專利名稱：基于光纖色散的脈沖光譜儀及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光纖色散的脈沖光譜儀及測(cè)量方法，更具體地說(shuō)屬于一種適用于測(cè)量脈沖光譜信號(hào)的光譜儀及測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
光譜測(cè)量的應(yīng)用越來(lái)越普遍，以脈沖激光為光源的脈沖光譜信號(hào)測(cè)量有廣泛的需求。已有的光譜儀多采用以下方法或結(jié)構(gòu)
1. 光譜分光器件選用光柵，常見(jiàn)結(jié)構(gòu)有單光柵、雙光柵、三光柵型。為了實(shí)現(xiàn)光譜分光的目的，還需要狹縫、反射鏡等匹配的光學(xué)器件和專門設(shè)計(jì)的光路。光譜分辨率主要由光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光電傳感器的光敏面尺寸決定， 一旦定型就難以改變。因此，這種方法缺點(diǎn)是光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜、光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高、光譜分辨率難以調(diào)整，設(shè)備對(duì)外部環(huán)境的干擾較為敏感。
2. 光柵攝譜儀中的光電傳感器采用CCD線陣或面陣、ICCD面陣。線陣和面陣傳感器一次可以測(cè)量整個(gè)光譜，光譜分辨率較好。CCD器件缺點(diǎn)是噪聲大，積分時(shí)間長(zhǎng)，不適合脈沖信號(hào)測(cè)量。ICCD器件缺點(diǎn)是噪聲大，有時(shí)間門控的ICCD雖然可以測(cè)量脈沖信號(hào)，但是門控時(shí)間調(diào)節(jié)范圍有限。
3. 掃描式單色儀中采用光電倍增管。光電倍增管具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)，但是進(jìn)行光譜測(cè)量要匹配的機(jī)械掃描部件；由于光譜測(cè)量周期較長(zhǎng)，不適合同時(shí)測(cè)量瞬間變化光脈沖的整個(gè)光譜。
以上方法和結(jié)構(gòu)有局限性，難以進(jìn)行脈沖光譜信號(hào)的快速、高靈敏度、光譜分辨率可靈活調(diào)整的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于光纖色散的脈沖光譜儀及測(cè)量方法，用于脈沖光信號(hào)的光譜測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)工作條件要求較低、測(cè)量靈敏度高、光譜分辨率可以靈活調(diào)整的特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)已有技術(shù)的不足。
由于光纖的材料色散，不同光波長(zhǎng)(A，A,對(duì)應(yīng)的折射率不同，分別為("/，" )。真空中的光速為c，由式(1)
7;=丄，！、7，2,…，" (1)
c",.
可以得到不同波長(zhǎng)的光脈沖通過(guò)長(zhǎng)度為丄的光纖的時(shí)間r,。根據(jù)(i)式，相鄰的波長(zhǎng)為(^,
Aw)的光脈沖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為丄的光纖的時(shí)間差異可由式(2)
、
i i
丄， ②
計(jì)算出。由此，可以測(cè)量出不同時(shí)間序列對(duì)應(yīng)的不同波長(zhǎng)的脈沖光譜信號(hào)。光譜儀的光譜分
辨率可以通過(guò)兩種方式調(diào)整
1. 光纖長(zhǎng)度丄固定，提高數(shù)據(jù)采集電路的采樣時(shí)間間隔，可以提高光譜分辨率數(shù)據(jù)；
2. 采集電路的采樣時(shí)間間隔固定，增加光纖長(zhǎng)度i，可以提高光譜分辨率。
本發(fā)明將含有多種波長(zhǎng)的光脈沖信號(hào)耦合到長(zhǎng)度為丄的光纖中。長(zhǎng)度為丄的光纖作為分光譜器件，將不同波長(zhǎng)的光脈沖分到不同的時(shí)間段上。由單一的快速響應(yīng)光電探測(cè)器接收上述光脈沖信號(hào)序列，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集和接口電路與外部計(jì)算機(jī)相連，完成脈沖光譜儀的功能。
本發(fā)明包括光纖、光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集和接口電路，其特征在于，所采用一段材料色散較大而模式色散、波導(dǎo)色散、偏振色散較小的光纖，光纖一端為光信號(hào)輸入端，另一端為光信號(hào)輸出端，光纖輸出端連接有光電探測(cè)器，光電探測(cè)器又電連接有數(shù)據(jù)采集電路和接口電路。所述光纖的材料色散大于光纖的模式色散、波導(dǎo)色散、偏振色散。所采用的光電探測(cè)器是單一的、在所測(cè)量波長(zhǎng)范圍內(nèi)均可快速響應(yīng)的光電探測(cè)器。所述的數(shù)據(jù)采集電路的特征是采樣時(shí)間間隔小于或等于需測(cè)量的相鄰波長(zhǎng)光譜信號(hào)在光纖內(nèi)傳輸?shù)臅r(shí)間差異。輸入到光纖中光信號(hào)的特征是其光譜范圍在光纖材料色散變化的單調(diào)區(qū)間。本發(fā)明不需采用可調(diào)整部件。
由本發(fā)明構(gòu)建的基于光纖色散的脈沖光譜儀，利用一段材料色散較大而模式色散、波導(dǎo)色散、偏振色散很小的光纖作為光譜分光器件，光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無(wú)可調(diào)機(jī)構(gòu)，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性幾乎沒(méi)有要求；同時(shí)，通過(guò)改變光纖長(zhǎng)度或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣時(shí)間間隔就可以調(diào)整光譜分辨率。光譜儀中僅使用單一的光電探測(cè)器測(cè)量光譜，不使用掃描機(jī)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且測(cè)量一致性好，抗震性好。本光譜儀適用于脈沖光信號(hào)的光譜測(cè)量，如脈沖激光熒光光譜測(cè)量、脈沖激光拉曼(Raman)光譜測(cè)量等。


4下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一歩說(shuō)明。
圖1,本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖
圖2，本發(fā)明的光纖入射脈沖光信號(hào)示意圖
圖3，本發(fā)明的光纖出射脈沖光信號(hào)示意圖
圖4，本發(fā)明的長(zhǎng)度加長(zhǎng)光纖出射脈沖光信號(hào)示意圖
圖中1.材料色散較大而模式色散、波導(dǎo)色散、偏振色散很小的光纖，2.單一的光電探測(cè)器，3.數(shù)據(jù)采集和接口電路
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的目的是提供一種用于測(cè)量脈沖光譜信號(hào)的光譜儀，以解決相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明的實(shí)施例如圖1所示。圖2中所示含有不同光波長(zhǎng)...，二)的光脈沖從光纖(O A端耦合進(jìn)去，從光纖(1) B端輸出。由于光纖(1)的材料色散，輸出光信號(hào)為圖3所示光脈沖序列。該光脈沖序列輸入到單一光電傳感器(2)中。單一光電傳感器(2)可以采用光電倍增管或雪崩光電二極管等。光電傳感器(2)的輸出經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集和接口電路與外部計(jì)算機(jī)相連，將光譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或顯示，實(shí)現(xiàn)脈沖光譜儀的功能。光譜儀的光譜分辨率可以通過(guò)兩種方式調(diào)整
1. 光纖長(zhǎng)度固定，調(diào)整數(shù)據(jù)采集電路的采樣時(shí)間間隔。如圖3中，如果采樣時(shí)間間隔為AT2，則可以測(cè)量波長(zhǎng)為^,義3,...的光信號(hào)；如果采樣時(shí)間間隔為AT、，則可以測(cè)量波長(zhǎng)為A山力，…的光信號(hào)，光譜分辨率提高。
2. 采集電路的采樣時(shí)間間隔固定，增加光纖長(zhǎng)度。如圖4中，增加光纖長(zhǎng)度，根據(jù)式(2)，使A/和&的時(shí)間間隔達(dá)到AT2。這樣采樣時(shí)間間隔為AT2的采集電路也能達(dá)到較高的光譜分辨率。
總之，圖1中光譜儀具有光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、無(wú)可調(diào)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，利用單一光電探測(cè)器可以獲得靈敏度高、 一致性好的脈沖光譜信號(hào)。圖1中光譜儀又具有光譜分辨率靈活調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)，適用于脈沖光譜測(cè)量領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1. 一種基于光纖色散的脈沖光譜儀，其特征在于采用一段材料色散較大而模式色散、波導(dǎo)色散、偏振色散較小的光纖，光纖一端為光信號(hào)輸入端，另一端為光信號(hào)輸出端，光纖輸出端連接有光電探測(cè)器，光電探測(cè)器又電連接有數(shù)據(jù)采集電路和接口電路。
2. 權(quán)利要求1所述的脈沖光譜儀的光譜分辨率通過(guò)調(diào)整權(quán)利要求1所述光纖的長(zhǎng)度或數(shù)據(jù)采集電路的采樣時(shí)間間隔調(diào)整。
3. 權(quán)利要求1所述光纖的特征在于光纖的材料色散大于光纖的模式色散、波導(dǎo)色散、偏振色 散。
4. 權(quán)利要求l所述的光電探測(cè)器的特征在于是單一的、在所測(cè)量波長(zhǎng)范圍內(nèi)均可快速響應(yīng)的光電探測(cè)器。
5. 權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)采集電路的特征在于采樣時(shí)間間隔小于或等于需測(cè)量的相鄰波長(zhǎng)光譜信號(hào)在光纖內(nèi)傳輸?shù)臅r(shí)間差異。
6. 權(quán)利要求1所述的輸入到光纖中光信號(hào)的特征在于其光譜范圍在光纖材料色散變化的單調(diào)區(qū)間。
7. 基于光纖色散的脈沖光譜測(cè)量方法其特征是由于光纖的材料色散，不同光波長(zhǎng)(4 義 )對(duì)應(yīng)的折射率不同，分別為( ，"2， ...，" );真空中的光速為C，由式(O<formula>formula see original document page 2</formula>可以得到不同波長(zhǎng)的光脈沖通過(guò)長(zhǎng)度為丄的光纖的時(shí)間r,;根據(jù)(1)式，相鄰的波長(zhǎng)為 Q"4w)的光脈沖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為丄的光纖的時(shí)間差異可由式(2)<formula>formula see original document page 2</formula>計(jì)算出；將含有多種波長(zhǎng)的光脈沖信號(hào)耦合到長(zhǎng)度為Z的光纖中；長(zhǎng)度為丄的光纖作為分 光譜器件，將不同波長(zhǎng)的光脈沖分到不同的時(shí)間段上；由單一的快速響應(yīng)光電探測(cè)器接收上述光脈沖信號(hào)序列，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集和接口電路與外部計(jì)算機(jī)相連，完成脈沖光譜的測(cè)量。
全文摘要
一種基于光纖色散的脈沖光譜儀及測(cè)量方法，利用一段材料色散較大而模式色散、波導(dǎo)色散等很小的光纖作為光譜分光器件，光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無(wú)可調(diào)機(jī)構(gòu)；通過(guò)改變光纖長(zhǎng)度或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣時(shí)間間隔就可以調(diào)整光譜分辨率。光譜儀中使用單一的光電探測(cè)器測(cè)量光譜，無(wú)掃描機(jī)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且測(cè)量一致性好，工作條件要求低。本發(fā)明適用于脈沖光信號(hào)的光譜測(cè)量，如脈沖激光熒光光譜測(cè)量、脈沖激光拉曼(Raman)光譜測(cè)量等。
文檔編號(hào)G01J3/28GK101464189SQ20091001382
公開(kāi)日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2009年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月6日
發(fā)明者劉金濤, 姚玉玲, 張凱臨, 葛玉榮 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋大學(xué)