一种基于傅里叶域锁模的相干光谱分析装置及分析方法
阅读说明：本技术 一种基于傅里叶域锁模的相干光谱分析装置及分析方法 (Coherent spectrum analysis device and analysis method based on Fourier domain mode locking ) 是由 沈平 党竑 刘奂奂 陈金娜 廖罗缘 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种基于傅里叶域锁模的相干光谱分析装置及分析方法,属于光谱分析技术领域。解决了现有相干光谱分析装置及分析方法受限于本振光源的调谐范围、调谐速度以及干涉测量的偏振敏感性问题,导致测量速度和测量精度均不能满足前沿科学、生物医疗等领域需求的问题。它包括傅里叶域锁模本振光源通过双轴工作偏振分光棱镜与第二保偏光纤耦合器和第三保偏光纤耦合器相连,第二保偏光纤耦合器依次与第一平衡探测器、第一电学滤波器和信号处理模块相连,形成通路；第三保偏光纤耦合器依次与第二平衡探测器、第二电学滤波器和信号处理模块相连,形成通路。它主要用于相干光谱的分析。(The invention provides a coherent spectrum analysis device and method based on Fourier domain mode locking, and belongs to the technical field of spectrum analysis. The problem that the existing coherent spectrum analysis device and method are limited by the tuning range and the tuning speed of a local oscillator light source and the polarization sensitivity of interference measurement, so that the measurement speed and the measurement precision cannot meet the requirements of the fields of frontline science, biomedical treatment and the like is solved. The Fourier domain mode-locked local oscillator light source is connected with a second polarization-maintaining optical fiber coupler and a third polarization-maintaining optical fiber coupler through a double-shaft working polarization splitting prism, and the second polarization-maintaining optical fiber coupler is sequentially connected with a first balance detector, a first electrical filter and a signal processing module to form a channel; and the third polarization-maintaining fiber coupler is sequentially connected with the second balanced detector, the second electric filter and the signal processing module to form a channel. It is mainly used for the analysis of coherent spectrum.)
技术领域
本发明属于光谱分析技术领域，特别是涉及一种基于傅里叶域锁模的相干光谱分析装置及分析方法。
背景技术
随着光学传感、物质分析、医疗诊断及环境监测等领域，一批具有飞米量级精细光谱响应的光子学器件(光学回音壁模式传感器、飞秒光学频率梳)的发展，对于高分辨力光谱分析装置的需求急剧增长。而在以往的光谱分析装置及方法中，基于干涉调制原理的傅里叶变换光谱仪和基于衍射色散原理的光栅光谱仪受制于分光元件加工误差，光谱分辨力最高仅能达到皮米量级，远不能满足新型光子学器件的光谱测量需求。
近年来提出的相干光谱仪能够在原理上规避分光原件加工误差对光谱分辨力的不利影响，因此被广泛应用于精密仪器制造和精密测试计量等领域。相干光谱仪的技术方案是：首先，利用激光调谐技术和外差干涉技术，构建中心波长可调谐的等效滤波器；其次，调谐等效滤波器的中心波长使其遍历整个待检光束的光谱，从而对待检光束中的不同频率成分进行分时提取；最后，根据分时提取的频率成分恢复待检光束的光谱。显然，相干光谱仪能够快速、高精度工作的关键是提高本振光源的调谐速度与调谐精度。
然而，现有相干光谱分析装置及方法中所采用的外腔激光调谐技术(ECL)、垂直腔面发射激光调谐技术(VCSEL)和分布式布拉格反射激光调谐技术(DBR)等均通过反复起振/停振不同的激光纵模以实现本振光束调谐，由此引入的时间延迟与相位噪声制约了本振光源调谐速度与调谐精度的提升。此外，相干光谱仪装置及方法采用干涉方法进行解调，本振光束和待检光束之间偏振态的偏差也将导致测量结果的精度下降。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种基于傅里叶域锁模的相干光谱分析装置及分析方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于傅里叶域锁模的相干光谱分析装置，它包括傅里叶域锁模本振光源、待检光接口、单轴工作偏振分光棱镜、双轴工作偏振分光棱镜、第二保偏光纤耦合器、第一平衡探测器、第一电学滤波器、信号处理模块、第二电学滤波器、第二平衡探测器和第三保偏光纤耦合器，所述傅里叶域锁模本振光源通过双轴工作偏振分光棱镜与第二保偏光纤耦合器和第三保偏光纤耦合器相连，所述待检光接口通过单轴工作偏振分光棱镜与第二保偏光纤耦合器和第三保偏光纤耦合器相连，所述第二保偏光纤耦合器依次与第一平衡探测器、第一电学滤波器和信号处理模块相连，形成通路；所述第三保偏光纤耦合器依次与第二平衡探测器、第二电学滤波器和信号处理模块相连，形成通路。
更进一步的，所述傅里叶域锁模本振光源包括依次相连的光放大器、可调谐光学滤波器、偏振色散管理延迟线、光隔离器、第一保偏光纤耦合器和窄线宽光学滤波器，所述可调谐光学滤波器与函数发生器相连，所述窄线宽光学滤波器通过双轴工作偏振分光棱镜与第二保偏光纤耦合器和第三保偏光纤耦合器相连。
更进一步的，所述偏振色散管理延迟线的传输与偏振特性可调。
更进一步的，所述偏振色散管理延迟线通过刻写啁啾光栅、串联色散位移光纤、色散补偿光纤、玻片、光纤锥或偏振控制器的方式调控传输与偏振特性。
本发明还提供了一种基于傅里叶域锁模的相干光谱分析装置的分析方法，它包括以下步骤：
步骤1：所述傅里叶域锁模本振光源产生本振光束A，所述本振光束A经双轴工作偏振分光棱镜分为等振幅的慢轴对准本振光束A1和快轴对准本振光束A2；
步骤2：待检光束B经待检光接口入射，经过单轴工作偏振分光棱镜分为慢轴对准待检光束B1和快轴对准待检光束B2；
步骤3：慢轴对准本振光束A1和慢轴对准待检光束B1经第二保偏光纤耦合器合束、干涉后，由第一平衡探测器转化为慢轴干涉信号C，慢轴干涉信号C的慢轴干涉中频分量D经第一电学滤波器提取后交由信号处理模块；
步骤4：快轴对准本振光束A2和快轴对准待检光束B2经第三保偏光纤耦合器合束、干涉后，由第二平衡探测器转化为快轴干涉信号E，快轴干涉信号E的快轴干涉中频分量F经第二电学滤波器提取后交由信号处理模块；
步骤5：信号处理模块通过整合慢轴干涉中频分量D和快轴干涉中频分量F得到待检光束B的复原光谱信号B’。
更进一步的，所述步骤2中待检光束B为任意偏振光束，其中的HE1 x 1偏振模和HE1 y 1偏振模经单轴工作偏振分光棱镜分为慢轴对准待检光束B1和快轴对准待检光束B2。
更进一步的，当需要进行连续、重复性的光谱分析时，所述函数发生器的输出波形设置为锯齿形。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有相干光谱分析装置及分析方法受限于本振光源的调谐范围、调谐速度以及干涉测量的偏振敏感性问题，导致测量速度和测量精度均不能满足前沿科学、生物医疗等领域需求的问题。
本发明通过调控偏振色散管理延迟线的传输与偏振特性，抑制傅里叶域锁模本振光源中各纵模模式间的材料色散与偏振模色散，且能够控制本振光束为线性偏振光束；通过将函数发生器的调谐周期与傅里叶域锁模本振光源中各纵模模式的单程渡越时间相匹配，使得各纵模模式能够在傅里叶域锁模本振光源中稳定演化；通过可调谐光学滤波器控制各纵模模式依照波长次序相继输出，避免了以往相干光谱分析装置及方法中，本振光束在调谐过程中的反复起振与停振，能够实现本振光束的快速调谐，进而提高相干光谱的测量速度。
本发明通过双轴工作偏振分光棱镜将线性偏振的本振光束分为等振幅的慢轴对准本振光束与快轴对准本振光束；通过单轴工作偏振分光棱镜将待检光束中的偏振模和偏振模分为慢轴对准待检光束和快轴对准待检光束；通过第一平衡探测器和第二平衡探测器分别对慢轴干涉信号和快轴干涉信号进行独立的探测，能够使相干光谱分析装置及方法免受偏振模和偏振模串扰的影响，即实现偏振不敏感。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于傅里叶域锁模的相干光谱分析装置结构示意图；
图2为本发明所述的单轴工作偏振分光棱镜工作示意图；
图3为本发明所述的双轴工作偏振分光棱镜工作示意图；
图4为本发明所述的本振光束、慢轴对准本振光束以及快轴对准本振光束的光谱示意图；
图5为本发明所述的待检光束、慢轴对准待检光束以及快轴对准待检光束的光谱示意图；
图6为本发明所述的慢轴干涉示意图；
图7为本发明所述的快轴干涉示意图；
图8为本发明所述的函数发生器的输出波形示意图。
1-傅里叶域锁模本振光源，101-光放大器，102-可调谐光学滤波器，103-函数发生器，104-偏振色散管理延迟线，105-光隔离器，106-第一保偏光纤耦合器，107-窄线宽光学滤波器，2-待检光接口，3-单轴工作偏振分光棱镜，4-双轴工作偏振分光棱镜，5-第二保偏光纤耦合器，6-第一平衡探测器，7-第一电学滤波器，8-信号处理模块，9-第二电学滤波器，10-第二平衡探测器，11-第三保偏光纤耦合器，A-本振光束，A1-慢轴对准本振光束，A2-快轴对准本振光束，B-待检光束，B1-慢轴对准待检光束，B2-快轴对准待检光束，C-慢轴干涉信号，D-慢轴干涉中频分量，E-快轴干涉信号，F-快轴干涉中频分量，B’-复原光谱信号，
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1说明本实施方式，一种基于傅里叶域锁模的相干光谱分析装置，它包括傅里叶域锁模本振光源1、待检光接口2、单轴工作偏振分光棱镜3、双轴工作偏振分光棱镜4、第二保偏光纤耦合器5、第一平衡探测器6、第一电学滤波器7、信号处理模块8、第二电学滤波器9、第二平衡探测器10和第三保偏光纤耦合器11，所述傅里叶域锁模本振光源1通过双轴工作偏振分光棱镜4与第二保偏光纤耦合器5和第三保偏光纤耦合器11相连，所述待检光接口2通过单轴工作偏振分光棱镜3与第二保偏光纤耦合器5和第三保偏光纤耦合器11相连，所述第二保偏光纤耦合器5依次与第一平衡探测器6、第一电学滤波器7和信号处理模块8相连，形成通路；所述第三保偏光纤耦合器11依次与第二平衡探测器10、第二电学滤波器9和信号处理模块8相连，形成通路。
本实施例所述傅里叶域锁模本振光源1包括依次相连的光放大器101、可调谐光学滤波器102、偏振色散管理延迟线104、光隔离器105、第一保偏光纤耦合器106和窄线宽光学滤波器107，所述可调谐光学滤波器102与函数发生器103相连，所述窄线宽光学滤波器107通过双轴工作偏振分光棱镜4与第二保偏光纤耦合器5和第三保偏光纤耦合器11相连。所述偏振色散管理延迟线104的传输与偏振特性可调，所述偏振色散管理延迟线104通过刻写啁啾光栅、串联色散位移光纤、色散补偿光纤、玻片、光纤锥或偏振控制器的方式调控传输与偏振特性，一方面抑制傅里叶域锁模本振光源1中各纵模模式间的材料色散，另一方面限制偏振模在傅里叶域锁模本振光源1内的传输，从而抑制偏振模和偏振模之间的偏振模色散，且能够控制本振光束A的偏振态如图3所示。
实施例中所述函数发生器103的调谐周期与傅里叶域锁模本振光源1中各纵模模式的单程渡越时间相匹配，通过将函数发生器103调谐周期与傅里叶域锁模本振光源1中各纵模模式的单程渡越时间相匹配，使得各纵模模式能够在傅里叶域锁模本振光源1中稳定演化。
实施例中所述可调谐光学滤波器102控制傅里叶域锁模本振光源1中各纵模模式依照波长次序相继输出，通过可调谐光学滤波器102控制各纵模模式依照波长次序相继输出，避免了以往相干光谱分析装置及方法中，本振光束A在调谐过程中的反复起振与停振，能够实现本振光束A的快速调谐，进而提高相干光谱分析的测量速度。
本实施例为一种基于傅里叶域锁模的相干光谱分析装置的分析方法，它包括以下步骤：
步骤1：所述傅里叶域锁模本振光源1产生本振光束A，所述本振光束A经双轴工作偏振分光棱镜4分为等振幅的慢轴对准本振光束A1和快轴对准本振光束A2；
步骤2：待检光束B经待检光接口2入射，经过单轴工作偏振分光棱镜3分为慢轴对准待检光束B1和快轴对准待检光束B2；
步骤3：慢轴对准本振光束A1和慢轴对准待检光束B1经第二保偏光纤耦合器5合束、干涉后，由第一平衡探测器6转化为慢轴干涉信号C，慢轴干涉信号C的慢轴干涉中频分量D经第一电学滤波器7提取后交由信号处理模块8；
步骤4：快轴对准本振光束A2和快轴对准待检光束B2经第三保偏光纤耦合器11合束、干涉后，由第二平衡探测器10转化为快轴干涉信号E，快轴干涉信号E的快轴干涉中频分量F经第二电学滤波器9提取后交由信号处理模块8；
步骤5：信号处理模块8通过整合慢轴干涉中频分量D和快轴干涉中频分量F得到待检光束B的复原光谱信号B’。
实施例中所述步骤2中待检光束B为任意偏振光束，其中的偏振模和偏振模经单轴工作偏振分光棱镜3分为慢轴对准待检光束B1和快轴对准待检光束B2。如图2和图3所示，双轴工作偏振分光棱镜4将线性偏振的本振光束A分为等振幅的慢轴对准本振光束A1与快轴对准本振光束A2；单轴工作偏振分光棱镜3将待检光束B中的偏振模和偏振模分为慢轴对准待检光束B1和快轴对准待检光束B2；第一平衡探测器6和第二平衡探测器10分别对慢轴干涉信号C和快轴干涉信号E进行独立的探测，如图4和图5所示，所述探测方法能够使相干光谱分析装置及方法免受偏振模和偏振模串扰的影响，即实现偏振不敏感。
如图6和图7所示，慢轴对准本振光束A1和慢轴对准待检光束B1经第二保偏光纤耦合器5合束后发生外差干涉，所产生的慢轴干涉信号C主要位于中低频；快轴对准本振光束A2和快轴对准待检光束B2经第三保偏光纤耦合器11合束后发生外差干涉，所产生的快轴干涉信号E主要位于中低频；利用第一电学滤波器7和第二电学滤波器9分别滤除慢轴干涉信号C和快轴干涉信号E中的低频分量以得到慢轴干涉中频分量D和快轴干涉中频分量F，能够抵消本振光束A和待检光束B之间的相位差对测量结果的影响。
当需要进行连续、重复性的光谱分析时，所述函数发生器103的输出波形设置为如图8所示的锯齿形。
以上对本发明所提供的一种基于傅里叶域锁模的相干光谱分析装置及分析方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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