CN110346308B - 一种模间干涉的电子散斑光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种模间干涉的电子散斑光谱仪，包括保偏光纤、多模光纤、单色面阵CCD和计算机，利用待测量光进入多模光纤经过光栅和横向条纹或随机点后，激发出多个模式，在光纤端面上呈现出光场分布，即散斑点的叠加，经单色面阵CCD处理后将散斑图显示在计算机上，散斑图的差异越大，色散能力越强，分辨率越高；保偏光纤与多模光纤相连，多模光纤与面阵CCD相连，面阵CCD通过USB接口与计算机相连；本发明的优点在于，分辨率高、响应速度快，成本低，体积更小，适用于在线实时检测。
Description
技术领域
本发明属于光谱测量仪器领域，涉及一种模间干涉的电子散斑光谱仪。
背景技术
光谱测量仪器被广泛应用在光纤传感器测量，激光测量等光学测量领域中。传统的光谱仪一般采用棱镜或光栅，对于棱镜色散型光谱仪，其色散能力与***的有效孔径宽度和角色散率有关，但是单个棱镜的色散能力有限，常常需要采用棱镜组的方式实现，这导致了光谱仪体积较大；对于光栅型光谱仪，其分辨率由光栅周期来决定，狭缝越窄，分辨率越高，当狭缝很窄时，要求探测器的灵敏度很高，成本很高。
微型光谱仪是光谱仪器中的一个重要分支，其研究的重点集中在***的集成化和微型化。微型光谱仪内部包含光栅和棱镜，如公开号为 CN105136293A，专利名称为一种基于透射光栅的MEMS微镜微型光谱仪，虽然提高了微型光谱仪的分辨率，但是其内部包含多个棱镜，体积仍然很大；微型光谱仪内部除了光栅和棱镜还包含机械器件，如公开号为CN103017904A，专利名称为一种分辨率可调的微型光谱仪，虽然提高了微型光谱仪的光谱测试分辨率，设计了分辨率可调的微型光谱仪，但是其内部包含的机械部件，如楔角片、圆筒转盘等机械器件往往需要校准，其使用寿命也很有限。微型光谱仪仍存在许多缺陷，因此需要一种体积更小、响应速度快、操作简单、成本低、分辨率高的全光纤高分辨率光谱仪来实现被测光的测量。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种响应速度快，成本低，体积更小，测量部分全部由光纤组成的模间干涉的电子散斑光谱仪。可利用飞秒激光器在多模光纤纤芯上刻写纤内微结构，利用单色面阵CCD采集散斑图，散斑点的差异越大，色散能力越强，分辨率越高。适用于在线实时检测，传输损耗小且不受电磁干扰。
本发明的技术解决方案如下：
一种模间干涉的电子散斑光谱仪由保偏光纤、多模光纤、单色面阵CCD和计算机组成，其中保偏光纤与多模光纤相连，多模光纤与单色面阵CCD相连，单色面阵CCD通过USB接口与计算机相连，多模光纤纤芯内部包含纤内微结构；纤内微结构的制作方法为用飞秒激光器在多模光纤纤芯内部刻写宽度为0.5μm-4μm的光栅和横向条纹或刻写大小为1μm-10μm，个数为10-1000的随机点，随机点的分布区域长度为5μm-5mm；保偏光纤的长度为1m-5m，多模光纤的长度为1mm-5mm，外径为125μm，内径为105μm，被测光波长范围在400nm-3000nm。
本发明的有益效果在于：
1. 体积更小、成本很低，采用全光纤的测量结构，利用飞秒激光器在多模光纤纤芯内部刻写光栅和横向条纹或刻写随机点。
2. 测量结构在光纤的纤芯内部，而不是在光纤端面，制作时不破坏光纤机械强度，无需进行光纤腐蚀或打孔，不易损坏。
3．高分辨率，多模光纤中的纤内微结构可以激发出多个模式，对波长敏感性强，分辨率可以达到pm量级。
附图说明
图1是模间干涉的电子散斑光谱仪结构示意图。
图2为光栅和横向条纹的示意图。
图3为随机点的示意图。
图4为单色面阵CCD采集的散斑图。
图5为测量的复合光光谱。
图6所示为测量的复合光光谱
主要符号说明如下：
1-保偏光纤；2-多模光纤；3-单色面阵CCD；4-计算机；
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步描述。
参见图1所示，一种模间干涉的电子散斑光谱仪由保偏光纤1、多模光纤2、单色面阵CCD3和计算机4组成，保偏光纤1和多模光纤2相连，多模光纤2与面阵CCD3相连，计算机4通过USB接口与面阵CCD3。
模间干涉的电子散斑光谱仪的多模光纤2用飞秒激光器在纤芯内部刻写纤内微结构，纤内微结构的制作方法为将一段多模光纤2涂覆层剥离，将其水平放置放在微位移平台上，飞秒激光聚焦在纤芯上，设置恰当的激光能量，在纤芯上刻写光栅和横向条纹或刻写随机点，上述的保偏光纤1长度为1m-5m，上述的多模光纤2长度为1mm-5mm，外径为125μm，内径为105μm，上述的随机点的分布区域长度为5μm-5mm。
图2所示为光栅和横向条纹的示意图，在图2所示的实例中，多模光纤2的纤芯内部使用飞秒激光器刻写宽度为0.5μm-4μm的光栅和横向条纹。
图3所示为随机点的示意图，在图3所示的实例中，多模光纤2的纤芯内部使用飞秒激光器刻写大小为1μm-10μm，个数为10-1000的随机点。
图4所示为单色面阵CCD3采集的散斑图，在图4所示的实例中，多模光纤2长度为2mm，随机点的分布区域长度为400μm，随机点的个数为700个。
图5所示为测量的复合光光谱，在图5所示的实例中，入射光为5个强度相同的单波长光源，经过算法反演得到复合光的光谱，验证了本光谱仪可以实现复合光的光谱测量。
图6所示为测量的复合光光谱，在图6所示的实例中，入射光为2个强度相同中心波长相差10pm的单波长光源，经过算法反演得到复合光的光谱，验证了本光谱仪分辨率可以达到pm量级。
该***工作流程：光进入多模光纤2经过光栅和横向条纹或随机点后，激发出多个模式，在光纤端面上呈现出光场分布，即散斑点的叠加，单色面阵CCD3的感光元件接收多模光纤2端面的光后把其转变成电荷，通过模数转换器转换成数字信号，数字信号经过压缩后通过USB接口传输到计算机4中并且通过计算机4保存和显示出散斑图。当入射光为单色光时，入射光的波长为υ1，得到的散斑图为S1，入射光波长为υ2，散斑图为S2，以此类推，当输入光波长为υn时，散斑图为Sn，经过matlab导入每个散斑图，散斑图S1可以看做为一个矩阵M1，以此类推，散斑图Sn看作为矩阵Mn。若入射光为复合光，可以得到散斑图的矩阵为AM1+BM2+……+NMn（A、B……N为各波长的强度分量），可以看作是多个单色光对应散斑图强度的叠加，经过算法处理反演得到复合光的光谱。
Claims (4)
1.一种模间干涉的电子散斑光谱仪，其特征在于，包括保偏光纤、多模光纤、单色面阵CCD和计算机，所述的保偏光纤与所述的多模光纤相连，所述的多模光纤与所述的单色面阵CCD相连，所述的单色面阵CCD通过USB接口与所述的计算机相连；所述的多模光纤纤芯内部包含用飞秒激光器刻写的纤内微结构；
所述纤内微结构是宽度为0.5μm-4μm、间隔为10μm-20μm的光栅和横向条纹，或者是大小为1μm-10μm和个数为10-1000的随机点，所述的随机点的分布区域长度为5μm-5mm；
被测光进入多模光纤经过光栅和横向条纹或随机点后，激发出多个模式，在光纤端面上呈现出光场分布，即散斑点的叠加，单色面阵CCD的感光元件接收多模光纤端面的光后把其转变成电荷，通过模数转换器转换成数字信号，数字信号经过压缩后通过USB接口传输到计算机中并且通过计算机保存和显示出散斑图。
2.根据权利要求1所述的一种模间干涉的电子散斑光谱仪，其特征在于，所述的保偏光纤长度为1m-5m。
3.根据权利要求1所述的一种模间干涉的电子散斑光谱仪，其特征在于，所述的多模光纤长度为1mm-5mm，外径为125μm，内径为105μm。
4.根据权利要求1所述的一种模间干涉的电子散斑光谱仪，其特征在于，被测光波长范围在400nm-2000nm。
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