CN202676287U - 一种光谱分析仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光谱分析仪器，包括：入射准直透镜；可调谐F-P干涉仪，其通过调谐腔长在选择部分来自所述入射准直透镜的光波通过；F-P标准具，用于提取来自所述可调谐F-P干涉仪中特定频率的光波；用于隔离反射光的第一光纤环行器，位于可调谐F-P干涉仪和F-P标准具之间；第二光纤环行器，接收稳频基准光波；稳频光源；第三光纤环行器；功率测量模块；波长解调模块；光带阻滤波器，位于所述第三光纤环行器和功率测量模块之间，其阻带与待测光波的频率范围错开，用于将来自稳频光源发出的光波反射。本实用新型避免了使用体积较大的迈克耳逊或者马赫-曾德干涉仪，而实现光频率选择，且可以在很小的幅度上调谐谐振腔的腔长，避免了采用活动部件所产生的技术问题。

Description

一种光谱分析仪器

技术领域

本实用新型涉及一种光谱分析仪器，属于光谱探测领域，可以应用于物质的吸收光谱的测定、光通信和光纤传感等领域。 

背景技术

光谱仪是把成分复杂的光中分解开来后分别探测各成分的仪器。光谱仪有很多类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按照色散元件的小同，光谱仪可以分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪。另外，光谱仪与其其它一些技术结合，还有拉曼光谱仪、傅立叶变换红外光谱仪等。使用光谱仪，可以用来进行许多方面的研究和检测，比如物质分析就是目前常见的用途。 

现有技术，将光波导入一个迈克耳逊或者马赫-曾德干涉仪，输出的光波是两臂中传输的光波的相干光，其功率是波长和相位差的函数。通过调节一条光臂的长度，改变相位差，可以得到光功率随腔长的变化。而光谱与这个信号的关系正好是余弦傅里叶变换，因此，通过求解逆傅里叶变换，可以得到待测光谱。这种方法的优点是，光谱探测范围和波长分辨率都很高。缺点是：非常耗费时间，不能够测量变化较快的光谱；具有运动部件，对机械加工的要求也很高；设备也庞大而昂贵。因此如何克服现有技术中上述技术问题，成为本领域普通技术人员努力的方向。 

发明内容

本实用新型目的是提供一种光谱分析仪器，避免了使用体积较大的迈克耳逊或者马赫-曾德干涉仪，而实现光频率选择，且可以在很小的幅度上调谐谐振腔的腔长，避免了采用活动部件所产生的技术问题。 

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种光谱分析仪器，包括： 

入射准直透镜，用于将待测的入射光耦合入光纤； 

可调谐F-P干涉仪，其通过调谐腔长在选择部分来自所述入射准直透镜的光波通过； 

F-P标准具，用于提取来自所述可调谐F-P干涉仪中特定频率的光波； 

用于隔离反射光的第一光纤环行器，位于可调谐F-P干涉仪和F-P标准具之间，用于接收来自可调谐F-P干涉仪的光波； 

第二光纤环行器，其第1端口接收稳频基准光波，第2端口与所述F-P标准具之间传输光波； 

稳频光源，位于所述第一光纤环行器和第二光纤环行器之间，用于提供一稳频基准光波； 

第三光纤环行器，此第三光纤环行器输入端口与第二光纤环行器的第3端口之间传输光波； 

功率测量模块，将来自第三光纤环行器第一输出端口光波转化为电信号并计算光功率，采样并储存光功率数据； 

波长解调模块，将来自第三光纤环行器第二输出端口光波转化为电信号并计算稳频光源所发出的光波穿过整个***后的光功率，从光功率数据中解调得到波长数据； 

光带阻滤波器，位于所述第三光纤环行器和功率测量模块之间，其阻带与待测光波的频率范围错开，用于将来自稳频光源发出的光波反射。 

上述技术方案中进一步改进的技术方案如下： 

作为优选，位于所述功率测量模块前端为第一光电二极管，其用于将光波转化为电信号； 

位于波长解调模块前端为第二光电二极管，其用于将光波转化为电信号。 

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点和效果： 

本实用新型利用两个体积很小的谐振腔实现了光频率选择的功能，避免了使用体积较大的迈克耳逊或者马赫-曾德干涉仪；其次，本实用新型在扫描光频 率的过程中只需要在很小的幅度上调谐谐振腔的腔长。因此可以采用电光调制等手段，避免了采用活动部件所造成的问题；再次，本实用新型的频谱分辨率由标准具的自由光谱范围决定，可以很容易地达到极高的分辨精度。 

附图说明

图1本实用新型光谱分析仪器结构示意图； 

图2本实用新型谐振腔的功率透射谱； 

图3本实用新型F-P标准具和可调谐F-P干涉仪的功率透射谱。 

以上附图中：1、入射准直透镜；2、可调谐F-P干涉仪；3、F-P标准具；4、第一光纤环行器；5、第二光纤环行器；6、稳频光源；7、第三光纤环行器；8、功率测量模块；9、波长解调模块；10、光带阻滤波器；11、第一光电二极管；12、第二光电二极管。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述： 

实施例：一种光谱分析仪器，如附图1-3所示，包括： 

入射准直透镜1，用于将待测的入射光耦合入光纤； 

可调谐F-P干涉仪2，其通过调谐腔长在选择部分来自所述入射准直透镜的光波通过； 

F-P标准具3，用于提取来自所述可调谐F-P干涉仪2中特定频率的光波； 

用于隔离反射光的第一光纤环行器4，位于可调谐F-P干涉仪2和F-P标准具3之间，用于接收来自可调谐F-P干涉仪2的光波； 

第二光纤环行器5，其第1端口接收稳频基准光波，第2端口与所述F-P标准具3之间传输光波； 

稳频光源6，位于所述第一光纤环行器4和第二光纤环行器5之间，用于提供一稳频基准光波； 

第三光纤环行器7，此第三光纤环行器7输入端口与第二光纤环行器5的第3端口之间传输光波； 

功率测量模块8，将来自第三光纤环行器7第一输出端口光波转化为电信号并计算光功率，采样并储存光功率数据； 

波长解调模块9，将来自第三光纤环行器7第二输出端口光波转化为电信号并计算稳频光源6所发出的光波穿过整个***后的光功率，从光功率数据中解调得到波长数据； 

光带阻滤波器10，位于所述第三光纤环行器7和功率测量模块8之间，其阻带与待测光波的频率范围错开，用于将来自稳频光源6发出的光波反射。 

位于所述功率测量模块8前端为第一光电二极管11，其用于将光波转化为电信号； 

位于波长解调模块9前端为第二光电二极管12，其用于将光波转化为电信号。 

根据多光束干涉的知识，谐振腔的功率透射谱呈现梳状，如图2所示。其中自由光谱范围(腔纵模间隔)与谐振腔内的光程(简称为腔长)成反比。腔纵模的宽度，也就是透射光谱的宽度，是由精细度决定的。精细度越高，纵模的形状越尖锐，纵模宽度D越窄。 

本实用新型中存在有两个串接的谐振腔，即腔长可变的F-P干涉仪和腔长固定的F-P干涉仪。两者的自由光谱范围有一个微小的差别，如图3所示，图3(a)为F-P标准具的透射谱，图3(b)为可调谐F-P干涉仪的透射谱，从图3中可以看出，两者的透射光谱在光频率v_i处重合，而在其它任何波长都不重合，因此，待测光波穿过两个谐振腔之后，只剩下频率为v_i的单色光波。 

根据谐振腔的相关知识，其纵模频率为 

$v=\frac{\mathrm{nC}}{2L}---\left(1\right)$

其中C是光速，L是腔内光程，n是一个正整数，是纵模的序号。 

从式(1)可以得到谐振腔的自由光谱范围，也就是相邻纵模的频率差为 

$\mathrm{\Δv}=\frac{C}{2L}---\left(2\right)$

从式(1)和式(2)可以看出，当改变腔长L时，自由光谱范围和第n个纵模所在的光频率v都会变化。但是，如果腔长的改变量ΔL远小于腔长，即有关系ΔL＜＜L，从式(2)可以看出，分母上的一点微小变化不会对自由光谱范围Δv产生显著的影响，我们可以认为Δv是不变的。另一方面，在光频波段，腔纵模的序数n都是很大的。因此，自由光谱范围(纵模间隔)的一点微小变化都会累加起来，使第n个纵模所在的光频率产生显著的变化。综上所述，微调腔长L的效果就相当于平移谐振腔的透射光谱。 

采用上述光谱分析仪器时，利用了两个体积很小的谐振腔实现了光频率选择的功能，避免了使用体积较大的迈克耳逊或者马赫-曾德干涉仪；其次，在扫描光频率的过程中只需要在很小的幅度上调谐谐振腔的腔长。因此可以采用电光调制等手段，避免了采用活动部件所造成的问题；再次，本实施例的频谱分辨率由标准具的自由光谱范围决定，可以很容易地达到极高的分辨精度。 

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (2)

1.一种光谱分析仪器，其特征在于：包括：

入射准直透镜(1)，用于将待测的入射光耦合入光纤；

可调谐F-P干涉仪(2)，其通过调谐腔长在选择部分来自所述入射准直透镜(1)的光波通过；

F-P标准具(3)，用于提取来自所述可调谐F-P干涉仪(2)中特定频率的光波；

用于隔离反射光的第一光纤环行器(4)，位于可调谐F-P干涉仪(2)和F-P标准具(3)之间，用于接收来自可调谐F-P干涉仪(2)的光波；

第二光纤环行器(5)，其第1端口接收稳频基准光波，第2端口与所述F-P标准具(3)之间传输光波；

稳频光源(6)，位于所述第一光纤环行器(4)和第二光纤环行器(5)之间，用于提供一稳频基准光波；

第三光纤环行器(7)，此第三光纤环行器(7)输入端口与第二光纤环行器(5)的第3端口之间传输光波；

功率测量模块(8)，将来自第三光纤环行器(7)第一输出端口光波转化为电信号并计算光功率，采样并储存光功率数据；

波长解调模块(9)，将来自第三光纤环行器(7)第二输出端口光波转化为电信号并计算稳频光源(6)所发出的光波穿过整个***后的光功率，从光功率数据中解调得到波长数据；

光带阻滤波器(10)，位于所述第三光纤环行器(7)和功率测量模块(8)之间，其阻带与待测光波的频率范围错开，用于将来自稳频光源(6)发出的光波反射。

2.根据权利要求1所述光谱分析仪器，其特征在于：位于所述功率测量模块(8)前端为第一光电二极管(11)，其用于将光波转化为电信号；

位于波长解调模块(9)前端为第二光电二极管(12)，其用于将光波转化 为电信号。 

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