[發(fā)明專利]一種光纖光柵實(shí)時(shí)光譜分析裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210315466.1
• 申請(qǐng)日: 2012-08-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102853913A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏海云;胡冬冬;孫東松;竇賢康;舒志峰;薛向輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01J3/28
• 分類號(hào): G01J3/28
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及飛秒光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種光纖光柵實(shí)時(shí)光譜分析裝置及方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)存的光纖布拉格光柵(FBG)光譜分析技術(shù)主要分為三類：

第一類：使用靜態(tài)鑒頻器將FBG信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)化為信號(hào)強(qiáng)度變化或強(qiáng)度的空間分布：如FBG信號(hào)在邊緣鑒頻器(Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具或是波分復(fù)用光纖器件)上的透過(guò)率變化，或是FBG信號(hào)經(jīng)過(guò)色散器件之后在電荷耦合器件(CCD)上呈現(xiàn)的強(qiáng)度分布變化。在邊緣技術(shù)中，測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)范圍存在相互制約的關(guān)系，無(wú)法同時(shí)提高。目前高速CCD工作波長(zhǎng)局限在了900nm以下，使得基于該方法的儀器無(wú)法使用光通信1550nm波段諸多高性價(jià)比的光學(xué)元器件。

第二類：使用可調(diào)的窄帶濾光器掃描FBG的光譜，則掃描得到的結(jié)果是濾光器的傳遞函數(shù)和FBG光譜的卷積。這種可調(diào)的窄帶濾光器可以是可調(diào)諧式的Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具、聲光濾波器或是光纖光柵濾光器。這種方法對(duì)激光光源和環(huán)境變化引起的信號(hào)光強(qiáng)波動(dòng)非常敏感，因此不適于對(duì)FBG光譜的快速、大動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量。

第三類：通過(guò)非平衡雙臂Michelson干涉儀的光學(xué)干涉方法反演FBG譜的信息。當(dāng)掃描Michelson干涉儀的一臂時(shí)，對(duì)應(yīng)特定反射波長(zhǎng)的光纖光柵會(huì)產(chǎn)生一個(gè)干涉信號(hào)。如果反射信號(hào)是來(lái)自一系列光纖光柵，則干涉信號(hào)是對(duì)應(yīng)每一個(gè)光纖光柵干涉信號(hào)的線性疊加。通過(guò)傅里葉變換，可以很好地反演FBG譜。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種使用實(shí)時(shí)“頻率-時(shí)間”映射光譜分析技術(shù)檢測(cè)FBG譜線的裝置及方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)FBG高精度、大動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)時(shí)超快光譜分析。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種光纖光柵實(shí)時(shí)光譜分析裝置，其特征在于，該裝置包括：光源模塊1、傳感單元2、色散單元3、記錄模塊4和待測(cè)單元，其中：

所述光源模塊1用于發(fā)射脈沖；

所述傳感單元2和所述待測(cè)單元通過(guò)光學(xué)開(kāi)關(guān)22連接所述光源模塊1；

所述傳感單元2用于使所述發(fā)射脈沖信號(hào)發(fā)生干涉；

所述待測(cè)單元包括多根串聯(lián)的FBG7、8、壓電陶瓷納米平移臺(tái)10及其驅(qū)動(dòng)器9；所述壓電陶瓷納米平移臺(tái)10與除最后一個(gè)FBG的其他FBG7并聯(lián)，所述壓電陶瓷納米平移臺(tái)10與其驅(qū)動(dòng)器9相連；

所述色散單元3通過(guò)光學(xué)開(kāi)關(guān)23連接所述傳感單元2和所述待測(cè)單元，用于對(duì)所述傳感單元2或所述待測(cè)單元發(fā)射的脈沖進(jìn)行展寬；

所述記錄模塊4連接所述色散單元3，用于記錄頻域和時(shí)域的出射脈沖信號(hào)；

在對(duì)待測(cè)單元中的FBG的光譜進(jìn)行檢測(cè)之前，先將所述光學(xué)開(kāi)關(guān)22、23連接到所述傳感單元2上，根據(jù)所述記錄模塊4記錄的頻域和時(shí)域的出射脈沖信號(hào)，得到“頻率-時(shí)間”映射校準(zhǔn)關(guān)系；

然后，在對(duì)待測(cè)元件中的FBG進(jìn)行超快光譜分析時(shí)，將所述光學(xué)開(kāi)關(guān)22、23連接到所述待測(cè)單元上，測(cè)量記錄模塊4輸出的時(shí)域脈沖信號(hào)波形，通過(guò)所述“頻率-時(shí)間”映射校準(zhǔn)關(guān)系，將所述時(shí)域脈沖信號(hào)波形轉(zhuǎn)化得到與之對(duì)應(yīng)的頻譜波形，完成對(duì)于待測(cè)FBG的超高速光譜檢測(cè)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出一種光纖光柵實(shí)時(shí)光譜分析方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟S1，發(fā)射用于光柵光譜分析的飛秒激光脈沖；

步驟S2，使所述發(fā)射脈沖信號(hào)發(fā)生干涉；

步驟S3，對(duì)發(fā)生干涉之后得到的脈沖進(jìn)行展寬；

步驟S4，記錄并顯示頻域和時(shí)域的出射脈沖信號(hào)；

步驟S5，根據(jù)所述頻域和時(shí)域的出射脈沖信號(hào)，得到“頻率-時(shí)間”映射校準(zhǔn)關(guān)系；

步驟S6，將待測(cè)的多個(gè)FBG串聯(lián)起來(lái)，將除最后一個(gè)FBG的所有FBG與壓電陶瓷納米平移臺(tái)并聯(lián)；

步驟S7，發(fā)射用于光柵光譜分析的飛秒激光脈沖；

步驟S8，對(duì)經(jīng)過(guò)待測(cè)FBG的脈沖信號(hào)進(jìn)行展寬；

步驟S9，記錄時(shí)域脈沖信號(hào)波形，通過(guò)所述“頻率-時(shí)間”映射校準(zhǔn)關(guān)系，將所述時(shí)域脈沖信號(hào)波形轉(zhuǎn)化得到與之對(duì)應(yīng)的頻譜波形，完成對(duì)于待測(cè)FBG的超高速光譜檢測(cè)。

采用本發(fā)明的技術(shù)方案，能夠獲得：一、超快的光譜分析速度：“頻率-時(shí)間映射”函數(shù)可以將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，由于示波器對(duì)時(shí)域信號(hào)的采集相比較直接使用光譜儀測(cè)量譜線要快，因此采用本發(fā)明的方法可以實(shí)現(xiàn)光譜的快速分析。二、大的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍：由于使用飛秒激光脈沖作為光源，飛秒脈沖的寬光譜為FBG光譜測(cè)量提供了大的動(dòng)態(tài)范圍。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明光纖光柵實(shí)時(shí)光譜分析裝置結(jié)構(gòu)原理圖。