CN115615921A - 一种基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪 - Google Patents

一种基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪，包括保偏单模光纤、微结构多模光纤、CCD和计算机，所述保偏单模光纤与所述微结构多模光纤相连，所述微结构多模光纤与所述CCD相连，所述CCD与所述计算机相连；所述微结构多模光纤包括纤芯和包覆于所述纤芯外侧的空气孔包层，从而利用空气孔包层与纤芯间之间的折射率差大，增大光纤数值孔径，提高***稳定性与散斑去相关性。本发明采用上述结构的基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪，增大了纤芯和包层的折射率差，提升了光纤抗弯曲能力，提高了散斑稳定性，从而提高了***的稳定性、便于实时检测、便携化和高分辨率。

Description

一种基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪
技术领域
本发明涉及一种光谱测量仪器技术，尤其涉及一种基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪。
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。然而，传统的台式光谱仪通常依赖于庞大的色散光学、较长的光路长度、探测器阵列和可移动部件的组合，具有体积大、重量大、稳定性差、造价昂贵、同时对工作环境要求高的缺点，使其难以满足光谱分析检测现场化、快速化的发展要求。因此，研制稳定性好、高性能的微型光谱仪已成为当前研究热点。
多模光纤作为一种特殊的波导，可以支持数量庞大的导模传输，其模式干涉形成的散斑能够携带丰富的时空信息。当光纤长度一定时，不同波长的光信号将会产生不同的模式间相位差，形成不同的光强度分布，因此会在输出端产生不同的散斑图案。
基于多模光纤的散斑光谱仪可通过增加光纤长度获得高分辨率，所需光纤长度多为米量级，但是光纤自身微弯、扭转、震动以及环境温度变化等因素都会引起多模光纤折射率分布发生改变，使得模式间相位差明显改变，导致散斑图不稳定；且随着光纤长度增加***的抗环境微扰能力会下降，这给光谱重建过程带来了极大的干扰。
发明内容
为了解决现有基于多模光纤光谱仪稳定性的不足，更好的兼顾光谱仪的微型化和高性能，本发明提出一种基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪。该***在多模光纤的基础上，通过采用空气孔包层结构，增加光纤数值孔径提高***的抗环境微扰弯曲能力，并增加光纤中导模数量。同时，利用异形、偏心纤芯光纤结构，进一步提高光纤高阶模式激发数量，增强散斑去相关性，提高光谱仪分辨率。
为实现上述目的，本发明提供了基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪，包括保偏单模光纤、微结构多模光纤、CCD和计算机，所述保偏单模光纤与所述微结构多模光纤相连，所述微结构多模光纤与所述CCD相连，所述CCD与所述计算机相连；
所述微结构多模光纤包括纤芯和包覆于所述纤芯外侧的空气孔包层，从而利用空气孔包层与纤芯间之间的折射率差大，增大光纤数值孔径，提高***稳定性与散斑去相关性。
优选的，所述微结构多模光纤的长度为0.1m-10m。
优选的，所述空气孔包层由单层较大尺寸的空气孔构成；
所述纤芯经相邻两空气孔之间的薄石英桥支撑。
优选的，所述纤芯的直径为50μm-100μm；
所述薄石英桥的厚度为0.5μm-3μm；
所述空气孔包层的壁厚为10μm-30μm。
优选的，所述空气孔包层由多层较小尺寸的圆形空气孔构成，所述圆形空气孔呈环状包围所述纤芯。
优选的，所述纤芯的直径为50μm-100μm；
所述圆形空气孔的直径为2μm-15μm。
优选的，所述圆形空气孔围绕所述纤芯呈多层排列，且层数不小于2层；
所述圆形空气孔的阵列轴向间隔为0.5μm-2μm、径向间隔为0.5μm-2μm。
优选的，所述微结构多模光纤的纤芯与所述空气包层同轴设置；
或者，所述纤芯与所述空气包层离轴设置，所述纤芯的离轴距离为5μm-40μm。
优选的，所述纤芯为圆形纤芯；
或者，所述纤芯为异形纤芯，所述纤芯内接圆中心与所述空气包层中心的距离为5μm-25μm。
优选的，所述纤芯材料为纯石英；
或者，所述纤芯材料为掺杂高折射率材料的复合石英。
本发明的有益效果如下：
1、通过采用空气孔包层结构来提高光纤抗环境微扰能力，并在纤芯中掺杂高折射率介质，进一步增大芯包折射率差，提高***的稳定性，满足现场测量应用要求，便于实时测量。
2、优化纤芯形状和包层结构，并设置非对称偏芯结构，打破对称性，增强散斑的去相关性，以实现在较短光纤上获得高分辨率和大工作带宽。
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是本发明的结构示意图；
图2是本发明的微结构多模光纤采用对称纤芯大空气孔包层的横截面图；
图3是本发明的微结构多模光纤采用对称纤芯小空气孔包层的横截面图；
图4是本发明的微结构多模光纤采用偏芯大空气孔包层的横截面图；
图5是本发明的微结构多模光纤采用偏芯小空气孔包层的横截面图；
图6是本发明的微结构多模光纤采用非对称纤芯大空气孔包层的横截面图；
图7是本发明的微结构多模光纤采用非对称纤芯小空气孔包层的横截面图。
其中：1、保偏单模光纤；2、微结构多模光纤；3、CCD；4、计算机；5、包层；6、纤芯；7、空气孔。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
图1是本发明的结构示意图，如图1所示，本发明的结构包括保偏单模光纤1、微结构多模光纤2、CCD3(电荷耦合器件)和计算机4，保偏单模光纤1与微结构多模光纤2相连，微结构多模光纤2与CCD3相连，CCD3与计算机4相连；微结构多模光纤2包括纤芯6和包覆于纤芯6外侧的空气孔包层5，从而利用空气孔包层5与纤芯6间之间的折射率差大，增大光纤数值孔径，提高***稳定性与散斑去相关性。
优选的，微结构多模光纤2的长度为0.1m-10m。
优选的，空气孔包层5由单层较大尺寸的空气孔7构成；纤芯6经相邻两空气孔7之间的薄石英桥支撑。纤芯6的直径为50μm-100μm；薄石英桥的厚度为0.5μm-3μm；空气孔包层5的壁厚为10μm-30μm。
或者，空气孔包层5由多层较小尺寸的圆形空气孔7构成，圆形空气孔7呈环状包围纤芯6。纤芯6的直径为50μm-100μm；圆形空气孔7的直径为2μm-15μm。圆形空气孔7围绕纤芯6呈多层排列，且层数不小于2层；圆形空气孔7的阵列轴向间隔为0.5μm-2μm、径向间隔为0.5μm-2μm。
优选的，微结构多模光纤2的纤芯6与空气包层5同轴设置；或者，纤芯6与空气包层5离轴设置，纤芯6的离轴距离为5μm-40μm，纤芯6内的高阶模式更容易被激发，可以提高光谱仪分辨率。
优选的，纤芯6为圆形纤芯6；或者，纤芯6为异形纤芯6，纤芯6内接圆中心与空气包层5中心的距离为5μm-25μm。当纤芯6为非对称异形纤芯6时，非对称结构可以增加模式激发数量，增加散斑分布的复杂程度。
优选的，纤芯6材料为纯石英；或者，纤芯6材料为掺杂高折射率材料的复合石英。掺杂高折射率材料的纤芯6可以进一步增加纤芯6和空气孔包层5的折射率差，从而进一步增加光纤导模数量，提高散斑去相关性，最终提高光谱仪分辨率。
具体实施例如下：
实施例1：
图2是本发明的微结构多模光纤采用对称纤芯大空气孔包层的横截面图，如图2所示，微结构多模光纤2是一种对称纤芯结构，微结构多模光纤2与纤芯6同轴，周围空气孔7呈环形分布于纤芯6周围，形成空气孔包层，增大芯包折射率差，多模光纤的长度为1m，空气孔包层由较大尺寸的单层空气孔7构成，纤芯依靠两相邻空气孔之间的薄石英桥支撑，其中芯径为80μm，薄石英桥的厚度为2μm，包层壁的厚度为10μm，包层5大小为160μm。
另外，图3是本发明的微结构多模光纤采用对称纤芯小空气孔包层的横截面图，如图3所示，空气孔包层也可以由多层的数量众多的小尺寸空气孔7构成，呈环状包围纤芯6，其中芯径为80μm，小空气孔7的直径为5μm，小空气孔7围绕纤芯呈多层排列，层数为2层，空气孔7阵列轴向间隔为1μm、径向间隔为2μm，包层5大小为160μm。
实施例2：
图4是本发明的微结构多模光纤采用偏芯大空气孔包层的横截面图，如图4所示，微结构多模光纤2是一种偏芯结构，微结构多模光纤的纤芯和包层非同心，其中纤芯的离轴距离为30μm，芯径为80μm，薄石英桥的厚度为2μm，包层大小为125μm；
另外，图5是本发明的微结构多模光纤采用偏芯小空气孔包层的横截面图，如图5所示，微结构光纤也可以是偏芯小空气孔包层，其中纤芯的离轴距离为30μm，芯径为80μm，小空气孔的直径为5μm，围绕纤芯呈多层排列，层数为2层，空气孔阵列轴向间隔为1μm、径向间隔为1μm，包层大小为125μm。偏芯微结构多模光纤与保偏单模光纤焊接时可自动实现错位焊接效应，打破对称性，进而激发更多的高阶模，提高光谱分辨率。
实施例3：
图6是本发明的微结构多模光纤采用非对称纤芯大空气孔包层的横截面图，如图6所示，微结构多模光纤2的异形纤芯可以是一种D形芯结构，其中D形芯光纤长度为1m，其D形纤芯平面部分到纤芯中心的距离为25μm，芯径为80μm，薄石英桥的厚度为2μm，包层壁的厚度为10μm，包层大小为125μm；
此外，图7是本发明的微结构多模光纤采用非对称纤芯小空气孔包层的横截面，如图7所示，微结构多模光纤2也可以是小空气孔阵列非对称纤芯光纤微结构，其中D形芯光纤长度为1m，其D形纤芯平面部分到纤芯中心的距离为25μm，芯径为80μm，小空气孔的直径为5μm，小空气孔围绕纤芯呈多层排列，层数为2层，空气孔阵列轴向间隔为1μm、径向间隔为1μm，包层大小为125μm。
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，在计算机中记录CCD探测到的对应的散斑图案。由于随机散射点的存在，此时的散斑图案是光纤模式干涉效应形成的。
其次，采集待测散斑图，由于不同波长的光信号相互独立传播，待测光谱所产生的散斑是每一个波长分量所产生的散斑的线性组合，因此在***测试中，待测散斑图可以由单色光所产生的散斑图案通过加权叠加间接生成。
最后利用截断奇异值分解重构算法恢复待测光谱。
因此，本发明采用上述结构的基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪，增大了纤芯和包层的折射率差，提升了光纤抗弯曲能力，提高了散斑稳定性，从而提高了***的稳定性、便于实时检测、便携化和高分辨率。
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 (10)

1.一种基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪，其特征在于：包括保偏单模光纤、微结构多模光纤、CCD和计算机，所述保偏单模光纤与所述微结构多模光纤相连，所述微结构多模光纤与所述CCD相连，所述CCD与所述计算机相连；
所述微结构多模光纤包括纤芯和包覆于所述纤芯外侧的空气孔包层，从而利用空气孔包层与纤芯间之间的折射率差大，增大光纤数值孔径，提高***稳定性与散斑去相关性。
2.根据权利要求1所述的基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪，其特征在于：所述微结构多模光纤的长度为0.1m-10m。
3.根据权利要求2所述的基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪，其特征在于：所述空气孔包层由单层较大尺寸的空气孔构成；
所述纤芯经相邻两空气孔之间的薄石英桥支撑。
4.根据权利要求3所述的基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪，其特征在于：所述纤芯的直径为50μm-100μm；
所述薄石英桥的厚度为0.5μm-3μm；
所述空气孔包层的壁厚为10μm-30μm。
5.根据权利要求1所述的基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪，其特征在于：所述空气孔包层由多层较小尺寸的圆形空气孔构成，所述圆形空气孔呈环状包围所述纤芯。
6.根据权利要求5所述的基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪，其特征在于：所述纤芯的直径为50μm-100μm；
所述圆形空气孔的直径为2μm-15μm。
7.根据权利要求6所述的基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪，其特征在于：所述圆形空气孔围绕所述纤芯呈多层排列，且层数不小于2层；
所述圆形空气孔的阵列轴向间隔为0.5μm-2μm、径向间隔为0.5μm-2μm。
8.根据权利要求1所述的基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪，其特征在于：所述微结构多模光纤的纤芯与所述空气包层同轴设置；
或者，所述纤芯与所述空气包层离轴设置，所述纤芯的离轴距离为5μm-40μm。
9.根据权利要求1所述的基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪，其特征在于：所述纤芯为圆形纤芯；
或者，所述纤芯为异形纤芯，所述纤芯内接圆中心与所述空气包层中心的距离为5μm-25μm。
10.根据权利要求1所述的基于微结构多模光纤的紧凑型全光纤散斑光谱仪，其特征在于：所述纤芯材料为纯石英；
或者，所述纤芯材料为掺杂高折射率材料的复合石英。
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