CN202158903U - 基于Etalon的波长计 - Google Patents

Abstract

本实用新型为基于Etalon的波长计，包括光路部分、电路和计算机，光路部分包括分光计、准直器以及N个不同状态的Etalon，各Etalon的振幅反射系数r相同，折射率n、表面间距l和入射角度θ中的2个参数相同、而另外1个参数选择N个不同的值，构成N种不同状态的Etalon。输入的激光经分光计后，N路光束分别经各准直器后进入各Etalon，各Etalon的输出光路上各有PD。另一路光束为参考光，直接进入与之对应的PD，PD经放大采集电路连接计算机。装配后使用标准激光器以一定步长扫描各Etalon，生成传输效率数据校准表并存储，计算机比较计算待测激光传输效率和校准表后，直接显示所测结果。本波长计可以实现高精度、高速测量C+L波段激光波长，结构简单、成本低。

Description

基于Etalon的波长计

(一)技术领域

本实用新型涉及激光波长的测量技术领域，具体为一种基于Etalon的波长计。 

(二)背景技术

随着光纤通信和精密计量等领域的高速发展，激光波长(频率)作为一种重要的参数，其测量技术的研究得到广泛关注。快速、精确地测量激光波长(频率)是决定相关领域发展进度的重要因素之一。 

现有的光波长的测量技术和波长计扫描速度、测量精度都难以满足要求，且难以用于测量大功率范围内的激光波长。波长计测量速度慢、结构复杂、体型大、成本高，妨碍其在通信等行业的应用。 

Etalon是一种光学仪器，具有两个平行的反射表面，由于光束在两表面多次反射而形成光干涉，这种干涉产生的光传输效率(T)是光的波长/频率的周期函数，可用艾里函数来表示，如式1和式2所示。 

$T=\frac{1}{1+F{\sin }^2(\mathrm{\δ}/2)},$ $F=\frac{4R}{{(1-R)}^2}---\left(1\right)$

$\mathrm{\δ}=\frac{4\mathrm{\π}\mathrm{nl}\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

式中R＝r²，r为振幅反射系数，并且n为折射率，l为Etalon反射面间距，即两表面的间距，λ为入射的激光波长，θ为入射角度。 

传输函数式(1)是周期函数，波峰与波峰间的频率间隔为： 

$\mathrm{\Δ\ν}=\frac{c}{2\mathrm{nl}\cos \mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

此值被定义为自由频谱范围，为了能更形象表明周期性，以下统称为频率周期。 

通过测量传输效率T，可以使用函数(1)和(2)计算激光光束的波长λ，但是此公式是周期函数，也就是说，同一传输效率对应多个波长/频率，此时若没有其他判定条件将无法确认它的实际输入的激光波长。故难以采用测量Etalon传输效率的方法设计波长计。 

(三)实用新型内容

本实用新型的目的是公开一种基于Etalon的波长计。 

本实用新型设计的基于Etalon的波长计包括光路部分、电路和计算机，光路部分包括分光计、准直器以及N个不同状态的Etalon，各Etalon的振幅反射系数r相同，折射率n、表面间距l和入射角度θ中的2个参数相同、而另外1个参数选择N个不同的值，构成N种不同状态的Etalon。使得各Etalon的传输效率的频率响应曲线互不相同，即由不同的波长/频率的入射激光得到N组不同的传输效率，从而测量待测激光的传输效率值后，通过查对传输效率数据校准表可以唯一确定一个正确的波长/频率。输入的连续或脉冲激光接入分光计，分为多路光束，N路光束分别经各准直器后进入各Etalon，各Etalon的输出光路上各有光电二极管。另一路光束为参考光，直接进入与之对应的光电二极管，光电二极管连接放大采集电路，放大采集电路连接计算机，计算机接有显示屏。 

所述激光为连续激光或脉冲激光。 

光电二极管将接收的光信号转换为电信号经放大采集电路送入计算机。计算机计算Etalon的传输效率并存储传输效率数据校准表。放大采集电路实现数据采集及电信号的放大，为计算机处理提供信号。计算机控制波长计的运行、处理数据和显示测量结果。计算机将待测激光所得的各电信号转换为各Etalon的传输效率，与存储数据比较计算，即得到输入的连续或脉冲激光的波长值，同时将其送到显示屏直接显示。 

通过Etalon的各光束的光电二极管的电信号电压值与参考光的光电二极管的电信号电压值的比值为各光束Etalon的传输效率值。 

波长计装配完成后，采用标准可调谐激光器在测试范围内，以步长Δf进行扫描，0.2GHz≤Δf≤1GHz，测量不同频率激光的不同状态的Etalon的 传输效率，得到N组传输效率值，从而生成整个测试频率范围内的对应不同状态的Etalon的传输效率数据校准表，并存储于计算机内。 

上述基于Etalon的波长计，也可只采用一个或几个Etalon装配参数调节件，使该Etalon的折射率n、表面间距l和入射角度θ中的2个参数保持恒定，调整参数调节件使另外1个参数选择N个不同的值，得到N种不同状态的Etalon。 

为了得到不同状态的Etalon，对于空气间隙的Etalon，有固定的折射率n和入射角度θ，安装有改变其表面间距的调节件；对于气体或液体填充腔体的Etalon，有固定的表面间距l，安装有Etalon的折射率n的热或压力或者电子技术的调节件；对于固体etalon，有固定的折射率n和表面间距l，安装有调整输入激光的入射角度θ的机械装置或电子装置。 

因为Etalon的传输效率对激光的频率/波长具有周期性，所以本波长计的关键是分辨出某个传输效率值对应的是哪个周期的频率。单个Etalon的周期性是存在的，而N种不同状态的Etalon，频率周期不同，那么它们组成的***基本避免了传输效率数组存在周期性的问题，从而满足了每组传输效率数值唯一对应一个波长的条件。 

本实用新型基于Etalon的波长计的优点为：1、性能优越，精度高，适用于光器件的研发、生产以及通信领域；2、与现有光波长计相比，保证高精度和高分辨率的同时，扫描速度更有非常大的提高；3、体型小、结构简单、且成本相对较低，具有较高的性价比。 

(四)附图说明

图1为本基于Etalon的波长计实施例的结构示意图； 

图2为本基于Etalon的波长计实施例中4个入射角度不同的Etalon传输效率与频率间的关系曲线图； 

图3为本基于Etalon的波长计实施例中4个入射角度不同的Etalon在起点频率为186310GHz，频率增量为50GHz时传输效率与频率间的关系曲线图。 

(五)具体实施方式

本基于Etalon的波长计实施例的结构如图1所示，包括光路部分、电路和计算机，光路部分包括分光计、准直器和4个振幅反射系数r相等的Etalon，各Etalon的主要参数为折射率n、反射表面间距l和入射角度θ。4个Etalon的参数n和l相同，但入射角度θ不同。输入的连续或脉冲激光接入分光计，分为8路光束，其中5路分别经5个准直器后，一路作为参考光，直接进入光路上的光电二极管PD，其它4路各以不同的入射角度θ进入各Etalon：θ₁＝0、θ₂＝1.97°、θ₃＝5.36°、θ₄＝5.48°，构成Etalon1、Etalon2、Etalon3和Etalon4。各Etalon的输出光路上各有光电二极管PD，5个光电二极管PD连接放大采集电路，放大采集电路连接计算机，计算机接有显示屏。本例所用计算机为PC机。各光电二极管PD将接收的光信号转换为电信号经放大采集电路送入计算机。 

光电二极管将接收的光信号转换为电信号经放大采集电路送入计算机。计算机计算Etalon的传输效率并存储传输效率数据校准表。放大采集电路实现数据采集及电信号的放大，为计算机处理提供信号。计算机控制波长计的运行、处理数据和显示测量结果。计算机将待测激光所得的各电信号转换为各Etalon的传输效率，与存储数据比较计算，即得到输入的连续或脉冲激光的波长值，同时将其送到显示屏直接显示。 

通过Etalon的各光束的光电二极管的电信号电压值与参考光的光电二极管的电信号电压值的比值为各光束Etalon的传输效率值。 

波长计装配完成后，在测试范围内，使用标准可调谐激光器以1GHz的步长扫描测量不同频率激光的传输效率，参数θ不同的各Etalon的传输效率的频率响应曲线互不相同，如图2所示，相应的频率周期分别为A₁50GHz、A₂50.030GHz、A₃50.220GHz、A₄50.230GHz。同时将扫描得到的传输效率数据作为校准表，存储于计算机内。图3是以186310为起点频率，以50GHz为频率增量绘制的传输效率的频率响应曲线。 

测量时，待测激光以上述θ₁、θ₂、θ₃、θ₄入射各Etalon，计算机将输入激光通过各Etalon产生的电信号转换为各Etalon的传输效率，与存储数据比较计算，即得到输入的连续或脉冲激光的波长值，可同时送到显示屏直接 显示。 

本例波长计的主要参数如下： 

波长范围	1525～1610nm
		绝对精度	±1.0pm
波长分辨率	±0.1pm
		显示分辨率	0.0001nm
采样速度	100Hz
		功率范围	-35±20dBm
功率精度	±0.5dB
		功率平整度	±0.5dB

选择合适的Etalon参数组合，使分辨能力达到要求，那么理论上可以实现整个光波波段的激光波长/频率测量，但实际中波长计各器件的工作范围，如光电二极管PD、分光计等器件的线性度和精度影响着波长计的实际测量范围。 

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (6)

1.基于Etalon的波长计，其特征在于：

包括光路部分、电路和计算机，光路部分包括分光计、准直器以及N个不同状态的Etalon，各Etalon的振幅反射系数r相同，N个Etalon的折射率n、表面间距l和入射角度θ中的2个参数相同、而另外1个参数选择N个不同的值，构成N种不同状态的Etalon；输入的连续或脉冲激光接入分光计，分为多路光束，N路光束分别经各准直器后进入各Etalon，各Etalon的输出光路上各有光电二极管；另一路光束为参考光，直接进入与之对应的光电二极管，光电二极管连接放大采集电路，放大采集电路连接计算机。

2.根据权利要求1所述的基于Etalon的波长计，其特征在于：

所述激光为连续激光或脉冲激光。

3.根据权利要求1所述的基于Etalon的波长计，其特征在于：

所述计算机接有显示屏。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于Etalon的波长计，其特征在于：

所述Etalon为空气间隙的Etalon，有固定的折射率n和入射角度θ，安装有改变其表面间距的调节件。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的基于Etalon的波长计，其特征在于：

所述Etalon为气体或液体填充腔体的Etalon，有固定的表面间距l，安装有Etalon的折射率n的热或压力或者电子技术的调节件。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的基于Etalon的波长计，其特征在于：

所述Etalon为固体etalon，有固定的折射率n和表面间距l，安装有调整输入激光的入射角度θ的机械装置或电子装置。

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