CN102680096B - 一种低分辨光纤单色仪 - Google Patents

Abstract

<b/>本发明涉及光纤器件领域，具体涉及一种低分辨光纤单色仪，本发明的基本结构为：采用 Y形多模光纤分束器，两个同侧的分支分别用于激发光和信号光的传输，信号光出射光纤的光纤端面与光纤轴向呈γ= 90°–arcsin{λ/[d(n₁–1)]}的倾斜角，在光出射端面的纤芯范围内布满平行等距的光栅刻痕，刻痕垂直于端面倾斜方向和光纤轴向。信号光出射光纤射出的信号光被端面光栅色散为单色光，由与信号光出射光纤同轴安装的光电转换元件接收。而端面斜角使信号光的中心波长的一级衍射方向沿光纤轴向。本发明的光纤单色仪易于组装，可以用于温度传感、化学传感、吸收率测量分析、色度学测量等应用。

Description

一种低分辨光纤单色仪

技术领域

本发明涉及光纤器件领域，尤其涉及一种低分辨光纤单色仪。

背景技术

光纤光谱测量以及基于光纤光谱的传感技术方法中，色散元件有光纤光栅、AWG波分复用器、多层膜滤色片、马赫-泽德干涉、法布里-珀罗微光学元件等类型；信号光波长范围较宽、对波长的分辨精度要求不高时，还常常使用小型光纤光谱仪来解析出低分辨光谱。相较之下，本发明的光纤单色仪能够提供低分辨率的色散，且体积微小、制造工艺稳定可靠、使用便利，在产品的成本和应用领域范围方面有很大优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于低分辨光谱测量和光学传感的低分辨光纤单色仪，具体应用包括温度传感、化学传感、吸收率测量分析、色度学测量等。

本发明是这样来实现的，一个Y形多模光纤分束器的两个同侧的光纤分支分别用于激发光和信号光的传输，其中信号光出射光纤的端面相对于光纤轴向呈特定角度倾斜，透射式光栅制作在信号光出射光纤的端面，光电转换元件与信号光出射光纤同轴安装。

Y形多模光纤分束器的信号光出射光纤的端面相对于光纤轴向的倾斜角为γ= 90° – arcsin{λ/[d(n ₁–1)]}。

所述的透射式光栅的每条刻痕都垂直于光纤轴向和信号光出射光纤端面的倾斜方向，并平行等距分布。

是所述的Y形多模光纤分束器的分支比根据激发光强度、信号光强度来确定，通常取50/50。

信号光出射光纤的端面研磨或切割出的倾斜角γ= 90° – arcsin{λ/[d(n ₁–1)]}使信号光中心波长的一级衍射方向沿光纤轴向。

透射式光栅直接光刻在、或者平行粘贴在、或者模压复制在信号光出射光纤的端面。

本发明所述的透射式光栅，其特征是光栅直接光刻在、或者平行粘贴在、或者模压复制在信号光出射光纤的端面。制作方法取决于精度要求和光纤材质。

本发明的优点是：便捷的组装方式，极小的器件尺寸，使用便利、成本低廉。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明A的局部方大图。

在图中，1、Y形多模光纤分束器11、激发光入射光纤12、信号光出射光纤13、光纤尾纤2、透射式光栅3、光电转换元件

图中显示信号光中心波长λ的一级衍射沿光纤轴向传播，进入光电转换元件的情况。n ₁为光纤纤芯折射率；n ₂为空气折射率；θ为信号光束与信号光出射光纤端面法线的夹角；Ф为衍射角；γ为信号光出射光纤的端面的倾斜角。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明是这样来实现的，它包括一个Y形多模光纤分束器1，分束器的两个同侧的分支分别用于激发光和信号光的传输，激发光经激发光入射光纤11注入传感器探针，信号光经信号光出射光纤12导出，激发光被部分吸收部分反射、或者激发光的波长被调制发生在Y形多模光纤波导分束器另一侧的光纤尾纤13上。信号光出射光纤12的端面相对于光纤轴向呈特定角度倾斜，透射式光栅2制作在信号光出射光纤12的端面。信号光通过透射式光栅2后被色散为单色光。属于一级衍射的单色光的中心波长成分沿信号光出射光纤12的轴向出射。同轴安装在信号光出射光纤12末端的光电转换元件3接收已经色散了的信号光，输出信号光中各不同波长成分的光强度相对值，即信号光的光谱。

本发明所述的Y形多模光纤分束器1的信号光出射光纤12的端面相对于光纤轴向的倾斜角为γ，且γ= 90° – arcsin{λ/[d(n ₁–1)]}。其中λ为信号光的中心波长，d为所述的透射式光栅2的光栅常数，n ₁为光纤纤芯的折射率或有效折射率。

本发明所述的透射式光栅2的每条刻痕都垂直于光纤轴向和信号光出射光纤端面的倾斜方向，并平行等距分布。

根据斜入射的光栅方程：d (n ₁sinθ+ n ₂sinФ) = ± kλ ,信号光出射到空气后被光电转换元件3接收，空气折射率n ₂取1。信号光沿光纤轴向传输，在信号光出射光纤12的端面的入射角为θ，而端面相对于光纤轴向的倾斜角γ=90°–θ。对于一级衍射k=1，本发明所述的特定倾斜角γ使信号光中心波长的一级衍射方向沿光纤轴向，亦即一级衍射角Ф = –θ。

信号光出射光纤12的端面可以用研磨或切割的方式加工出来。研磨或切割可以使用常规的光纤研磨机和光纤切刀。

本发明所述的Y形多模光纤分束器1的分支比根据激发光强度、信号光强度来确定，通常取50/50。但选用其它的分支比不影响本发明的光纤单色仪的色分辨本领。

本发明所述的透射式光栅2直接光刻在、或者平行粘贴在、或者模压复制在信号光出射光纤12的端面。制作方法取决于光纤材质。塑料光纤适合采用模压方法在光纤端面复制出光栅；石英或蓝宝石光纤适合直接采用光刻工艺；不同类型的光纤均可粘贴预制好的光栅。

控制透射光栅2的闪耀角，可使信号光的绝大部分的光能量集中到预定的光谱级，即本发明中设定的第一级衍射级。

然后一级衍射的单色光由光电转换元件3接收。光电转换元件3可以使用阵列式探测器例如CCD、CMOS摄像头，也可以使用分立的光电探测器如光敏三极管、光敏电阻等。

具体举例一，以光纤尾纤13连接一个Er³⁺离子荧光温度传感探头的低分辨光纤单色仪为例：

用于荧光比强度法温度传感的Er³⁺离子荧光的波长范围在515nm~570nm。取545nm为所述信号荧光的中心波长，荧光光谱的分辨率达到15nm即可实际应用。

采用市售的Y形多模石英光纤分束器，纤芯的折射率为n ₁=1.468，芯径62.5微米。激发光由激发光入射光纤11导入，将信号光出射光纤12的端面研磨为39度倾斜，然后在端面斜面上光刻出平行等距分布的光栅刻痕，光栅常数1.5微米，光栅刻痕均垂直于光纤轴向和信号光出射光纤端面的倾斜方向。由光栅方程计算可得，波长λ=545nm的光的一级衍射（即k=1）沿光纤轴向。光纤的纤芯范围共刻线数为N = 62.5 / ( 1.5 * sin39°)计66条。由光栅的色分辨本领计算式R = kN–1 = λ/Δλ，该端面光栅的一级衍射光谱在545nm波长处的分辨率为8.4nm。

具体举例二，光纤尾纤13直接正对一个待测物体的表面测量反射光谱。从物体表面反射的光返回到光纤尾纤13，并最终在信号光出射光纤12的端面处衍射后被光电转换元件3接收。取1.2微米的光栅常数、27度的端面倾斜角，可以使500nm波长光的一级衍射沿光纤轴向出射，并达到约4nm的分辨率。

本发明不限于上述实施方式。

Claims (6)

1.一种低分辨光纤单色仪，其特征在于：一个Y形多模光纤分束器的两个同侧的光纤分支分别用于激发光和信号光的传输，其中信号光出射光纤的端面相对于光纤轴向呈特定角度倾斜，透射式光栅制作在信号光出射光纤的端面，光电转换元件与信号光出射光纤同轴安装。

2.根据权利要求1所述的一种低分辨光纤单色仪，其特征是Y形多模光纤分束器的信号光出射光纤的端面相对于光纤轴向的倾斜角为γ = 90° – arcsin{λ/[d(n ₁–1)]}，其中，λ为信号光的中心波长、d为所述的透射式光栅的光栅常数，n ₁为光纤纤芯的折射率。

3.根据权利要求1所述的一种低分辨光纤单色仪，其特征是所述的透射式光栅的每条刻痕都垂直于光纤轴向和信号光出射光纤端面的倾斜方向，并平行等距分布。

4.根据权利要求1所述的一种低分辨光纤单色仪，其特征是所述的Y形多模光纤分束器的分支比根据激发光强度、信号光强度来确定，取50/50，但分支比的取值不影响所述的光纤单色仪的色分辨本领。

5.根据权利要求2所述的一种低分辨光纤单色仪的信号光出射光纤的端面，其特征是研磨或切割出的倾斜角γ = 90° – arcsin{λ/[d(n ₁–1)]}使信号光中心波长的一级衍射方向沿光纤轴向。

6.根据权利要求3所述的一种低分辨光纤单色仪的透射式光栅，其特征是光栅直接光刻在、或者平行粘贴在、或者模压复制在信号光出射光纤的端面。