CN110346304A - 一种基于时隙复用的光纤偏振光谱分析*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时隙复用的光纤偏振光谱分析***，包括传入光纤、偏振光分光单元、偏振光接收透镜组、偏振光探测单元、延时光纤和偏振光转换单元；传入光纤一端用来输入脉冲光信号，另一端与偏振光分光单元连接；偏振光分光单元为倾斜光纤光栅，将输入的脉冲光信号分为P偏振光和S偏振光；延时光纤用于产生延时并将P偏振光输入偏振光转换单元；偏振光转换单元将P偏振光转换为第二S偏振光，反向传输至偏振光分光单元，被偏振光分光单元下端镀的金属反射至偏振光接收透镜组和偏振光探测单元。本发明结构更简单紧凑，稳定性较高，适用于条件恶劣、复杂的野外和工业环境，可以对光谱信息进行实时、快速、高精度的分析。
Description
技术领域
本发明属于光偏振分析技术领域，更具体地，涉及一种基于时隙复用的光纤偏振光谱分析***。
背景技术
目前，国家工业化和现代化进程的步伐不断加快，我国进一步发展更要着力解决环境污染、食品安全和药品安全等问题，如何进行实时、快速、准确的检测已经成为目前的研究热点之一。在众多的分析方法中，偏振光谱分析具有检测方便灵活、分析速度快、检测精度高、检测成本低、可以实现样品无损检测等优点，对实现食品药品生产中的实时在线过程分析以及对环境污染物进行快速检测和监测等应用具有很大的促进作用和重要的意义，是实现现代化操作和控制的重要组成部分。相比于目前广泛使用的化学分析方法，在提高生产效率和质量方面取得了显著的成果。
偏振是光的重要特性之一，其包含了许多重要的信息。目前，光的偏振特性在许多领域都得到了重要的应用，例如利用偏振复用的光通信***突破了传统复用机制的限制，成倍地提高了***的传输速率和传输容量；在成像***中引入偏振信息，可以获得具有较高分辨能力的图像，同时可以获得传统的强度成像***无法捕获到的一些信息，增强成像效果。通过对物体反射光偏振信息进行解调，可以获得物体的一些独特的特性，在物质成分分析中发挥着重要的作用。通过分析偏振态，对准确快速地分析输入光中的信息具有重要意义。
目前现有的光谱分析技术主要是通过光谱仪进行分析，通过转动其中的分光部件来实现对信号光的光谱分析，光谱分析***中包含有活动的部件，故抗震性能较差，不适用于环境复杂、恶劣的野外实地实时测量分析，同时***内光学元件较多，光路复杂，价格也较为昂贵，维护成本较高，不利于光谱分析的广泛应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于时隙复用的光纤偏振光谱分析***，旨在解决现有偏振光谱分析***由于内部有活动部件和光学元件较多而导致的稳定性差、***结构复杂的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于时隙复用的光纤偏振光谱分析***，包括传入光纤、偏振光分光单元、偏振光接收透镜组、偏振光探测单元、延时光纤和偏振光转换单元；
传入光纤一端用来输入脉冲光信号，另一端与偏振光分光单元连接；偏振光分光单元为倾斜光纤光栅，下端镀有金属，将输入的脉冲光信号分为平行于光纤轴向的P偏振光和垂直于光纤轴向的S偏振光；偏振光反光单元沿垂直于光纤轴向放在依次设置有偏振光接收透镜组和偏振光探测单元；延时光纤用于产生延时并将P偏振光输入偏振光转换单元；偏振光转换单元将输入的P偏振光转换为第二S偏振光，被反射的第二S偏振光经延时光纤反向传输至偏振光分光单元，被偏振光分光单元下端镀的金属沿垂直于光纤轴向方向反射至偏振光接收透镜组。
优选地，倾斜光纤光栅的下端镀的金属为金，将光反射传输至偏振光接收透镜组。
优选地，倾斜光纤光栅位于传入光纤快轴上，当有脉冲光信号传输至偏振光分光单元时，脉冲光信号中的S偏振分量会发生衍射传输至偏振光接收透镜组，脉冲光信号中的P偏振分量继续向前传输至延时光纤。
优选地，倾斜光纤光栅的倾斜角度为23.1°～66.9°，即凡是能产生辐射的倾斜角度都可以实现，其中倾斜角度为45°时为最优偏振分离。
优选地，传入光纤为保偏光纤，保证脉冲光信号线偏振方向不变。
优选地，偏振转换单元为法拉第旋镜，用于将输入的光的偏振方向变为垂直正交的方向，即将输入的P偏振光转换为第二S偏振光，传输至倾斜光纤光栅处时向下端发生衍射。
优选地，偏振光接收透镜组包括柱透镜和平凸透镜，用于将接收到的偏振光进行准直聚焦，所述平凸透镜位于所述柱透镜后方，所述平凸透镜平面靠近所述柱透镜，凸面位于另一侧。
优选地，偏振光探测单元为一个线阵CCD，采用FPGA进行分析处理获得不同偏振态的光谱信息。
优选地，不同偏振态的光谱信息包括S偏振光、第二S偏振光以及二者的叠加。若S偏振光的表达式为PS＝AE1，第二S偏振光的表达式为PP＝BE2，则接收到的S偏振光的光强为A2，第二S偏振光的光强为B2，两者相叠加的光强为A2+B2。
优选地，延时光纤将脉冲光信号产生延迟，延迟可使经过倾斜光纤光栅再次衍射出的第二S偏振光分量在两个相邻的脉冲间隔中，从而实现时隙复用。脉冲间隔足够长，能使经过法拉第旋镜反射回的光再次经过倾斜光栅衍射出去时在脉冲间隔中，从而避免光信号的混叠。延时光纤的长度L和光脉冲间隔Δt的关系满足：
其中C为真空中光的传播速度，C＝3×108m/s，n为延时光纤的折射率。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的光纤偏振光谱分析***采用下端镀金的倾斜光纤光栅，通过法拉第旋镜将P偏振光转换为S偏振光，因此对于两束S偏振光的探测只需要一套***即可，从而使本***的结构更简单紧凑，稳定性较高，适用于条件恶劣、复杂的野外和工业环境；
2、本发明采用了倾斜角度可变的倾斜光纤光栅为分光单元，通过调整光栅的倾斜角度，可获得不同的应用波长范围，避免了传统光谱仪中需要转动色散元件获取波长扫描缺陷，可以对光谱信息进行实时、快速、高精度的分析；
3、本发明采用了延时光纤，将脉冲光信号产生了延迟，产生的延迟可使经过倾斜光纤光栅再次衍射出的第二S偏振光分量在两个相邻的脉冲间隔中，从而实现时隙复用，以避免混叠。
附图说明
图1是本发明提供的光纤偏振光谱***的结构示意图；
图2是本发明提供的光纤偏振光谱***的倾斜光纤光栅的结构示意图；
图3是本发明提供的倾斜光纤光栅在不同倾斜角度下的光信号偏振度示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于时隙复用的光纤偏振光谱分析***，包括传入光纤、偏振光分光单元、偏振光接收透镜组、偏振光探测单元、延时光纤和偏振光转换单元；
传入光纤一端用来输入脉冲光信号，另一端与偏振光分光单元连接；偏振光分光单元为倾斜光纤光栅，下端镀有高反射率金属，将输入的脉冲光信号分为平行于光纤轴向的P偏振光和垂直于光纤轴向的S偏振光；偏振光反光单元沿垂直于光纤轴向放在依次设置有偏振光接收透镜组和偏振光探测单元；延时光纤用于产生延时并将P偏振光输入偏振光转换单元；偏振光转换单元将输入的P偏振光转换为第二S偏振光，被反射的第二S偏振光经延时光纤反向传输至偏振光分光单元，被偏振光分光单元下端镀的金属沿垂直于光纤轴向方向反射至偏振光接收透镜组。
具体地，倾斜光纤光栅的下端镀的金属为金，将光反射传输至偏振光接收透镜组。
具体地，倾斜光纤光栅位于传入光纤快轴上，当有脉冲光信号传输至偏振光分光单元时，脉冲光信号中的S偏振分量会发生衍射传输至偏振光接收透镜组，脉冲光信号中的P偏振分量继续向前传输至延时光纤。
具体地，倾斜光纤光栅的倾斜角度为23.1°～66.9°，即凡是能产生辐射的倾斜角度都可以实现，其中倾斜角度为45°时为最优偏振分离。
具体地，传入光纤为保偏光纤，保证脉冲光信号线偏振方向不变。
具体地，偏振转换单元为法拉第旋镜，用于将输入的光的偏振方向变为垂直正交的方向，即将输入的P偏振光转换为第二S偏振光，传输至倾斜光纤光栅处时向下端发生衍射。
具体地，偏振光接收透镜组包括柱透镜和平凸透镜，用于将接收到的偏振光进行准直聚焦，所述平凸透镜位于所述柱透镜后方，所述平凸透镜平面靠近所述柱透镜，凸面位于另一侧。
具体地，偏振光探测单元为一个线阵CCD，采用FPGA进行分析处理获得不同偏振态的光谱信息。
具体地，不同偏振态的光谱信息包括S偏振光、第二S偏振光以及二者的叠加。若S偏振光的表达式为PS＝AE1，第二S偏振光的表达式为PP＝BE2，则接收到的S偏振光的光强为A2，第二S偏振光的光强为B2，两者相叠加的光强为A2+B2。
具体地，延时光纤将脉冲光信号产生延迟，延迟可使经过倾斜光纤光栅再次衍射出的第二S偏振光分量在两个相邻的脉冲间隔中，从而实现时隙复用。脉冲间隔足够长，能使经过法拉第旋镜反射回的光再次经过倾斜光栅衍射出去时在脉冲间隔中，从而避免光信号的混叠。延时光纤的长度L和光脉冲间隔Δt的关系满足：
其中C为真空中光的传播速度，C＝3×108m/s，n为延时光纤的折射率。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明，如图1所示，包括一根传入光纤，一个偏振光分光单元，一个偏振光接收透镜组，一个偏振光探测单元，一根延时光纤和一个法拉第旋镜，传入光纤为一段熊猫型保偏光纤，一端用来输入脉冲光信号，另外一端与偏振光分光单元相接，偏振光分光单元是传入光纤快轴上的倾斜光纤光栅，且下端有镀金，当有脉冲光信号传输至偏振光分光单元时，脉冲光信号中的S偏振分量会发生衍射传输至偏振光接收透镜组，光信号中的P偏振分量继续向前传输至延时光纤，延时光纤将光信号产生延迟并将P偏振分量继续传输至法拉第旋镜，法拉第旋镜将输入光的偏振方向变为垂直正交方向，即可将传入的P偏振分量变为S偏振分量，也即当发生反射回来时已是S偏振光，传输至倾斜光纤光栅处时向下端发生衍射。此时由于光纤下端有镀金，将光再向上反射传输至偏振光接收透镜组。偏振光接收透镜组由一个柱透镜和一个平凸透镜组成，可以将接收到的光信号进行聚焦，然后投射至偏振光探测单元，即一线阵CCD，CCD上的像素位置与不同波长的光斑的位置具有一一对应的关系，对输出信号利用FPGA进行处理后可以获得不同偏振态的光谱信息，包括S偏振光、P偏振光经法拉第旋镜反射后的S偏振光以及二者的叠加。
图2是倾斜光纤光栅的结构以及色散特性示意图，可以用来解释倾斜光纤光栅的分光特性。倾斜光纤光栅内部的光栅结构存在着一个折射率突变的分界面，当光信号传输至折射率突变的分界面时，可以实现偏振分离，辐射倾斜光纤光栅具有将入射光中S偏振分量衍射出光纤的能力，P偏振分量继续沿光纤传输。倾斜光纤光栅的倾斜角度不同时，S偏振分量衍射的角度不同。
图3是倾角光纤光栅在不同倾斜角度下的光信号偏振度示意图，可以看到倾斜角度在23.1°～66.9°时都能够实现偏振分离，根据布儒斯特定律，布儒斯特角为θ＝arctan[(n+Δn)/n]，相对于n，Δn可忽略不计，此时倾角θ约为45°，故45°倾斜光纤光栅为最优偏振分离。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于时隙复用的光纤偏振光谱分析***，其特征在于，包括传入光纤、偏振光分光单元、偏振光接收透镜组、偏振光探测单元、延时光纤和偏振光转换单元；
所述传入光纤一端用来输入脉冲光信号，另一端与所述偏振光分光单元连接；所述偏振光分光单元为倾斜光纤光栅，下端镀有金属，将输入的脉冲光信号分为平行于光纤轴向的P偏振光和垂直于光纤轴向的S偏振光；所述偏振光反光单元沿垂直于光纤轴向放在依次设置有所述偏振光接收透镜组和所述偏振光探测单元；所述延时光纤用于产生延时并将P偏振光输入所述偏振光转换单元；所述偏振光转换单元将输入的P偏振光转换为第二S偏振光，被反射的第二S偏振光经延时光纤反向传输至偏振光分光单元，被偏振光分光单元下端镀的金属沿垂直于光纤轴向方向反射至偏振光接收透镜组。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述倾斜光纤光栅的下端镀的金属为金。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述倾斜光纤光栅位于传入光纤快轴上。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述倾斜光纤光栅的倾斜角度为23.1°～66.9°。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述传入光纤为保偏光纤，保证脉冲光信号线偏振方向不变。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述偏振转换单元为法拉第旋镜，用于将输入的光的偏振方向变为垂直正交的方向，即将输入的P偏振光转换为第二S偏振光。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述偏振光接收透镜组包括柱透镜和平凸透镜，用于将接收到的偏振光进行准直聚焦，所述平凸透镜位于所述柱透镜后方，所述平凸透镜平面靠近所述柱透镜，凸面位于另一侧。
8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述偏振光探测单元为一个线阵CCD，采用FPGA进行分析处理获得不同偏振态的光谱信息。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述不同偏振态的光谱信息包括S偏振光、第二S偏振光以及二者的叠加。
10.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述延时光纤的长度L和光脉冲间隔Δt的关系满足：
其中C为真空中光的传播速度，C＝3×108m/s，n为延时光纤的折射率。
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