)也需要波長(zhǎng)測(cè)量?jī)x器對(duì)輸出光波長(zhǎng)進(jìn)行重 新標(biāo)定；此外，隨著光纖通信的迅猛發(fā)展，光波長(zhǎng)測(cè)量也顯得越來(lái)越重要了，特別是隨著使 用不同波長(zhǎng)同時(shí)傳送多路光波信號(hào)的DWDM(密集波分復(fù)器）系統(tǒng)的快速普及，光波長(zhǎng)測(cè)量 儀器也已成為光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中必不可少的基本測(cè)量?jī)x器?，F(xiàn)在的波長(zhǎng)測(cè)量?jī)x器主要是光譜 儀、波長(zhǎng)計(jì)等，光譜儀能實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)的粗略測(cè)量，而且價(jià)格比較昂貴；波長(zhǎng)計(jì)因其高精度 測(cè)量，而更廣泛的應(yīng)用于激光波長(zhǎng)測(cè)量中，現(xiàn)代商用的波長(zhǎng)計(jì)主要有邁克爾遜干涉型波長(zhǎng) 計(jì)、法布里-波羅干涉型波長(zhǎng)計(jì)和斐索干涉型波長(zhǎng)計(jì)，其工作原理都是基于光的干涉，但是 這幾種波長(zhǎng)計(jì)都需要內(nèi)置參考激光，成本較高，其中法布里-波羅干涉型波長(zhǎng)計(jì)內(nèi)置機(jī)械 活動(dòng)部件，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。
[0003] 本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)易低成本的波長(zhǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，是基于磁光晶體的磁致旋光效 應(yīng)的。雖然，早在1845年法拉第就發(fā)現(xiàn)了磁光效應(yīng)，但之后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)并未獲得應(yīng) 用，直到100年以后，隨著激光和光電子學(xué)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，才使磁光效應(yīng)的研究向應(yīng)用領(lǐng) 域發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生了許多新型的光學(xué)器件，如磁光調(diào)制器、磁光開(kāi)關(guān)、磁光隔離器、磁光環(huán)形 器、磁光旋轉(zhuǎn)器、磁光相移器、法拉第反射鏡和磁光傳感器等，這些器件在現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域都 是不可或缺的，這它們大都是基于磁光效應(yīng)的非互易性或考慮了磁光偏轉(zhuǎn)角度與磁場(chǎng)的關(guān) 系來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的，本發(fā)明與以上磁光器件不同，是基于磁光效應(yīng)的波長(zhǎng)色散原理，即通 過(guò)測(cè)量光在磁光晶體的偏振面的偏轉(zhuǎn)角度來(lái)測(cè)量光波長(zhǎng)，由于使用的是毫米量級(jí)的磁光晶 體結(jié)構(gòu)組裝而成，因此該裝置相對(duì)于上述光譜儀和波長(zhǎng)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，體積較小易于攜 帶，而且成本較低，并且可高速實(shí)時(shí)測(cè)量光波長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)易低成本的波長(zhǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，即利用光在磁光晶體中發(fā)生磁 致旋光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光波長(zhǎng)的測(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)。
[0005] 通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] -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：由待測(cè)光源（l)、3dB光纖耦 合器（2)、多通道粗波分復(fù)用器（或微型光譜儀）（3)、光電探測(cè)器（4)、起偏器（5)、磁光晶 體（6)、渥拉斯頓棱鏡（7)、磁環(huán)（8)、金屬套管（9)、溫度控制裝置（10)、平衡光電探測(cè)器 (11)、數(shù)據(jù)采集卡（12)、電腦（13)組成，上述各部分的位置關(guān)系如下：
[0007] 待測(cè)光源（1)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)3-dB光纖耦合器（2)分為兩束，一束進(jìn)入多通道粗波 分復(fù)用器（或微型光譜儀）（3)，其多條輸出光纖分別接入到對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器（4);另一束 依次準(zhǔn)直進(jìn)入起偏器（5)、磁光晶體（6)和渥拉斯頓棱鏡（7)，出射的兩束線偏振光通過(guò)單 模光纖分別接入平衡光電探測(cè)器（11)的兩個(gè)探測(cè)端口；以上所述光電探測(cè)器（4)和平衡光 電探測(cè)器（11)的信號(hào)線與數(shù)據(jù)采集卡（12)相連，數(shù)據(jù)采集卡（12)連接到電腦（13);起偏 器（5)、磁光晶體（6)和渥拉斯頓棱鏡（7)被套在磁環(huán)（8)中并被封裝在金屬套管（9)中， 由溫度控制裝置（10)控制溫度。
[0008] 所述的多通道粗波分復(fù)用器（或小型光譜儀）粗略測(cè)量光波長(zhǎng)，確定波長(zhǎng)區(qū)間。
[0009] 所述的起偏器（5)、磁光晶體（6)和所述的渥拉斯頓棱鏡（7)被封裝在金屬套管 (9)中構(gòu)成一組合器件，溫度控制裝置使用兩塊銅片將封裝有起偏器（5)、磁光晶體（6)、渥 拉斯頓棱鏡（7)的金屬套管上下緊密貼合，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，控制精度為〇. 001度。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是：該裝置使用起偏器、旋光晶體和偏振分束器等毫米量級(jí)的 結(jié)構(gòu)組裝而成，極大減小了器件的體積，并節(jié)約了成本；使用粗波分復(fù)用器（或微型光譜 儀）先粗略測(cè)量待測(cè)光波長(zhǎng)，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；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，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(shuō)明】
[0011] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；
[0012] 圖2是本發(fā)明的角度偏轉(zhuǎn)示意圖；
[0013] 圖3是本發(fā)明的溫度控制裝置圖；
[0014] 圖4是該裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 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：
[0016] 本發(fā)明利用光在磁光晶體的磁致旋光效應(yīng)測(cè)量激激光波長(zhǎng)，即一束線偏振光沿外 加磁場(chǎng)方向或磁化強(qiáng)度方向通過(guò)介質(zhì)時(shí)偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其中偏轉(zhuǎn)的角度Θ與磁光晶體 長(zhǎng)度L、磁場(chǎng)強(qiáng)度H、維爾德常數(shù)V有關(guān)，其中偏轉(zhuǎn)角可以表示如下 ：
[0017] Θ = VHL (1)
[0018] 其中維爾德常數(shù)與磁光材料本身性質(zhì)、溫度t和光波長(zhǎng)λ有關(guān)，對(duì)一確定裝置，磁 光晶體長(zhǎng)度L是一定的，并對(duì)磁光晶體施加飽和磁場(chǎng)，因此H也是確定的，再控制溫度不變 t不變，則表達(dá)式為：
[0019] θ (λ) =V(A)HL (2)
[0020] 可知，光在晶體中的偏轉(zhuǎn)角Θ就只是波長(zhǎng)λ的函數(shù)。
[0021] 本發(fā)明將渥拉斯頓棱鏡連接在磁光晶體后端，棱鏡將從磁光晶體出射的偏振光 分為〇、e兩束線偏振光，通過(guò)探測(cè)這兩束光的光功率來(lái)計(jì)算光在磁光晶體中的偏轉(zhuǎn)角 θ (λ )。結(jié)合圖2, X方向?yàn)槠鹌鞯钠鹌较?，X方向和Y方向分別為渥拉斯頓棱鏡中兩 個(gè)棱鏡的主軸方向，θ (λ)是待測(cè)光在磁光晶體中的偏轉(zhuǎn)角（偏振面由AB到A' B')，偏 轉(zhuǎn)后的待測(cè)光沿Χ、γ方向分解，其幅值分別為Ex、Ey。利用幾何三角函數(shù)關(guān)系可得偏轉(zhuǎn)角：
[0022]
(3)
[0023] 其中，Px和Py分別是從渥拉斯頓棱鏡出射的兩束線偏振光光功率，由后端的平衡 光電探測(cè)器探測(cè)得到，上式適用范圍為[0,90]，而要實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的大范圍測(cè)量，偏轉(zhuǎn)角的范圍 也會(huì)較大，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角軺討90度時(shí)，（3)式不再適用，例如當(dāng)角度偏轉(zhuǎn)為在[90,180]區(qū)間時(shí)， 其角度表示^ ，依此推廣關(guān)系式（3)得偏轉(zhuǎn)角（在室溫情況下）：
[0024]
(4)
[0025] 因此首先需要確定待測(cè)光所在區(qū)間，本發(fā)明在前端加一多通道粗波分復(fù)用器，要 求其通道間隔小于或等于（4)式列出的區(qū)間間隔（7-8nm)，基于波分復(fù)用器的解復(fù)用功能， 粗波分復(fù)用器可將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)送入不同的輸出光纖，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇功能， 每條輸出光纖都連接到一個(gè)光電探測(cè)器，這些光電探測(cè)器用來(lái)探測(cè)光信號(hào)的有無(wú)，進(jìn)而確 定粗波分復(fù)用器的出光通道，或者使用一低分辨率的微型光譜儀來(lái)粗略測(cè)量待測(cè)光波長(zhǎng)， 最終確定待測(cè)光的波長(zhǎng)區(qū)間。圖4為使用該裝置測(cè)得的1530--1558. 6nm波長(zhǎng)光與其在 磁光晶體中偏轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其線性度為〇. 99975。波長(zhǎng)與偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系表示為：
[0026] λ = α θ + β (5)
[0027] 其系數(shù)α、β由系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，這些參數(shù)主要是磁光晶體本身的材料特性、 厚度、溫度、外加磁場(chǎng)強(qiáng)度等。
[0028] 如圖1所示，本發(fā)明包括：由待測(cè)光源（l)、3dB光纖耦合器（2)、多通道粗波分復(fù) 用器（或微型光譜儀）（3)、光電探測(cè)器（4)、起偏器（5)、磁光晶體（6)、渥拉斯頓棱鏡（7)、 磁環(huán)（8)、金屬套管（9)、溫度控制裝置（10)、平衡光電探測(cè)器（11)、數(shù)據(jù)采集卡（12)、電腦 (13)。待測(cè)激光器（1)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)3dB光纖耦合器（2)分為兩束，一束進(jìn)入多通道粗波 分復(fù)用器（或微型光譜儀）（3)，其多條通道輸出線分別接入到對(duì)應(yīng)光電探測(cè)器（4);另一束 依次準(zhǔn)直進(jìn)入起偏器（5)、磁光晶體（6)和渥拉斯頓棱鏡（7)，出射的兩束線偏振光通過(guò)單 模光纖分別接入平衡光電探測(cè)器（11)的兩個(gè)探測(cè)端口；以上所述光電探測(cè)器（4)和平衡光 電探測(cè)器（11)的信號(hào)線與數(shù)據(jù)采集卡（12)相連，數(shù)據(jù)采集卡（12)連接到電腦（13);起偏 器（5)、磁光晶體（6)和渥拉斯頓棱鏡（7)被套在磁環(huán)（8)中并被封裝在金屬套管（9)中， 由溫度控制裝置（10)控制溫度。
[0029] 本發(fā)明的波長(zhǎng)測(cè)量步驟為：
[0030] 步驟1)按照?qǐng)D1，連接光路：待測(cè)激光器（1)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)3dB光纖耦合器（2)分 為兩束，一束進(jìn)入多通道粗波分復(fù)用器（或微型光譜儀）（3)，其多條輸出光纖分別接入到 對(duì)應(yīng)光電探測(cè)器（4);另一束依次準(zhǔn)直進(jìn)入起偏器（5)、磁光晶體（6)和渥拉斯頓棱鏡（7)， 出射的兩束線偏振光通過(guò)單模光纖分別接入平衡光電探測(cè)器（11)的兩個(gè)探測(cè)端口；以上 所述n+1個(gè)光電探測(cè)器（4)和平衡光電探測(cè)器（11)的信號(hào)線與數(shù)據(jù)采集卡（12)相連，數(shù) 據(jù)采集卡（12)連接到電腦（13);
[0031] 步驟2)按照?qǐng)D3,溫度控制：起偏器（5)、磁光晶體（6)和渥拉斯頓棱鏡（7)被封 裝在金屬套管中構(gòu)成一組合器件，溫度控制裝置使用兩塊銅片將封裝有起偏器（2)、磁光晶 體（3)、渥拉斯頓棱鏡（4)的金屬套管（9)上下緊密貼合，將半導(dǎo)體制冷片（15)貼在銅塊底 面，熱敏電阻（16)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（17)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。
[0032] 步驟3)，數(shù)據(jù)采集與處理：參照?qǐng)D1，光電探測(cè)器（4)探測(cè)多通道粗波分復(fù)用器的 各通道輸出光功率；平衡光電探測(cè)器（11)用來(lái)探測(cè)從渥拉斯頓棱鏡出射的兩束線偏振光 的光功率；以上所述光電探測(cè)器（4)和平衡光電探測(cè)器（11)的信號(hào)線分別連接到多通道數(shù) 據(jù)采集卡（12)，數(shù)據(jù)采集卡（12)通過(guò)USB連接電腦（13)，打開(kāi)電腦（13)上LabVIEW開(kāi)發(fā) 的軟件，讀取并處理數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)，首先處理從光電探測(cè)器（4)中采集的多路 數(shù)據(jù)來(lái)確定光波長(zhǎng)所在區(qū)間，再處理從平衡光電探測(cè)器（11)中采集到的兩路數(shù)據(jù)，獲得更 高精度的波長(zhǎng)值，最終可實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)的實(shí)時(shí)、高速測(cè)量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 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：由待測(cè)激光器（l)、3dB光纖耦 合器（2)、多通道粗波分復(fù)用器（或微型光譜儀）（3)、光電探測(cè)器（4)、起偏器（5)、磁光晶 體（6)、渥拉斯頓棱鏡（7)、磁環(huán)（8)、金屬套管（9)、溫度控制裝置（10)、平衡光電探測(cè)器 (11)、數(shù)據(jù)采集卡（12)、電腦（13)組成，上述各部分的位置關(guān)系如下： 待測(cè)激光器（1)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)3dB光纖耦合器（2)分為兩束，一束進(jìn)入多通道粗波分 復(fù)用器（或微型光譜儀）（3)，其多條輸出光纖分別接入到對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器（4);另一束依 次準(zhǔn)直進(jìn)入起偏器（5)、磁光晶體（6)和渥拉斯頓棱鏡（7)，出射的兩束線偏振光通過(guò)單模 光纖分別接入平衡光電探測(cè)器（11)的兩個(gè)探測(cè)端口；以上所述光電探測(cè)器（4)和平衡光電 探測(cè)器（11)的信號(hào)線與數(shù)據(jù)采集卡（12)相連，數(shù)據(jù)采集卡（12)連接到電腦（13);起偏器 (5)、磁光晶體（6)和渥拉斯頓棱鏡（7)被套在磁環(huán)（8)中并被封裝在金屬套管（9)中，由 溫度控制裝置（10)控制溫度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種簡(jiǎn)易低成本的波長(zhǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于：使用多 通道粗波分復(fù)用器（或微型光譜儀）（3)粗略測(cè)量光波長(zhǎng)，確定波長(zhǎng)區(qū)間。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種簡(jiǎn)易低成本的波長(zhǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于：所述的 起偏器（5)、磁光晶體（6)和渥拉斯頓棱鏡（7)被封裝在金屬套管（9)中構(gòu)成一組合器件， 溫度控制裝置（10)使用兩塊銅塊將封裝有起偏器（2)、磁光晶體（3)、渥拉斯頓棱鏡（4)的 金屬套管（9)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。
【文檔編號(hào)】G01J9/00GK105890778SQ201410581765
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2014年10月23日
【發(fā)明人】李裔, 單恩梅, 楊韞鐸, 林曉露, 謝江磊, 鄭萬(wàn)福
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量學(xué)院