全光纤干涉系统在测量激光光谱结构特征中的应用

全光纤干涉系统在测量激光光谱结构特征中的应用
摘要利用自制的全光纤干涉系统，对激光光谱结构特性所引起的干涉条纹幅度变化进行了理论分析和实验证明。首次将全 光纤干涉系统应用于激光光谱的结构分析领域，可能会导致出现一种新的激光光谱测量仪。 波长和谱宽。设中心波长为 ，功率下降为最大值1／10 

 引 言 时对应的偏离中心波长的光谱宽度为m。，则光谱宽度 B 可定义为B。=2m。。光谱如图1所示。 对激光光谱的结构特性分析，以前较多依赖于利 用透镜、分束器等离散光学器件构造的干涉系统 。 随着光纤技术的发展，特别是光通信领域密集波分复 用技术(DwDM)的应用，客观上对光谱结构特性的测 试技术提出了新的要求，压力表| 压力计| 真空表| 硬度计| 探伤仪| 电子称| 热像仪| 频闪仪| 测高仪| 测距仪| 金属探测器|目前相关的器件研制和生产 过程中，对光谱测试的需求大大增加，测试精度要求更 高。因此希望能开发出用于DWDM 系统中波长测试 的光谱分析系统。 文中就光谱分析问题提出了新的分析方法，并利 用所研制的全光纤干涉系统进行了实验测试；通过干 涉曲线可反演出光谱的中心波长和光谱宽度。整个测 试系统具有结构紧揍、简单，光谱测试参数反演方便的 特点，具有明显的应用价值。

2 原理分析 在激光光谱的结构特性研究中，最主要的是中心 。 设光谱 ，对应的振幅为A，( ，)，光谱分布以中心 波长 。对称分布， 与 。的差值△ 为： △ = ，一 。 根据对称分布特性： A( +△ )一A( 一△ ) 如果干涉系统形成的光程 差为△L，对应于 。的光谱 形成的相位弧度为： 2 该等式非常重要，因为在以 后的讨论中可以看出，不同 波长光谱形成的干涉相位 差与 。密切相关。 J ‘A(u) l 一 l ^0 Lo0 图1 光谱分布示意图 为了全面获取光谱信息，希望不同光谱产生的相 位差能够准确反映在干涉信号中。与中心波长相差△ 的光谱对应的相位弧度差△ 为：Aqo=Aqo 一2rrALAl 1 I = 2rrAL[一等] [一 AX] ㈩ 设8一 ／N(N 为整数)，AX。一i8 (i一0，±1， ±2，⋯ ，±N，⋯)，根据式(1)，可得： Aqo。一 【 ) (2) 在我们所利用的全光纤干涉系统中，干涉信号的 相位表现为余弦函数，即干涉信号I。(t)可表现为： I。(t)一A~cosEqo。(t)+△ (t)] (3) 考虑整个光谱范围内的合成干涉信号I(t)，有下 式成立： I(t)一2_／I。(t) (4) 利用光谱关于中心波长的对称性： I一。(t)一A 。COS[(P。(t)4-Aqo。(t)] 一A~cos[(P。(t)一Aqo．(t)] (5) 再考虑到式(3)～(5)中i的取值范围可由原来的 负整数转变为从0开始的正整数取值，即有： I(t)一2_／2rl。A~cos[△ (t)3cos"[(P。(t)] (6) 式中：M 为i的最大正值；当i—o时， 为1／2，否则 为1。 由式(2)可以看出，Aqo。与中心波长对应的相位(P。 和偏离中心波长的级数i密切相关。当 取较小值时， 偏离中心波长的光谱分量产生的干涉条纹仅依赖于光 谱的固有频谱幅度分布A。；当(P。取较大值时，干涉信 号产生的初始相位差Aqo。造成条纹强度减弱的影响表 现为三角函数的变化关系COS,[△(Pi(t)]。所以，在宽光 谱光源作用下的干涉系统，在条纹数增加的情况下，信 号将出现衰变现象。衰变现象体现了光谱分布特性，利 用该特点，可实现光谱特性分析。在前面关于8的等式 中，N值的选取决定了系统的测量精度。 在式(6)中，如果频谱分布特性A( )为已知，通过 拟合干涉曲线和理论推导式(6)，可求出级数的最大值 M，同时，也可求出光谱幅度下降为A。／10时级数A． 的项数。 利用上面的理论分析，进行模拟计算。假设干涉相 位随时间的变化满足关系式： (P。(t)一627csin(t／5000) t∈[一2500，25001 (7) 假设光谱分量的振幅分布满足以下关系式： A(X．)=exp[一( )z] (8) 式中：△ ．一 ．一 。，其中 对应光谱的中心波长。将式 (7)和式(8)代人式(6)，并取光谱宽度为B=20nm， AX⋯ 一40nm，可以得到干涉曲线随时间的变化曲线， 结果如图2所示。 400 名200 。 乏 摹-200 — — 一400 l 2 3 4 时间t／ms 图2 模拟计算得到的干涉曲线图

3 实验测试结果 实验中，利用了自行研制的全光纤干涉系统 。 该系统的特点是采用光纤耦合器实现了白光干涉原理。 由于干涉光束的对称性，决定了系统工作状态稳定，具 有实用性。目前已开发出了全光纤振动测试系统等拥有 自主知识产权的产品，并通过了专家的鉴定。实验结构 如图3所示。所采用的被测光源为四十四所生产的超辐 射发光管(SLD)稳定光源，其中心波长为1308．2nm，光 谱谱宽为19．8nm，探测器为InGaAs光电二极管，处理 软件为LabVIEW ，系统为单模光纤，振动源为低频喇 叭，振动频率为200Hz。改变喇叭的驱动电压，使实验中 得到的干涉条纹数为62个，与前面的模拟计算相吻合。 在此实验条件下，得到干涉曲线如图4所示。 臣蓝 图3 买验框图 从图4可见，干涉条纹幅度随着条纹数的增加而 减小，其变化规律与理论模拟结果(如图2所示)相同， 说明前面理论推导的正确性。在干涉曲线的两边，由于 信号幅度太小，放大器的增益不够，造成了实验曲线一 定程度失真。通过增加光源功率和改进放大器性能，这 种失真是可以消除的。

4 结 论 实验曲线 采用全光纤干涉系统，可以实现光谱的测量新方 法，为光谱测试仪的小型化、降低测试系统成本都具有 重要意义。此外，该法的测试数据处理方便，采用普通 的测试处理软件就可完成；系统的所有器件均采用国 内厂家提供的产品。 此外，目前国际上全光纤干涉系统应用领域大多 还局限于光纤传感领域 ，特别是在振动、冲击波测 试领域应用较多，在光谱测试中的应用还较少，本研究 作为一种新的尝试，也是有意义的。