全光纖干涉系統(tǒng)在測(cè)量激光光譜結(jié)構(gòu)特征中的應(yīng)用

全光纖干涉系統(tǒng)在測(cè)量激光光譜結(jié)構(gòu)特征中的應(yīng)用
摘要利用自制的全光纖干涉系統(tǒng)，對(duì)激光光譜結(jié)構(gòu)特性所引起的干涉條紋幅度變化進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)證明。首次將全 光纖干涉系統(tǒng)應(yīng)用于激光光譜的結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域，可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)一種新的激光光譜測(cè)量?jī)x。 波長(zhǎng)和譜寬。設(shè)中心波長(zhǎng)為 ，功率下降為最大值1／10 

 引 言 時(shí)對(duì)應(yīng)的偏離中心波長(zhǎng)的光譜寬度為m。，則光譜寬度 B 可定義為B。=2m。。光譜如圖1所示。 對(duì)激光光譜的結(jié)構(gòu)特性分析，以前較多依賴(lài)于利 用透鏡、分束器等離散光學(xué)器件構(gòu)造的干涉系統(tǒng) 。 隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，特別是光通信領(lǐng)域密集波分復(fù) 用技術(shù)(DwDM)的應(yīng)用，客觀上對(duì)光譜結(jié)構(gòu)特性的測(cè) 試技術(shù)提出了新的要求，壓力表| 壓力計(jì)| 真空表| 硬度計(jì)| 探傷儀| 電子稱(chēng)| 熱像儀| 頻閃儀| 測(cè)高儀| 測(cè)距儀| 金屬探測(cè)器|目前相關(guān)的器件研制和生產(chǎn) 過(guò)程中，對(duì)光譜測(cè)試的需求大大增加，測(cè)試精度要求更 高。因此希望能開(kāi)發(fā)出用于DWDM 系統(tǒng)中波長(zhǎng)測(cè)試 的光譜分析系統(tǒng)。 文中就光譜分析問(wèn)題提出了新的分析方法，并利 用所研制的全光纖干涉系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試；通過(guò)干 涉曲線可反演出光譜的中心波長(zhǎng)和光譜寬度。整個(gè)測(cè) 試系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊揍、簡(jiǎn)單，光譜測(cè)試參數(shù)反演方便的 特點(diǎn)，具有明顯的應(yīng)用價(jià)值。

2 原理分析 在激光光譜的結(jié)構(gòu)特性研究中，最主要的是中心 。 設(shè)光譜 ，對(duì)應(yīng)的振幅為A，( ，)，光譜分布以中心 波長(zhǎng) 。對(duì)稱(chēng)分布， 與 。的差值△ 為： △ = ，一 。 根據(jù)對(duì)稱(chēng)分布特性： A( +△ )一A( 一△ ) 如果干涉系統(tǒng)形成的光程 差為△L，對(duì)應(yīng)于 。的光譜 形成的相位弧度為： 2 該等式非常重要，因?yàn)樵谝?后的討論中可以看出，不同 波長(zhǎng)光譜形成的干涉相位 差與 。密切相關(guān)。 J ‘A(u) l 一 l ^0 Lo0 圖1 光譜分布示意圖 為了全面獲取光譜信息，希望不同光譜產(chǎn)生的相 位差能夠準(zhǔn)確反映在干涉信號(hào)中。與中心波長(zhǎng)相差△ 的光譜對(duì)應(yīng)的相位弧度差△ 為：Aqo=Aqo 一2rrALAl 1 I = 2rrAL[一等] [一 AX] ㈩ 設(shè)8一 ／N(N 為整數(shù))，AX。一i8 (i一0，±1， ±2，⋯ ，±N，⋯)，根據(jù)式(1)，可得： Aqo。一 【 ) (2) 在我們所利用的全光纖干涉系統(tǒng)中，干涉信號(hào)的 相位表現(xiàn)為余弦函數(shù)，即干涉信號(hào)I。(t)可表現(xiàn)為： I。(t)一A~cosEqo。(t)+△ (t)] (3) 考慮整個(gè)光譜范圍內(nèi)的合成干涉信號(hào)I(t)，有下 式成立： I(t)一2_／I。(t) (4) 利用光譜關(guān)于中心波長(zhǎng)的對(duì)稱(chēng)性： I一。(t)一A 。COS[(P。(t)4-Aqo。(t)] 一A~cos[(P。(t)一Aqo．(t)] (5) 再考慮到式(3)～(5)中i的取值范圍可由原來(lái)的 負(fù)整數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?開(kāi)始的正整數(shù)取值，即有： I(t)一2_／2rl。A~cos[△ (t)3cos"[(P。(t)] (6) 式中：M 為i的最大正值；當(dāng)i—o時(shí)， 為1／2，否則 為1。 由式(2)可以看出，Aqo。與中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的相位(P。 和偏離中心波長(zhǎng)的級(jí)數(shù)i密切相關(guān)。當(dāng) 取較小值時(shí)， 偏離中心波長(zhǎng)的光譜分量產(chǎn)生的干涉條紋僅依賴(lài)于光 譜的固有頻譜幅度分布A。；當(dāng)(P。取較大值時(shí)，干涉信 號(hào)產(chǎn)生的初始相位差A(yù)qo。造成條紋強(qiáng)度減弱的影響表 現(xiàn)為三角函數(shù)的變化關(guān)系COS,[△(Pi(t)]。所以，在寬光 譜光源作用下的干涉系統(tǒng)，在條紋數(shù)增加的情況下，信 號(hào)將出現(xiàn)衰變現(xiàn)象。衰變現(xiàn)象體現(xiàn)了光譜分布特性，利 用該特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)光譜特性分析。在前面關(guān)于8的等式 中，N值的選取決定了系統(tǒng)的測(cè)量精度。 在式(6)中，如果頻譜分布特性A( )為已知，通過(guò) 擬合干涉曲線和理論推導(dǎo)式(6)，可求出級(jí)數(shù)的最大值 M，同時(shí)，也可求出光譜幅度下降為A。／10時(shí)級(jí)數(shù)A． 的項(xiàng)數(shù)。 利用上面的理論分析，進(jìn)行模擬計(jì)算。假設(shè)干涉相 位隨時(shí)間的變化滿(mǎn)足關(guān)系式： (P。(t)一627csin(t／5000) t∈[一2500，25001 (7) 假設(shè)光譜分量的振幅分布滿(mǎn)足以下關(guān)系式： A(X．)=exp[一( )z] (8) 式中：△ ．一 ．一 。，其中 對(duì)應(yīng)光譜的中心波長(zhǎng)。將式 (7)和式(8)代人式(6)，并取光譜寬度為B=20nm， AX⋯ 一40nm，可以得到干涉曲線隨時(shí)間的變化曲線， 結(jié)果如圖2所示。 400 名200 。 乏 摹-200 — — 一400 l 2 3 4 時(shí)間t／ms 圖2 模擬計(jì)算得到的干涉曲線圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果 實(shí)驗(yàn)中，利用了自行研制的全光纖干涉系統(tǒng) 。 該系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用光纖耦合器實(shí)現(xiàn)了白光干涉原理。 由于干涉光束的對(duì)稱(chēng)性，決定了系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，具 有實(shí)用性。目前已開(kāi)發(fā)出了全光纖振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等擁有 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，并通過(guò)了專(zhuān)家的鑒定。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu) 如圖3所示。所采用的被測(cè)光源為四十四所生產(chǎn)的超輻 射發(fā)光管(SLD)穩(wěn)定光源，其中心波長(zhǎng)為1308．2nm，光 譜譜寬為19．8nm，探測(cè)器為InGaAs光電二極管，處理 軟件為L(zhǎng)abVIEW ，系統(tǒng)為單模光纖，振動(dòng)源為低頻喇 叭，振動(dòng)頻率為200Hz。改變喇叭的驅(qū)動(dòng)電壓，使實(shí)驗(yàn)中 得到的干涉條紋數(shù)為62個(gè)，與前面的模擬計(jì)算相吻合。 在此實(shí)驗(yàn)條件下，得到干涉曲線如圖4所示。 臣藍(lán) 圖3 買(mǎi)驗(yàn)框圖 從圖4可見(jiàn)，干涉條紋幅度隨著條紋數(shù)的增加而 減小，其變化規(guī)律與理論模擬結(jié)果(如圖2所示)相同， 說(shuō)明前面理論推導(dǎo)的正確性。在干涉曲線的兩邊，由于 信號(hào)幅度太小，放大器的增益不夠，造成了實(shí)驗(yàn)曲線一 定程度失真。通過(guò)增加光源功率和改進(jìn)放大器性能，這 種失真是可以消除的。

4 結(jié) 論 實(shí)驗(yàn)曲線 采用全光纖干涉系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)光譜的測(cè)量新方 法，為光譜測(cè)試儀的小型化、降低測(cè)試系統(tǒng)成本都具有 重要意義。此外，該法的測(cè)試數(shù)據(jù)處理方便，采用普通 的測(cè)試處理軟件就可完成；系統(tǒng)的所有器件均采用國(guó) 內(nèi)廠家提供的產(chǎn)品。 此外，目前國(guó)際上全光纖干涉系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域大多 還局限于光纖傳感領(lǐng)域 ，特別是在振動(dòng)、沖擊波測(cè) 試領(lǐng)域應(yīng)用較多，在光譜測(cè)試中的應(yīng)用還較少，本研究 作為一種新的嘗試，也是有意義的。