CN110243472B - 基于色散傅里叶变换的自校准集成式高速实时光谱分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于色散傅里叶变换的自校准集成式高速实时光谱分析仪，其内部光栅倾斜设置的啁啾光纤布拉格光栅的周期沿轴向长度方向呈线性变化，啁啾光纤布拉格光栅的输入端输入待测光源，反射输出端与第一高速光电探测器的探测端连接，第一高速光电探测器的输出端与示波器的输入端连接，示波器的输出端连接处理装置；级联光电探测***包括多个第二光电探测器，每个第二光电探测器都设置在啁啾光纤布拉格光栅的对应位置处，用于探测对应位置处泄漏出来的反射光信号且其输出端都与数据采集卡的输入端连接，数据采集卡的输出端连接处理装置的第二输入端。本发明可以对快速变化光谱进行精确快速且自校准的光谱分析。
Description
技术领域
本发明属于光谱分析仪领域，具体涉及一种基于色散傅里叶变换的自校准集成式高速实时光谱分析仪。
背景技术
高速光谱分析仪具有分析速度快、分辨率高、实时性好等优点，在基于瞬态光谱测量的生化检测、多光子成像、超快激光测量等特殊前沿科研领域有十分重要的作用。现有的光谱分析仪工作原理主要由以下两种：一种通过机械扫描装置对被测激光进行扫描以达到分光的目的，再通过光电探测***以及示波器来进行光谱分析；另一种利用光栅、光纤、光纤布拉格光栅等色散元件的色散特性对被测激光进行分光，再外接光电探测***来进行信号的接收，最终在示波器上显示相应的光谱图。但依靠机械扫描或成像技术的标准光谱学，可达到的扫描速率(帧速率)通常太慢，无法解决激光***的快速光谱动力学问题。利用色散元件进行分光的机制只能捕获相当长一段时间内的平均数据，无法实现待测光源中绝对波长的实时测量，并且在测量绝对波长时，无法进行实时校准，而是需要进行多次测量来进行后期校准，使得***损耗较大，信噪比高。
发明内容
本发明提供一种基于色散傅里叶变换的自校准集成式高速实时光谱分析仪，以解决目前光谱分析仪无法对待测光源中绝对波长进行实时测量和实时校准的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于色散傅里叶变换的自校准集成式高速实时光谱分析仪，包括内部光栅倾斜设置的啁啾光纤布拉格光栅、第一高速光电探测器、级联光电探测***、示波器、数据采集卡和处理装置，其中所述啁啾光纤布拉格光栅的周期沿轴向长度方向呈线性变化，所述啁啾光纤布拉格光栅的输入端用于输入待测光源，反射输出端与所述第一高速光电探测器的探测端连接，所述第一高速光电探测器的输出端与所述示波器的输入端连接，所述示波器的输出端连接所述处理装置的第一输入端；所述级联光电探测***包括多个第二光电探测器，每个第二光电探测器的探测端都设置在所述啁啾光纤布拉格光栅的对应位置处，针对每个对应位置，所述啁啾光纤布拉格光栅在该对应位置处向后反射回所述待测光源中对应波长的光成分，在内部倾斜光栅的影响下，在各个对应位置处反射回的部分光信号被泄漏出来，每个第二光电探测器都用于探测对应位置处泄漏出来的反射光信号且其输出端都与所述数据采集卡的输入端连接，所述数据采集卡的输出端连接所述处理装置的第二输入端；
所述待测光源向前传输至所述啁啾光纤布拉格光栅后，一方面所述啁啾光纤布拉格光栅基于色散傅里叶变换将该待测光源的频域信息转换为时域信息，向后反射形成以时间为变量的波形曲线，所述第一高速光电探测器对所述波形曲线进行采集并传输给所述示波器，所述示波器对所述波形曲线进行显示，并将所述波形曲线传输给所述处理装置；另一方面所述级联光电探测***中各个第二光电探测器在探测到泄漏出来的反射光信号后，采集到其探测到的反射光信号对应的脉冲强度，从而形成包括不同波长下反射光信号脉冲强度的包络曲线，所述数据采集卡对所述包络曲线进行采集，并将所述包络曲线发送给所述处理装置；所述处理装置对所述波形曲线和包络曲线进行拟合，实现待测光源中绝对波长的实时自校准和测量。
在一种可选的实现方式中，所述内部光栅的倾斜角度取值范围为30°-60°。
在另一种可选的实现方式中，所述内部光栅的倾斜角度相同。
在另一种可选的实现方式中，所述处理装置为计算机，所述计算机利用MATLAB对所述波形曲线和包络曲线进行拟合，还利用MFC对拟合后的光谱曲线图进行显示。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过将待测光源输入啁啾光纤布拉格光栅中，利用啁啾光纤布拉格光栅基于色散傅里叶变换将待测光源中的频域信息转换为时域信息，向后反射形成以时间为变量的波形曲线，由此可以实现绝对波长的实时测量，并且本发明通过使啁啾光纤布拉格光栅的周期沿轴向长度方向呈线性变化，可以避免第一高速光电探测器在解调探测到的不同波长下的反射光信号时出现错误，并且可以保证色散均匀，使频域光谱等比例映射到时序，实现光展宽，能够达到降低峰值功率，从而在增益介质中实现脉冲激光的放大，避免非线性因素在放大过程中的影响。此外，本发明通过将啁啾光纤布拉格光栅中的内部光栅倾斜设置，使反射回来的光信号中有部分光信号泄露出来，被对应的第二光电探测器探测到，使各个第二光电探测器对对应波长光信号的脉冲强度进行采集，从而获得包括不同波长反射光信号脉冲强度的包络曲线，利用该包络曲线对波形曲线中对应的脉冲强度进行校准，可以实现待测光源中绝对波长的实时自校准。由此，本发明基于倾斜的啁啾光纤布拉格光栅并利用色散傅里叶变换可以实现对超快激光等快速变化的光谱进行精确快速且自校准的光谱分析，并可以将光谱分析速度提升至MHZ、GHZ量级。
2、本发明啁啾光纤布拉格光栅中内部光栅的倾斜角度取值范围为30°-60°，由此不仅可以保证第二光电探测器采集到对应波长的反射光信号，而且可以保证第一高速光电探测器能够采集到所有反射回的光信号。
附图说明
图1是本发明基于色散傅里叶变换的自校准集成式高速实时光谱分析仪的一个实施例结构示意图；
图2是啁啾光纤布拉格光栅简图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图1，为本发明基于色散傅里叶变换的自校准集成式高速实时光谱分析仪的一个实施例结构示意图。该光谱分析仪可以包括内部光栅倾斜设置的啁啾光纤布拉格光栅1、第一高速光电探测器2、级联光电探测***3、示波器5、数据采集卡4和处理装置6，其中所述啁啾光纤布拉格光栅1的周期沿轴向长度方向呈线性变化，所述啁啾光纤布拉格光栅1的输入端用于输入待测光源，反射输出端与所述第一高速光电探测器2的探测端连接，所述第一高速光电探测器2的输出端与所述示波器5的输入端连接，所述示波器5的输出端连接所述处理装置6的第一输入端；所述级联光电探测***3包括多个第二光电探测器31，每个第二光电探测器31的探测端都设置在所述啁啾光纤布拉格光栅1的对应位置处(例如贴在对应位置表面上)，针对每个对应位置，所述啁啾光纤布拉格光栅1在该对应位置处向后反射回所述待测光源中对应波长的光成分，在内部倾斜光栅的影响下，在各个对应位置处反射回的部分光信号被泄漏出来，每个第二光电探测器31都用于探测对应位置处泄漏出来的反射光信号且输出端都与所述数据采集卡4的输入端连接，所述数据采集卡4的输出端连接所述处理装置6的第二输入端。
所述待测光源向前传输至所述啁啾光纤布拉格光栅1后，一方面所述啁啾光纤布拉格光栅1基于色散傅里叶变换将该待测光源的频域信息转换为时域信息，向后反射形成以时间为变量的波形曲线，所述第一高速光电探测器2对所述波形曲线进行采集并传输给所述示波器5，所述示波器5对所述波形曲线进行显示，并将所述波形曲线传输给所述处理装置6；另一方面所述级联光电探测***3中各个第二光电探测器31在探测到泄漏出来的反射光信号后，采集到其探测到的反射光信号对应的脉冲强度，从而形成包括不同波长下反射光信号脉冲强度的包络曲线，所述数据采集卡4对所述包络曲线进行采集，并将所述包络曲线发送给所述处理装置6；所述处理装置6对所述波形曲线和包络曲线进行拟合，实现待测光源中绝对波长的实时自校准和测量。
本实施例中，光栅周期是指从一个折射率改变点到相邻一个折射率改变点的长度，即针对啁啾光纤布拉格光栅上两相邻反射不同波长光信号的对应位置，两个对应位置之间的距离就为光栅周期。由于啁啾光纤布拉格光栅上反射不同波长光信号的位置各不相同，若只针对一束待测光源，对应地不同波长的反射光信号向后传输至第一高速光电探测器的时刻也会各不相同，第一高速光电探测器根据探测到反射光信号的时刻，就可确定该反射光信号与哪个波长对应。但是待测光源测量是连续不断的过程，针对连续两束待测光源，不同波长的反射光信号向后传输至第一高速光电探测器的时刻可能相同。假设两相邻反射不同波长光信号的对应位置处，从第一位置处将对应波长光信号反射传输回第一高速光电探测器的时刻为t，从第二位置处将对应波长光信号反射传输回第一高速光电探测器的时刻为2t，那么在下一束待测光源输入时，从第一位置处将对应波长光信号反射传输回第一高速光电探测器的时刻为2t，显然与上一束待测光源输入时第二位置将对应波长光信号反射传输回第一高速光电探测器的时刻相同，此时第一高速光电探测器无法区分该时刻采集到的两个反射光信号具体与哪个波长对应，从而出现反射信号解调错误。本发明通过使啁啾光纤布拉格光栅的周期沿轴向长度方向呈线性变化，可以保证无论任何时候，不同波长的反射光信号传输至第一高速光电探测器的时刻都不相同，避免第一高速光电探测器在解调探测到的不同波长反射光信号时出现错误，并且可以保证色散均匀，使频域光谱等比例映射到时序，实现光展宽，能够达到降低峰值功率，从而在增益介质中实现脉冲激光的放大，避免非线性因素在放大过程中的影响。
由于针对啁啾光纤布拉格光栅中用于反射不同波长光信号的各个对应位置，其将对应波长光信号反射回第一高速光电探测器的时长各不相同且不呈整数倍关系，因此第一高速光电探测器在探测到反射光信号后，可以首先求取当前时刻与接收到各个波长反射信号的初始时刻之间的差值，然后将该差值除以各个波长光信号反射回第一高速光电探测器的时长，若为整数，则确定该反射信号与对应波长对应，并将该反射信号绘制到与该整数对应的波形曲线中，从而形成以时间为变量的波形曲线。第一高速光电探测器在采集到波形曲线后，将各个波形曲线传输给示波器，示波器对波形曲线进行显示并将波形曲线传输给处理装置。
此外，本实施例中啁啾光纤布拉格光栅中的内部光栅倾斜设置，如此设定是为了使从啁啾光纤布拉格光栅对应位置处反射回的对应波长光信号中有部分光信号从其反射输出端泄露出来，从而被对应的第二光电探测器所探测到。由于每个第二光电探测器都设置在啁啾光纤布拉格光栅上不同的位置处，而不同位置处可反射回的光信号的波长各不相同，因此各个第二光电探测器探测到的泄露出的反射光信号的波长各不相同。虽然啁啾光纤布拉格光栅中内部光栅的倾斜设置可以使反射回的光信号中的部分光信号泄露出来，使第二光电探测器探测到对应波长的反射光信号，但是针对啁啾光纤布拉格光栅最前端反射回的光信号，其需要沿着轴向长度方向向后传输，在向后传输过程中其会出现损耗，如果泄露出去的反射光信号较多，则第一高速光电探测器探测到的反射光信号会比较微弱，相反，如果泄露出去的反射光信号较少，则第二光电探测器探测到的反射光信号就比较微弱。为此，本发明啁啾光纤布拉格光栅中内部光栅的倾斜角度取值范围为30°-60°，由此不仅可以保证第二光电探测器采集到对应波长的反射光信号，而且可以保证第一高速光电探测器能够采集到所有反射回的光信号。数据采集卡对每个第二光电探测器获得的包络曲线进行采集，并将采集到的各个包络曲线传输给处理装置。另外，本发明啁啾光纤布拉格光栅的啁啾系数可以为0.02-2000ps2；被测激光波长为750-2100nm，展宽量一般大于10ns，反射率一般大于99％。
处理装置在接收到波形曲线和包络曲线后，对所述波形曲线和包络曲线进行拟合，利用包络曲线中对应波长下反射光信号的脉冲强度，对波形曲线中对应波长下的脉冲强度进行实时校准。本实施例中，绝对波长是指选定测量的波长范围，且啁啾光纤布拉格光栅可以是定制加工的，其各个内部光栅的倾斜角度可以相同，待测光源可以包括光谱快速变化的激光。
由上述实施例可见，本发明通过将待测光源输入啁啾光纤布拉格光栅中，利用啁啾光纤布拉格光栅基于色散傅里叶变换将待测光源中的频域信息转换为时域信息，向后反射形成以时间为变量的波形曲线，由此可以实现绝对波长的实时测量，并且本发明通过使啁啾光纤布拉格光栅的周期沿轴向长度方向呈线性变化，可以避免第一高速光电探测器在解调探测到的不同波长下的反射光信号时出现错误，并且可以保证色散均匀，使频域光谱等比例映射到时序，实现光展宽，能够达到降低峰值功率，从而在增益介质中实现脉冲激光的放大，避免非线性因素在放大过程中的影响。此外，本发明通过将啁啾光纤布拉格光栅中的内部光栅倾斜设置，使反射回来的光信号中有部分光信号泄露出来，被对应的第二光电探测器探测到，使各个第二光电探测器对对应波长光信号的脉冲强度进行采集，从而获得包括不同波长反射光信号脉冲强度的包络曲线，利用该包络曲线对波形曲线中对应的脉冲强度进行校准，可以实现待测光源中绝对波长的实时自校准。由此，本发明基于倾斜的啁啾光纤布拉格光栅并利用色散傅里叶变换可以实现对超快激光等快速变化的光谱进行精确快速且自校准的光谱分析，并可以将光谱分析速度提升至MHZ、GHZ量级。
另外，所述处理装置可以为计算机，所述计算机可以利用MATLAB(为美国MathWorks公司出品的商业数学软件)对所述波形曲线和包络曲线进行拟合，还可以利用MFC(微软基础类库)对拟合后的光谱曲线图进行显示。结合图2所示，啁啾光纤布拉格光栅的输入端与光学循环器(例如环形器)的第二端连接，光学循环器的第一端用于输入待测光源，第三端与第一高速光电探测器的探测端连接，用于将反射回的光信号传输给第一高速光电探测器。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (4)
1.一种基于色散傅里叶变换的自校准集成式高速实时光谱分析仪，其特征在于，包括内部光栅倾斜设置的啁啾光纤布拉格光栅、第一高速光电探测器、级联光电探测***、示波器、数据采集卡和处理装置，其中所述啁啾光纤布拉格光栅的周期沿轴向长度方向呈线性变化，所述啁啾光纤布拉格光栅的输入端用于输入待测光源，反射输出端与所述第一高速光电探测器的探测端连接，所述第一高速光电探测器的输出端与所述示波器的输入端连接，所述示波器的输出端连接所述处理装置的第一输入端；所述级联光电探测***包括多个第二光电探测器，每个第二光电探测器的探测端都设置在所述啁啾光纤布拉格光栅的对应位置处，针对每个对应位置，所述啁啾光纤布拉格光栅在该对应位置处向后反射回所述待测光源中对应波长的光成分，在内部倾斜光栅的影响下，在各个对应位置处反射回的部分光信号被泄漏出来，每个第二光电探测器都用于探测对应位置处泄漏出来的反射光信号且其输出端都与所述数据采集卡的输入端连接，所述数据采集卡的输出端连接所述处理装置的第二输入端；
所述待测光源向前传输至所述啁啾光纤布拉格光栅后，一方面所述啁啾光纤布拉格光栅基于色散傅里叶变换将该待测光源的频域信息转换为时域信息，向后反射形成以时间为变量的波形曲线，所述第一高速光电探测器对所述波形曲线进行采集并传输给所述示波器，所述示波器对所述波形曲线进行显示，并将所述波形曲线传输给所述处理装置；另一方面所述级联光电探测***中各个第二光电探测器在探测到泄漏出来的反射光信号后，采集到其探测到的反射光信号对应的脉冲强度，从而形成包括不同波长下反射光信号脉冲强度的包络曲线，所述数据采集卡对所述包络曲线进行采集，并将所述包络曲线发送给所述处理装置；所述处理装置对所述波形曲线和包络曲线进行拟合，实现待测光源中绝对波长的实时自校准和测量。
2.根据权利要求1所述的基于色散傅里叶变换的自校准集成式高速实时光谱分析仪，其特征在于，所述内部光栅的倾斜角度取值范围为30°-60°。
3.根据权利要求1或2所述的基于色散傅里叶变换的自校准集成式高速实时光谱分析仪，其特征在于，所述内部光栅的倾斜角度相同。
4.根据权利要求1所述的基于色散傅里叶变换的自校准集成式高速实时光谱分析仪，其特征在于，所述处理装置为计算机，所述计算机利用MATLAB对所述波形曲线和包络曲线进行拟合，还利用MFC对拟合后的光谱曲线图进行显示。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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