一種簡易低成本的波長實時測量裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種簡易低成本的波長實時測量裝置。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第一光電探測器，另外一束光直接與第二光電探測器連接，剩余的兩束光分別同時先與光纖環(huán)形器相連，然后各自連接兩個F?P標準具，接著分別與第三光電探測器和第四光電探測器相連，從兩環(huán)形器支路3出射的兩條光線直接分別連至第五光電探測器和第六光電探測器中，然后將光電探測器出射的六條光線經(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。本實用新型結(jié)構(gòu)緊湊簡單，成本低，測量范圍大，可實時測量，應(yīng)用于精密計量領(lǐng)域。
【專利說明】
一種簡易低成本的波長實時測量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于激光頻譜特性參數(shù)測量領(lǐng)域，用于測量未知激光的波長值。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光作為一種光源由于其單色性好、方向性強、色散小等特點在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與 工程實踐中得到了廣泛的應(yīng)用。激光波長是物理檢測的基準值，被廣泛應(yīng)用于長度、速度、 角度、平面度、直線度和垂直度等的測量，是精密計量、精密機械和微電子工業(yè)領(lǐng)域重要的 測量參數(shù)。精確地測量激光波長，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 長測量儀器主要是光譜儀和波長計，但分光型光譜儀受限于其測量原理只能實現(xiàn)激光中心 波長的粗略測量(約幾十pm)，而且價格比較昂貴;波長計因其高精度測量的優(yōu)點，而被廣泛 應(yīng)用于激光波長的測量中?，F(xiàn)代商用的波長計按照測量原理分類，主要有斐索干涉型波長 計、法布里-珀羅干涉型波長計和邁克爾遜干涉型波長計，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探測干涉條紋以及復(fù)雜的圖像處理；（[1 ]吳瑞坤.F-P標準具 激光波長測量系統(tǒng).中國激光，1986，14(5): 287-291. [2]宋建明，是度芳.利用斐索干涉測 量激光波長.量子電子學(xué)報，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，通過波長值已知的參考激光和待測激光產(chǎn)生的干涉條 紋進行對比，從而得到待測激光的波長值。（[3]陸宏.利用F-P標準具實時測量激光波長的 研究.激光技術(shù)，1996，20(3): 143-146. [4]王利強，左愛斌，彭月祥.光波長測量儀器的分 類、原理及研究進展.科技導(dǎo)報，2005,23(6) :31-33)這些因素都使現(xiàn)在的波長計成本較高， 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計(如HP 81620c)由于內(nèi) 置機械掃描部件，受振動影響大，不能在環(huán)境較為復(fù)雜的場所運行，且難以實現(xiàn)窄脈沖光的 波長測量。 【實用新型內(nèi)容】
[0003] 本實用新型提出了一種無需參考激光器，利用雙F-P(Fabry-P6r〇t)標準具與線性 濾波器結(jié)合的簡易低成本的波長實時測量裝置。即入射光經(jīng)過分束后，分別通過一個線性 濾波器和兩個F-P標準具，通過測量透過的光功率值實現(xiàn)對激光波長的精確測量。該裝置能 夠大范圍、高精度的實時測量激光波長，具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單，低成本，易于操作等特點。
[0004] 通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0005] -種簡易低成本的波長實時測量裝置，其特征在于：由1分4光線耦合器（1)、線性 濾波器(2)、光纖環(huán)形器(3)、第一 F-P標準具(4)、第二F-P標準具(5)、溫度控制裝置(6)、第 一光電探測器(7)、第二光電探測器(8)、第三光電探測器(9)、第四光電探測器（10)、第五光 電探測器（11)、第六光電探測器（12)、數(shù)據(jù)采集卡（13)和電腦（14)組成，上述各部分的位置 關(guān)系如下：
[0006] 待測激光經(jīng)過1分4光纖耦合器（1)等分的四束光分別通過光纖①、光纖②、光纖 ③、光纖④與后面器件相連，光纖①中的光經(jīng)過線性濾波器(2)被第一光電探測器(7)探測， 光纖②中的光直接被第二光電探測器(8)探測；光纖③先連接一個光纖環(huán)形器(3)，環(huán)形器 的分路2接第一 F-P標準具(4)，經(jīng)過第一 F-P標準具(4)的透射光被第三光電探測器(9)探 測，另一分路3的反射光被第四光電探測器(10)探測;光纖④同樣也先連接一個光纖環(huán)形器 (3)，環(huán)形器的分路2接第二F-P標準具(5)，然后其透射光被第五光電探測器（11)探測，另一 分路3的反射光被第六光電探測器（12)探測;第一光電探測器(7)-第六光電探測器（12)的6 個電信號由數(shù)據(jù)采集卡（13)采集，最后通過電腦（14)分析計算從而得到待測激光波長，其 中，第一F-P標準具(4)和第二F-P標準具(5)分別放置在溫度控制裝置(6)中以隔絕外界溫 度變化的影響。（結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示）
[0007] 所述的線性濾波器，在一定范圍內(nèi)，不同波長的激光入射后其透過的光功率會不 同，由此通過探測到的光功率值來粗略確定波長?；谠硭?，F(xiàn)-P標準具對波長的響應(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值對應(yīng)于F-P標準具的 波長響應(yīng)正弦曲線的一個準確周期，從而確定一個周期范圍內(nèi)的準確單調(diào)區(qū)間，所以線性 濾波器的波長分辨率應(yīng)小于F-P標準具FSR(自由光譜范圍）的1/4。
[0008] 所述的兩個F-P標準具各自對應(yīng)的光強-波長曲線均為正弦型，且兩曲線的相位差 為90度，具有互補的波長響應(yīng)特性，因此兩F-P標準具可以用來互相補償在響應(yīng)曲線波峰和 波谷附近的測量，從而提高測量精度;溫度控制裝置使用兩塊銅塊與F-P標準具上下緊密貼 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)部用于實時采集溫度值， 外接溫度控制電路（17)構(gòu)成負反饋閉合控制系統(tǒng)，采用PID算法進行精確溫度控制，控制精 度為〇. 001度，其對應(yīng)的波長控制精度為〇. lnm。(溫控裝置如圖2所示）
[0009] 本實用新型的優(yōu)點在于：1、全光纖結(jié)構(gòu)，布局靈活，不需要空間準直，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，拓寬了該波長測量裝置的應(yīng)用領(lǐng)域和使 用條件。2、原理方面，本實用新型所述測量系統(tǒng)只需分別探測經(jīng)過雙F-P腔和濾波器的光功 率，就可以測量入射激光的波長值，不需要圖像處理，后期的數(shù)據(jù)處理簡單;3、本實用新型 所述測量系統(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。
【附圖說明】
[0010]圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖；
[0011] 圖2是本實用新型的溫度控制裝置圖；
[0012] 圖3是F-P標準具的I(t)/IW~λ波形圖；
[0013] 圖4是F-P標準具的補償實驗結(jié)果波形圖；
[0014]圖5是波長測量的流程圖。
【具體實施方式】
[0015] 本實用新型的工作原理：
[0016] F-P腔標準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、右兩端面對光信號沒有吸收，當(dāng)待測 激光以一定的角度Θ入射到F-P腔標準具時，經(jīng)過一系列的推斷，可得出反射光強度和透射 光強度之比為
[0018] δ為相位，R為F-P標準具內(nèi)高反射率膜的反射率。
[0019] 由相位和腔長的關(guān)系
[0020] δ=ΚΔ =Κ · 2nl cosB (1-2)
[0021] 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)，Κ = 23?/λ;η為腔內(nèi)的 折射率;1為腔長;9為光在腔內(nèi)反射的夾角。
[0022] 結(jié)合公式（1-1)和（1-2)可得：
[0024]若入射激光的中心波長λ〇為1550nm，所對應(yīng)的F-P標準具的FSR為100GHz(波長間 隔為0.8nm)，由自由光譜范圍
[0026] 可知2nl = 3003000nm，代入等式（1-3)，取高反射率膜的反射率為0.8時，當(dāng)待測激 光近似垂直入射至F-P標準具時，0 = 〇，cos0 = l。歸一化后相應(yīng)的I(t)/Iw~λ波形如圖3所 不。
[0027] 由所示波形圖的周期性可知，當(dāng)我們探測到一個光功率值時，在波長響應(yīng)曲線的 一個周期內(nèi)除了波峰點和波谷點外，都對應(yīng)有兩個波長值(如圖3中的a、b兩點）。這里我們 用到的線性濾波器對信號光波長的分辨率為0. lnm，而F-P標準具的FSR為100GHz (約 〇.8nm)，濾波器的分辨率小于波長響應(yīng)曲線的1/4周期波長間隔，所以我們能夠根據(jù)測得的 線性濾波器透射率所對應(yīng)的波長值，來進一步確定波長響應(yīng)曲線橫坐標所在的某個準確單 調(diào)區(qū)間（即圖3中從a、b兩點中確定出其中一點所對應(yīng)的波長值），最終求得此時光功率對應(yīng) 的準確波長Μ直。
[0028] 然而對于波長響應(yīng)曲線斜率無限趨近于0時（即波形圖中的波峰和波谷附近），由 于光電探測器熱噪聲、放大電路噪聲等因素，會大大影響數(shù)據(jù)的可靠性和真實性。
[0029] 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)/IW~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響應(yīng)曲線來補償原圖形 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(對應(yīng)波長響應(yīng)曲線的1/4個 周期），從而使得原波長響應(yīng)曲線（I)的波峰和波谷對應(yīng)于相移后的波長響應(yīng)曲線（II)的線 性度高的區(qū)域，如圖4所示，當(dāng)我們探測到原波長響應(yīng)曲線（I)的光功率值(c點處)位于波峰 或波谷附近時，這時我們?nèi)⊥粫r間探測到的相移后的波長響應(yīng)曲線（II)對應(yīng)的光功率值 (d點處），所對應(yīng)的λ值( e點處），最終就得到了此時待測激光的準確波長值。
[0030] 本實用新型的有益效果是：
[0031] 該裝置使用線性濾波器先粗略測量待測激光的波長，確定其在F-P標準具對應(yīng)的 光強-波長曲線的準確某一周期范圍；再通過第一 F-P標準具和第二F-P標準具各自對應(yīng)的 光強-波長曲線的結(jié)合，就可以得到準確的波長值。這種方法不僅避免了圖像處理步驟，大 大簡化了后期的數(shù)據(jù)處理，而且使得整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊簡單，體積較小易于攜帶;第一光電 探測器和第二光電探測器為一組，第三光電探測器和第四光電探測器為一組，第五光電探 測器和第六光電探測器為一組，這樣的對比測量可以排除因入射光功率變化造成的測量誤 差;溫度控制裝置分別與第一 F-P標準具、第二F-P標準具緊密接粗，最終實現(xiàn)高精度溫度控 制，用于排除外界溫度變化對其不良影響。基于以上性質(zhì)使得該裝置結(jié)構(gòu)緊湊簡單，成本 低，測量范圍大，可實時測量光波長。
[0032] 綜上，本發(fā)明的部分重要流程如下：
[0033] 由通過線性濾波器的光功率值來縮小F-P標準具的波長響應(yīng)曲線至某個確定的周 期中的單調(diào)區(qū)間;然后，若測得的光功率值在波函數(shù)線性度高的區(qū)域，就讀取第三光電探測 器(5)和第四光電探測器(6)的光功率值;若測得的光功率值在靠近波峰或波谷附近時，此 時讀取第三光電探測器(7)和第六光電探測器(8)的光功率值;最后結(jié)合測得的光功率值求 出相應(yīng)的波長值。（流程圖如圖5所示）
[0034]本發(fā)明的波長測量步驟為：
[0035] 步驟1)按照圖1，連接光路:待測激光經(jīng)過1分4光纖耦合器（1)等分的四束光分別 通過光纖①、光纖②、光纖③、光纖④與后面器件相連，光纖①中的光經(jīng)過線性濾波器(2)被 第一光電探測器(7)探測，光纖②中的光直接被第二光電探測器(8)探測;光纖③先連接一 個光纖環(huán)形器(3)，環(huán)形器的分路2接第一 F-P標準具(4)，經(jīng)過第一 F-P標準具(4)的透射光 被第三光電探測器(9)探測，另一分路3的反射光被第四光電探測器（10)探測;光纖④同樣 也先連接一個光纖環(huán)形器(3)，環(huán)形器的分路2接第二F-P標準具(5)，然后其透射光被第五 光電探測器（11)探測，另一分路3的反射光被第六光電探測器（12)探測；第一光電探測器 (7)_第六光電探測器（12)的6個電信號由數(shù)據(jù)采集卡（13)采集，最后通過電腦（14)分析計 算從而得到待測激光波長。
[0036] 步驟2)按照圖2,溫度控制:溫度控制裝置使用兩塊銅塊與F-P標準具上下緊密貼 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)部用于實時采集溫度值， 外接溫度控制電路（17)構(gòu)成負反饋閉合控制系統(tǒng)，采用PID算法進行精確溫度控制，控制精 度為〇. 001度，其對應(yīng)的波長控制精度為〇. lnm。
[0037] 步驟3)數(shù)據(jù)采集與處理：參照圖1，第一光電探測器(7)至第六光電探測器（12)探 測六條通道輸出光功率;然后將所有通道信號連接到數(shù)據(jù)采集卡(8)中，數(shù)據(jù)采集卡（13)通 過USB連接電腦(14)，最后通過電腦(14)分析計算從而得到待測激光波長。
【主權(quán)項】
1. 一種簡易低成本的波長實時測量裝置，其特征在于：由1分4光線耦合器（1)、線性濾 波器(2)、光纖環(huán)形器(3)、第一 F-P標準具(4)、第二F-P標準具(5)、溫度控制裝置(6)、第一 光電探測器(7)、第二光電探測器(8)、第三光電探測器(9)、第四光電探測器（10)、第五光電 探測器（11)、第六光電探測器（12)、數(shù)據(jù)采集卡（13)和電腦（14)組成，上述各部分的位置關(guān) 系如下： 待測激光經(jīng)過1分4光纖耦合器（1)等分的四束光分別通過光纖①、光纖②、光纖③、光 纖④與后面器件相連，光纖①中的光經(jīng)過線性濾波器(2)被第一光電探測器(7)探測，光纖 ②中的光直接被第二光電探測器(8)探測；光纖③先連接一個光纖環(huán)形器(3)，環(huán)形器的分 路2接第一F-P標準具(4)，經(jīng)過第一F-P標準具(4)的透射光被第三光電探測器(9)探測，另 一分路3的反射光被第四光電探測器（10)探測;光纖④同樣也先連接一個光纖環(huán)形器(3)， 環(huán)形器的分路2接第二F-P標準具(5)，然后其透射光被第五光電探測器(11)探測，另一分路 3的反射光被第六光電探測器（12)探測；第一光電探測器(7)-第六光電探測器（12)的6個電 信號由數(shù)據(jù)采集卡（13)采集，最后通過電腦（14)分析計算從而得到待測激光波長，其中，第 一 F-P標準具(4)和第二F-P標準具(5)分別放置在溫度控制裝置(6)中以隔絕外界溫度變化 的影響。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種簡易低成本的波長實時測量裝置，其特征在于:通過測量 激光通過線性濾波器(2)的透射率粗略估算光波長值；由于第一F-P標準具(4)和第二F-P標 準具(5)的透射率對波長的響應(yīng)是正弦周期變化的，線性濾波器主要用來確定入射光波長 值對應(yīng)于第一F-P標準具(4)和第二F-P標準具(5)的波長響應(yīng)正弦曲線的哪個周期，因此線 性濾波器(2)對激光波長的測量誤差應(yīng)小于第一 F-P標準具(4)和第二F-P標準具(5)波長響 應(yīng)正弦曲線周期的1/4。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種簡易低成本的波長實時測量裝置，其特征在于:第一 F-P 標準具(4)和第二F-P標準具(5)的相位差為90度，這樣第一 F-P標準具(4)或第二F-P標準具 (5)的波長響應(yīng)曲線的波峰和波谷都對應(yīng)于第二F-P標準具(4)或第一 F-P標準具（5)線性 區(qū)，通過這種互補測量的方式可以解決波長響應(yīng)正弦曲線在波峰和波谷附近處引起的測量 誤差大的問題。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種簡易低成本的波長實時測量裝置，其特征在于:溫度控 制裝置(6)使用兩塊銅塊同時與第一 F-P標準具(4)和第二F-P標準具(5)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)部用于實時采集溫度值，外接溫度控制 電路構(gòu)成負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。
【文檔編號】G01J9/00GK205642638SQ201620016947
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年1月4日
【發(fā)明人】李裔, 陳貝, 張慶利
【申請人】中國計量學(xué)院