CN111829657B - 基于光纤瑞利散射的相干光谱分析装置及方法 - Google Patents

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Abstract

基于光纤瑞利散射的相干光谱分析测量装置及方法属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域；所述装置结构是：光耦合器与可调谐激光器、掺铒光纤放大器和光衰减器连接，待检光源经过光隔离器和偏振控制器后与延时光纤连接，光环形器与掺铒光纤放大器和延时光纤连接，平衡探测器与光耦合器和射频滤波器连接，数据采集模块与射频滤波器连接；所述测量方法是：可调谐激光器间接生成本振光和泵浦光，泵浦光形成光纤后向散射滤波器来对待检信号滤波，滤波结果与本振光发生外差干涉产生拍频信号，通过射频滤波器二次滤波，用保留的瑞利拍频信号即可复原待检光源光谱。本装置具有高分辨力、高信噪比、不受镜像效应制约以及对待检光实时检测的特点。

Description

基于光纤瑞利散射的相干光谱分析装置及方法
技术领域
本发明属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域，特别涉及一种基于光纤瑞利散射的相干光谱分析装置及方法。
背景技术
随着光学传感、物质分析、医疗诊断及环境监测等领域，一批具有飞米量级精细光谱响应的光子学器件(光学回音壁模式传感器、飞秒光学频率梳)的发展，对于高分辨力光谱分析装置的需求急剧增长。而在以往的光谱分析装置及方法中，基于干涉调制原理的傅里叶变换光谱仪和基于衍射色散原理的光栅光谱仪受制于分光元件的加工精度，光谱分辨力最高仅能达到皮米量级；基于外差干涉原理的相干光谱仪受到镜像效应的影响，无法区分信号光频率与本振光频率的相对大小，其光谱分辨力最高仅能达到数十纳米量级。上述光谱分析装置及方法均无法满足新型光子学器件的光谱测量需求，研究满足要求的光谱分析装置及方法已成为当前精密仪器制造和精密测试计量领域的重要议题之一。
发明内容
本发明是针对上述光谱分析装置及方法无法满足新型光子学器件的光谱测量需求的问题提出的，其目的是提供一种可用于飞米量级精细光谱测量的基于光纤瑞利散射的相干光谱分析装置及方法。
本发明的技术解决方案是：
一种基于光纤瑞利散射的相干光谱分析测量装置包括可调谐激光器、待检光源、第一光耦合器、光隔离器、掺铒光纤放大器EDFA、偏振控制器、光环形器、延时光纤、第一光衰减器、第二光衰减器、第二光耦合器、平衡探测器、射频滤波器和数据采集模块；所述可调谐激光器与第一光耦合器的输入端口、第一光耦合器的输出端口1与掺铒光纤放大器EDFA、掺铒光纤放大器EDFA与光环形器的端口1、光环形器的端口3与第一光衰减器、第一光衰减器与第二光耦合器的输入端口1通过单模光纤连接；所述第一光耦合器的输出端口2与第二光衰减器、第二光衰减器与第二光耦合器的输入端口2通过单模光纤连接；所述待检光源与光隔离器、光隔离器与偏振控制器、偏振控制器与延时光纤、延时光纤与光环形器的端口2通过单模光纤连接；所述第二光耦合器的输出端口与平衡探测器通过单模光纤连接；所述平衡探测器与射频滤波器、射频滤波器与数据采集模块通过电缆连接；
所述可调谐激光器、待检光源、第一光耦合器、光隔离器、掺铒光纤放大器EDFA、偏振控制器、光环形器与延时光纤构成光纤后向散射滤波器，用于从待检光谱信号中提取瑞利信号和布里渊信号；
所述第二光耦合器、平衡探测器、射频滤波器和数据采集模块构成外差干涉仪，用于使瑞利信号和布里渊信号同本振光干涉形成瑞利拍频信号和布里渊拍频信号，之后，通过射频滤波的方式分离瑞利拍频信号和布里渊拍频信号，对瑞利拍频信号记录以形成复原光谱。
一种基于光纤瑞利散射的相干光谱分析测量装置的测量方法，该方法是：所述可调谐激光器的输出光经第一光耦合器分束成本振光和泵浦光，其中泵浦光经掺铒光纤放大器EDFA放大后进入光环形器的端口1，经光环形器的端口2出射后进入延时光纤，在延时光纤中，泵浦光与经由光隔离器和偏振控制器进入延时光纤的待检光源通过光纤瑞利散射及受激布里渊散射的形式进行能量交换，由此形成的光纤后向散射滤波器可将待检光谱信号滤波、放大为瑞利信号与布里渊信号；光纤后向散射滤波器生成的瑞利信号与布里渊信号由光环形器的端口2入射，经光环形器的端口3出射后由第一光衰减器调节光功率大小，调整后的瑞利信号和布里渊信号与同样经过第二光衰减器调整的本振光在第二光耦合器中发生外差干涉，产生的瑞利拍频信号和布里渊拍频信号由平衡探测器转换为电学信号；之后，利用射频滤波器滤除布里渊拍频信号，仅记录线宽更窄的瑞利拍频信号，作为待检光谱信号中与泵浦光同频的分量的估计值；调整所述可调谐激光器的输出光频率，使其遍历整个待检光谱信号的频率范围，依泵浦光频率的大小记录相应的瑞利拍频信号强度，以形成待检光源的复原光谱。
本发明的优点是：
(1)通过光纤后向散射滤波器对待检光源的光谱进行预滤波，其生成的瑞利信号和布里渊信号的频率与外差干涉仪中本振光的频率具有确定的关联，这使得光谱分析装置及方法不再受镜像效应的制约，光谱分辨力得到提高。
(2)通过外差干涉仪分离后向散射滤波器生成的瑞利信号和布里渊信号，由于瑞利信号和布里渊信号相较于本振光具有不同的频率差，因此，可在利用外差干涉仪将其降频为瑞利拍频信号和布里渊拍频信号之后，采用射频滤波器对其进行二次滤波，从而获取线宽更窄的瑞利拍频信号，该设计可使光谱分析装置及方法的光谱分辨力及信噪比得到提高。
附图说明
图1是基于光纤瑞利散射的相干光谱分析装置结构示意图
图2是光纤后向散射滤波器对待检光源的光谱进行预滤波的原理示意图
图3是外差干涉仪分离瑞利信号和布里渊信号的原理示意图
图中件号说明：1.可调谐激光器，2.待检光源，3.第一光耦合器，4.光隔离器，5.掺铒光纤放大器EDFA，6.偏振控制器，7.光环形器，8.延时光纤，9.第一光衰减器，10.第二光衰减器，11.第二光耦合器，12.平衡探测器，13.射频滤波器，14.数据采集模块；a.待检光谱信号，b.瑞利信号，c.布里渊信号，d.本振光，e.瑞利拍频信号，f.布里渊拍频信号，a’.待检光源的复原光谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述：
一种基于光纤瑞利散射的相干光谱分析测量装置，如图1所示，包括可调谐激光器(1)、待检光源(2)、第一光耦合器(3)、光隔离器(4)、掺铒光纤放大器EDFA(5)、偏振控制器(6)、光环形器(7)、延时光纤(8)、第一光衰减器(9)、第二光衰减器(10)、第二光耦合器(11)、平衡探测器(12)、射频滤波器(13)和数据采集模块(14)；所述可调谐激光器(1)与第一光耦合器(3)的输入端口、第一光耦合器(3)的输出端口1与掺铒光纤放大器EDFA(5)、掺铒光纤放大器EDFA(5)与光环形器(7)的端口1、光环形器(7)的端口3与第一光衰减器(9)、第一光衰减器(9)与第二光耦合器(11)的输入端口1通过单模光纤连接；所述第一光耦合器(3)的输出端口2与第二光衰减器(10)、第二光衰减器(10)与第二光耦合器(11)的输入端口2通过单模光纤连接；所述待检光源(2)与光隔离器(4)、光隔离器(4)与偏振控制器(6)、偏振控制器(6)与延时光纤(8)、延时光纤(8)与光环形器(7)的端口2通过单模光纤连接；所述第二光耦合器(11)的输出端口与平衡探测器(12)通过单模光纤连接；所述平衡探测器(12)与射频滤波器(13)、射频滤波器(13)与数据采集模块(14)通过电缆连接；
所述可调谐激光器(1)、待检光源(2)、第一光耦合器(3)、光隔离器(4)、掺铒光纤放大器EDFA(5)、偏振控制器(6)、光环形器(7)与延时光纤(8)构成光纤后向散射滤波器，用于从待检光谱信号(a)中提取瑞利信号(b)和布里渊信号(c)；
所述第二光耦合器(11)、平衡探测器(12)、射频滤波器(13)和数据采集模块(14)构成外差干涉仪，用于使瑞利信号(b)和布里渊信号(c)同本振光(d)干涉形成瑞利拍频信号(e)和布里渊拍频信号(f)，之后，通过射频滤波的方式分离瑞利拍频信号(e)和布里渊拍频信号(f)，对瑞利拍频信号(e)记录以形成待检光源的复原光谱(a’)。
一种基于光纤瑞利散射的相干光谱分析测量方法，该方法是：所述可调谐激光器(1)的输出光经第一光耦合器(3)分束成本振光和泵浦光，其中泵浦光经掺铒光纤放大器EDFA(5)放大后进入光环形器(7)的端口1，经光环形器(7)的端口2出射后进入延时光纤(8)，在延时光纤(8)中，泵浦光与经由光隔离器(4)和偏振控制器(6)后进入延时光纤(8)的待检光谱信号(a)通过光纤瑞利散射及受激布里渊散射的形式进行能量交换，由此形成的光纤后向散射滤波器可将待检光谱信号(a)滤波、放大为瑞利信号(b)与布里渊信号(c)；光纤后向散射滤波器生成的瑞利信号(b)与布里渊信号(c)由光环形器(7)的端口2入射，经光环形器(7)的端口3出射后由第一光衰减器(9)调整，调整后的瑞利信号(b)和布里渊信号(c)与同样经过第二光衰减器(10)调整的本振光(d)在第二光耦合器(11)中发生外差干涉，产生的瑞利拍频信号(e)和布里渊拍频信号(f)由平衡探测器(12)转换为电学信号；之后，利用射频滤波器(13)滤除布里渊拍频信号(f)，仅记录线宽更窄的瑞利拍频信号(e)，作为待检光谱信号(a)中与泵浦光同频的分量的估计值；
调整所述可调谐激光器(1)的输出光频率，使其遍历整个待检光谱信号(a)的频率范围，依泵浦光频率的大小记录相应的瑞利拍频信号(e)强度，以形成待检光源的复原光谱(a’)。
本发明的工作过程如下：
基于光纤瑞利散射的相干光谱分析的测量过程，如图1所示，将可调谐激光器(1)的输出光通过第一光耦合器(3)分束成本振光和泵浦光，其中泵浦光经掺铒光纤放大器EDFA(5)放大后进入光环形器(7)端口1，经光环形器(7)端口2出射后进入延时光纤(8)，在延时光纤(8)中泵浦光能量发生转换产生光纤瑞利散射和受激布里渊散射，从而形成光纤后向散射滤波器，剩余泵浦光后续传播被光隔离器(4)阻断，防止对待检光源(2)造成干扰；使待检光源(2)通过光隔离器(4)后，先由偏振控制器(6)调节偏振态，再进入延时光纤(8)中，如图2所示，由上述形成的光纤后向散射滤波器对待检光谱信号(a)进行滤波、放大为瑞利信号(b)与布里渊信号(c)，实现对瑞利信号(b)和布里渊信号(c)的提取；光纤后向散射滤波器提取的瑞利信号(b)与布里渊信号(c)由光环形器(7)端口2入射，经光环形器(7)端口3出射后由第一光衰减器(9)调节光功率，调整后的瑞利信号(b)和布里渊信号(c)与同样经过第二光衰减器(10)调整的本振光(d)在第二光耦合器(11)中发生外差干涉，产生的瑞利拍频信号(e)和布里渊拍频信号(f)由平衡探测器(12)转换为电学信号；之后，如图3所示，利用射频滤波器(13)滤除布里渊拍频信号(f)，仅记录线宽更窄的瑞利拍频信号(e)，作为待检光谱信号(a)中与泵浦光同频的分量的估计值；调整所述可调谐激光器(1)的输出光频率，使其遍历整个待检光谱信号(a)的频率范围，依泵浦光频率的大小记录相应的瑞利拍频信号(e)强度，以形成待检光源的复原光谱(a’)，分析和处理其中包含的信息，即可给出精密光谱测量的结果。

Claims (2)

1.一种基于光纤瑞利散射的相干光谱分析测量装置，其特征在于：包括可调谐激光器(1)、待检光源(2)、第一光耦合器(3)、光隔离器(4)、掺铒光纤放大器EDFA(5)、偏振控制器(6)、光环形器(7)、延时光纤(8)、第一光衰减器(9)、第二光衰减器(10)、第二光耦合器(11)、平衡探测器(12)、射频滤波器(13)和数据采集模块(14)；所述可调谐激光器(1)与第一光耦合器(3)的输入端口、第一光耦合器(3)的输出端口1与掺铒光纤放大器EDFA(5)、掺铒光纤放大器EDFA(5)与光环形器(7)的端口1、光环形器(7)的端口3与第一光衰减器(9)、第一光衰减器(9)与第二光耦合器(11)的输入端口1通过单模光纤连接；所述第一光耦合器(3)的输出端口2与第二光衰减器(10)、第二光衰减器(10)与第二光耦合器(11)的输入端口2通过单模光纤连接；所述待检光源(2)与光隔离器(4)、光隔离器(4)与偏振控制器(6)、偏振控制器(6)与延时光纤(8)、延时光纤(8)与光环形器(7)的端口2通过单模光纤连接；所述第二光耦合器(11)的输出端口与平衡探测器(12)通过单模光纤连接；所述平衡探测器(12)与射频滤波器(13)、射频滤波器(13)与数据采集模块(14)通过电缆连接；
所述可调谐激光器(1)、待检光源(2)、第一光耦合器(3)、光隔离器(4)、掺铒光纤放大器EDFA(5)、偏振控制器(6)、光环形器(7)与延时光纤(8)构成光纤后向散射滤波器，用于从待检光谱信号(a)中提取瑞利信号(b)和布里渊信号(c)；
所述第二光耦合器(11)、平衡探测器(12)、射频滤波器(13)和数据采集模块(14)构成外差干涉仪，用于使瑞利信号(b)和布里渊信号(c)同本振光(d)干涉形成瑞利拍频信号(e)和布里渊拍频信号(f)，之后，通过射频滤波的方式分离瑞利拍频信号(e)和布里渊拍频信号(f)，对瑞利拍频信号(e)记录以形成复原光谱(a’)。
2.根据权利要求1所述的基于光纤瑞利散射的相干光谱分析测量装置的测量方法，其特征在于：所述可调谐激光器(1)的输出光经第一光耦合器(3)分束成本振光和泵浦光，其中泵浦光经掺铒光纤放大器EDFA(5)放大后进入光环形器(7)的端口1，经光环形器(7)的端口2出射后进入延时光纤(8)，在延时光纤(8)中，泵浦光与经由光隔离器(4)和偏振控制器(6)后进入延时光纤(8)的待检光谱信号(a)通过光纤瑞利散射及受激布里渊散射的形式进行能量交换，由此形成的光纤后向散射滤波器可将待检光谱信号(a)滤波、放大为瑞利信号(b)与布里渊信号(c)；光纤后向散射滤波器生成的瑞利信号(b)与布里渊信号(c)由光环形器(7)的端口2入射，经光环形器(7)的端口3出射后由第一光衰减器(9)调整，调整后的瑞利信号(b)和布里渊信号(c)与同样经过第二光衰减器(10)调整的本振光(d)在第二光耦合器(11)中发生外差干涉，产生的瑞利拍频信号(e)和布里渊拍频信号(f)由平衡探测器(12)转换为电学信号；之后，利用射频滤波器(13)滤除布里渊拍频信号(f)，仅记录线宽更窄的瑞利拍频信号(e)，作为待检光谱信号(a)中与泵浦光同频的分量的估计值；调整所述可调谐激光器(1)的输出光频率，使其遍历整个待检光谱信号(a)的频率范围，依泵浦光频率的大小记录相应的瑞利拍频信号(e)强度，以形成待检光源的复原光谱(a’)，分析和处理其中包含的信息，即可给出精密光谱测量的结果。
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