CN115541019A

CN115541019A - 一种基于相位调制的宽带光纤光谱仪

Info

Publication number: CN115541019A
Application number: CN202211264765.7A
Authority: CN
Inventors: 关春颖; 段振宇; 陈宏洲; 高山; 朱正
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2022-10-17
Filing date: 2022-10-17
Publication date: 2022-12-30

Abstract

本发明公开了一种基于相位调制的宽带光纤光谱仪，包括依次设置的保偏光纤、光纤准直器A、相位调制器件、光纤准直器B、多模光纤、CCD图像传感器和计算机，光纤准直器A设置于保偏光纤的出光口，相位调制器件对来自光纤准直器A的入射光进行相位调制，光纤准直器B设置于多模光纤的入光口，多模光纤的出光口对准CCD图像传感器，CCD图像传感器与计算机电连接。本发明采用上述结构的一种基于相位调制的宽带光纤光谱仪，用于克服光纤光谱仪中存在的光谱分辨率与测量带宽相互制约的问题。

Description

一种基于相位调制的宽带光纤光谱仪

技术领域

本发明涉及光纤光谱仪技术领域，尤其是涉及一种基于相位调制的宽带光纤光谱仪。

背景技术

光谱分析技术在环境监测、食药检测、农业、生物医疗等领域有着重要应用。近年来，得益于光学散射技术的发展和光谱重构理论的建立，基于散斑检测的光谱仪得以面世。其工作原理是：散射元件将不同波长的光以不同比例散射到不同探测单元，各个探测单元上的探测信息可以构建一组光强信号，即散斑。由于入射光波长与散斑间存在一一对应关系，因此通过识别散斑能够获得波长信息。其本质是利用散射元件建立频域与空域的一对多映射关系。当输入光为多波长时，输出图像是每个单色波长产生散斑的叠加。利用重构算法对散斑进行识别并计算相应权重，获得入射光各波长的强度信息，进而恢复光谱。

多模光纤散斑光谱仪结构简单，且可获得高分辨率和高光学效率，在兼顾微型化和高性能方面表现出巨大潜力，但此类光纤光谱仪存在带宽与分辨率相互制约的关系。光纤光谱仪的带宽为光谱通道数量与分辨率的乘积，且光谱通道数量受限于散斑中独立的空间通道数量。增加多模光纤的长度可以增加各模式间的相位差，使得不同波长的散斑去相关性增强，从而提高分辨率。但一个散斑中独立的空间通道数量与光谱通道数量是一定的，因此提高分辨率的同时也会减小带宽范围，这种制约关系使其难以同时满足高分辨率和大工作带宽的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相位调制的宽带光纤光谱仪，用于克服光纤光谱仪中存在的光谱分辨率与测量带宽相互制约的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于相位调制的宽带光纤光谱仪，包括依次设置的保偏光纤、光纤准直器A、相位调制器件、光纤准直器B、多模光纤、CCD图像传感器和计算机，所述光纤准直器A设置于所述保偏光纤的出光口，所述相位调制器件对来自所述所述光纤准直器A的入射光进行相位调制，所述相位调制器件包括位于所述入射光路径上的两个透镜、空间光调制器以及位于出射光路径上的两个透镜，位于所述出射光调制路径上的两个所述透镜之间设置有光阑，所述出射光射入所述光纤准直器B，所述光纤准直器B设置于所述多模光纤的入光口，所述多模光纤的出光口对准所述CCD图像传感器，所述CCD图像传感器与所述计算机电连接。

优选的，所述空间光调制器为纯相位空间光调制器。

优选的，所述保偏光纤的长度不小于1m。

优选的，所述多模光纤的长度不小于1m。

因此，本发明采用上述结构的一种基于相位调制的宽带光纤光谱仪，通过空间光调制器加载不同的相位调制图案对入射光产生不同的相位调制效果，同一波长的入射光经过不同的相位调制后能够可控地产生不相关的散斑图案。K组不相关的散斑图案使同一波长下散斑独立的空间通道数量增大K倍，从而使可测量的光谱通道数量也增大K倍，也就是测量带宽增大K倍，并且不以牺牲光谱分辨率为前提。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种基于相位调制的宽带光纤光谱仪实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的相位调制结果示意图。

附图标记

1、保偏光纤；2、光纤准直器A；3、相位调制器件；4、透镜；5、空间光调制器；6、光阑；7、多模光纤；8、CCD图像传感器；9、计算机；10、光纤准直器B。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例

如图1所示，一种基于相位调制的宽带光纤光谱仪，包括依次设置的保偏光纤1、光纤准直器A2、相位调制器件3、光纤准直器B10、多模光纤7、CCD图像传感器8和计算机9。保偏光纤1包层直径为125μm、长度为1m待测光谱经过保偏光纤1后获得固定的偏振态，光纤准直器A2设置于保偏光纤1的出光口，将光信号从保偏光纤1耦合到空间中。

相位调制器件3对来自光纤准直器A2的入射光进行相位调制，相位调制器件3包括位于入射光路径上的两个透镜4、空间光调制器5以及位于出射光路径上的两个透镜4。空间光调制器5能够通过加载不同的相位调制图案对入射光产生不同的相位调制效果，空间光调制器5为纯相位空间光调制器。位于出射光路径上的两个透镜4之间设置有光阑6，光阑6用于消除空间光调制器5产生的零级光。

出射光射入光纤准直器B10，光纤准直器B10设置于多模光纤7的入光口，光纤准直器B10将光信号从空间重新耦合到多模光纤7内。多模光纤7包层直径为125μm、纤芯直径为105μm，长度为2m。多模光纤7作为散射介质，入射的光线经过多模光纤7后在光纤端面形成散斑。多模光纤7的出光口对准CCD图像传感器8，CCD图像传感器8与计算机9电连接。散斑图案被CCD图像传感器8探测并传输到计算机9进行记录，总共需要记录不同相位调制下的多组散斑。最终计算机9通过重构算法反演出待测光谱，实现光谱测量。

图2所示为相位调制结果示意图，展示了4个不同的相位调制图案与其在同一波长下获得的4个相应散斑图案，用这种方法能够将测量带宽扩大4倍。相位调制图案为哈达玛矩阵中一维正交向量重构而成的方阵。此外，在相位调制图案中叠加闪耀光栅来消除空间光调制器5产生的零级光。

该光谱仪***的工作流程：

首先标定传输矩阵。由可调谐激光光源产生的单色光经过光谱仪***后，在计算机9中记录CCD图像传感器8探测到的散斑图案，改变相位调制图案记录多组散斑。每个波长都对应着传输矩阵的一列，每列都包含这个波长所对应的多组散斑信息。

其次记录待测光谱经过光谱仪***后生成的多组待测散斑，并将待测散斑按照同样的方式编码成一列待测强度向量。

最后利用截断奇异值分解算法从待测散斑生成的强度向量中重构出待测光谱，实现光谱测量。

因此，本发明采用上述结构的一种基于相位调制的宽带光纤光谱仪，通过空间光调制器加载不同的相位调制图案对入射光产生不同的相位调制效果，同一波长的入射光经过不同的相位调制后能够可控地产生不相关的散斑图案，这些散斑图案提供了更广泛的信息。K组不相关的散斑图案使同一波长下散斑独立的空间通道数量增大K倍，从而使可测量的光谱通道数量也增大K倍，也就是测量带宽增大K倍。整个过程对光纤光谱仪的分辨率不会产生任何影响，因此可以兼顾高分辨率与大测量带宽。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于相位调制的宽带光纤光谱仪，其特征在于：包括依次设置的保偏光纤、光纤准直器A、相位调制器件、光纤准直器B、多模光纤、CCD图像传感器和计算机，所述光纤准直器A设置于所述保偏光纤的出光口，所述相位调制器件对来自所述所述光纤准直器A的入射光进行相位调制，所述相位调制器件包括位于所述入射光路径上的两个透镜、空间光调制器以及位于出射光路径上的两个透镜，位于所述出射光调制路径上的两个所述透镜之间设置有光阑，所述出射光射入所述光纤准直器B，所述光纤准直器B设置于所述多模光纤的入光口，所述多模光纤的出光口对准所述CCD图像传感器，所述CCD图像传感器与所述计算机电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于相位调制的宽带光纤光谱仪，其特征在于：所述空间光调制器为纯相位空间光调制器。

3.根据权利要求1所述的一种基于相位调制的宽带光纤光谱仪，其特征在于：所述保偏光纤的长度不小于1m。

4.根据权利要求1所述的一种基于相位调制的宽带光纤光谱仪，其特征在于：所述多模光纤的长度不小于1m。