CN109489837A

CN109489837A - 一种基于光学干涉仪的多波长计

Info

Publication number: CN109489837A
Application number: CN201910010675.7A
Authority: CN
Inventors: 陈珂; 王晓娜
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2019-01-07
Filing date: 2019-01-07
Publication date: 2019-03-19

Abstract

本发明提供了一种基于光学干涉仪的多波长计，属于光学测量技术领域。该多波长计包括光线收集器、光扩散元件、透明平行板、线阵光探测器、遮光盒、电路板、按键和显示屏。待测光经光扩散元件后，产生点扩展光束，不同角度的光线入射到透明平行板上，经透明平行板的上表面和下表面分别反射后，在线阵光探测器表面发生干涉。干涉图像的频率与波长成反比。干涉图像中的多个频率则对应多个测量波长。本发明采用非扫描光学干涉方法，通过测量干涉图像的频率即可实现对波长的测量。根据计算出的多个频率，还可实现对多波长的同时测量。这种简单的结构增加了仪器的稳定性和和可靠性，同时，由低成本光电器件组成的干涉仪大幅度降低了波长计的成本。

Description

一种基于光学干涉仪的多波长计

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及一种基于光学干涉仪的多波长计。

背景技术

在光学测试中，多波长计是一种常用的测量仪器。目前的波长测量方法主要有：光谱测量法、光干涉法、光拍频法和波长特性材料测量法。光谱测量法采用光谱仪测量待测光的光谱，通过寻峰等方法得到对应的波长，该方法原理简单，但需要配置昂贵的光谱测量仪器。光干涉法主要利用参考光与待测光的干涉图像，通过比较参考光和待测光的干涉条纹周期或分析干涉条纹相位的方法获得待测光的波长。光干涉法主要有迈克尔逊干涉、法布里-珀罗干涉和斐索干涉等。光干涉法可以获得较高的测量分辨率，但参考光的引入、精密的光学部件以及复杂的结构使得基于该方法的波长计成本较高。此外，光干涉法中最常采用的迈克尔逊干涉法还需要使用机械移动部件，使波长测量时间较长，并且为了提高仪器测量精度，需要提前预热10分钟以上。光拍频法通过测量待测光和参考光产生的拍频信号的频率差来得到待测光的波长，其参考光可由光学频率梳发生器产生。光拍频法拥有最高的测量分辨率，但对于给定的参考光，待测光的波长测量范围较小，此外，光学频率梳发生器十分昂贵，因此，这种方法仅限用于某些特定领域。波长特性材料测量法利用光的偏振或波长敏感结构的光电探测器对波长进行测量。这种方法具有较简单的测量结构，但由于主要依靠光强度变化的测量，无法获得较高的分辨率。因而，设计一种具有成本低、结构简单、测量范围大、响应速度快和分辨率高等优点的波长计具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于光学干涉仪的多波长计，旨在解决目前波长计中普遍存在的成本高和结构复杂等问题，以及部分存在的测量范围有限和分辨率不够高等问题，为波长计在光学测试中的应用拓展更大的空间。

本发明的技术方案：

一种基于光学干涉仪的多波长计，包括光线收集器1、光扩散元件2、透明平行板3、线阵光探测器4、遮光盒5、电路板6、按键7和显示屏8；光扩散元件2、透明平行板3、线阵光探测器4和电路板6均置于遮光盒5中；电路板6接收按键7的控制信号，对工作参数进行设置；待测光被光线收集器1收集，经光扩散元件2后，入射到透明平行板3，反射光被线阵光探测器4接收；电路板6中的信号处理器对线阵光探测器4探测的光信号进行滤波等预处理后，再通过高精度频率测量法计算出干涉图像频率；电路板6中的信号处理器根据波长与干涉图像频率之间的关系反演得到波长，并将测量到的波长结果显示于显示屏8。

所述的光扩散元件2是一种光源空间扩展器件。

所述的透明平行板3的厚度小于500微米。

所述的待测光的轴向方向与透明平行板5的夹角大于透明平行板5的布鲁斯特角。

所述的高精度频率测量法是全相位快速傅里叶变换方法或者基于Buneman频率估计的快速傅里叶变换方法，可实现多频率同时精确测量。

本发明的原理如下：待测光经光扩散元件后，产生点扩展光束，不同角度的光线入射到透明平行板上，经透明平行板的上表面和下表面分别反射后，在线阵光探测器表面发生干涉。图2是光学干涉仪的几何光路图。从光扩散元件出射的空间发散光具有高斯空间分布，斜入射到透明平行板上，随后透明平行板上表面和下表面反射的光在线阵光探测器表面产生多光束干涉。由于透明平行板的两个表面的反射率通常小于10％，因此这种干涉仪可以近似为双光束干涉仪，所产生的干涉图像由线阵光探测器探测。

从光扩散元件出射，经透明平行板上下表面反射，最终到达线阵光探测器的两束光的光程可分别表示为：

其中，x为线阵光探测器上的像素点与线阵光探测器中心之间的距离，a为光扩散元件出光口与透明平行板上表面之间的垂直距离，b为光扩散元件出光口与线阵光探测器中心之间的水平距离，h为线阵光探测器中心与透明平行板上表面之间的垂直距离，n为透明平行板的折射率，d是透明平行板厚度，α和β分别是透明平行板外部和内部的入射角。

根据光的折射定律，α与β之间满足如下关系：

sinα＝n sinβ. (3)

此外，由图2中几何关系可得：

h+a＝b. (5)

两束反射光之间的光程差为：

OPD＝OP₂-OP₁. (6)

根据公式(1)-(6)，可得到干涉光的光程差在线阵光探测器上呈近似线性分布，因此，干涉光的光程差(OPD)与线阵光探测器上的位置(x)之间的关系可表示为：

OPD(x)＝px+q， (7)

其中，p和q为线性方程的系数，由系统结构参数及透明平行板的厚度决定。

线阵光探测器获取的双光束干涉光的强度可表示为：

其中，I₁和I₂分别为经透明平行板上表面和下表面反射的光的强度，γ为干涉条纹对比度，λ为相干光源的中心波长。因此，公式(8)中的空间相位被光程差调制。

根据光扩散元件出射光的高斯空间分布，I₁和I₂可分别表示为：

其中，R为透明平行板的反射率，I₀为光扩散元件出射光的光强，w₀为出射光的模场半径，w为光斑半径，r₁和r₂为轴向距离，可分别表示为：

根据公式(7)及公式(8)，可以发现干涉条纹是空间上具有高斯包络的余弦信号，干涉图像的空间频率可表示为：

其中，v是波数。根据公式(13)，在透明平行板厚度一定的情况下，图像频率与波长成反比。干涉图像中的多个频率则对应多个测量波长。

本发明的有益效果：采用非扫描光学干涉方法，通过测量干涉图像的频率即可实现对波长的测量。根据计算出的多个频率，还可实现对多波长的同时测量。这种简单的结构增加了仪器的稳定性和和可靠性，同时，由低成本光电器件组成的干涉仪大幅度降低了波长计的成本。本发明为低成本多波长测量提供了一种极具竞争力的技术方案。

附图说明

图1是本发明仪器的结构示意图。

图2是光学干涉仪的几何光路图。

图3是使用656.14nm激光测量的干涉图像。

图4是使用1064.02nm激光测量的干涉图像。

图5是测量的空间频率与波数之间的关系。

图6是空间频率的多次测量结果。

图7是使用双波长激光测量的干涉图像。

图8是使用双波长激光测量的干涉图像的频谱分析图。

图中：1光线收集器；2光扩散元件；3透明平行板；4线阵光探测器；5遮光盒；6电路板；7按键；8显示屏。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

一种基于光学干涉仪的多波长计，包括光线收集器1、光扩散元件2、透明平行板3、线阵光探测器4、遮光盒5、电路板6、按键7和显示屏8；光扩散元件2、透明平行板3、线阵光探测器4和电路板6均置于遮光盒5中；电路板6接收按键7的控制信号，对工作参数进行设置；待测光被光线收集器1收集，经光扩散元件2后，产生点扩展光束，不同角度的光线斜入射到低反射率的透明平行板3，随后透明平行板上表面和下表面反射的光在线阵光探测器表面产生干涉，产生的干涉图像由线阵光探测器4探测；电路板6根据采集干涉图像的强度自动调整CCD的积分时间；电路板6中的信号处理器对线阵光探测器4探测的光信号进行滤波等预处理后，再通过高精度频率测量法计算出干涉图像频率；电路板6中的信号处理器根据波长与干涉图像频率之间的反比关系反演得到波长，并将测量到的波长结果显示于显示屏8。

其中，光线收集器1是光学透镜。光扩散元件2是光纤端面，光纤端面的出射光是高斯空间分布的，光束的轴向方向与透明平行板4的夹角为45度。透明平行板3是厚度为156微米的薄玻璃片。

线阵光探测器4是线阵电荷耦合器件(CCD)，有效像素为3648个，光谱响应范围为300-1100nm。电路板6是基于FPGA的信号处理电路，用于CCD图像采集和快速傅里叶变换等数字信号处理，实现对多频率的同时精确测量，最终反演得到多个波长信息。

图3是使用656.14nm激光测量的干涉图像。图中的干涉图像是一个具有高斯包络的近似正弦信号。

图4是使用1064.02nm激光测量的干涉图像。与图3中的干涉图像相比，空间频率发生了较大的变化。

图5是测量的空间频率与波数之间的关系。为了验证波长与空间频率的反比关系，采用532nm、656.14nm、851.19nm、974.9nm和1064.02nm等多个波长进行测试。测试结果表明，空间频率与波数之间具有较好的线性关系，通过线性拟合得到响应度为0.17689m^-1/cm^-1。

图6是空间频率的多次测量结果。通过计算标准差，空间频率的分辨率为0.026m^-1，根据拟合的波长响应度0.17689m^-1/cm^-1，可计算出波数分辨率为0.147cm^-1，根据激光波长851.19nm，可进一步计算出波长的分辨率为4pm。

图7是使用双波长激光测量的干涉图像。为了验证本发明仪器的多波长同时测量能力，两个不同波长的激光器通过耦合器耦合并同时入射到仪器中，测量的干涉图像是两个波长激光的干涉曲线叠加的结果。

图8是使用双波长激光测量的干涉图像的频谱分析图。通过快速傅里叶变化可以得到干涉图像的频率，可以看到不同的激光波长对应不用的频率，进而可实现多波长同时测量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于光学干涉仪的多波长计，其特征在于，所述的基于光学干涉仪的多波长计包括光线收集器(1)、光扩散元件(2)、透明平行板(3)、线阵光探测器(4)、遮光盒(5)、电路板(6)、按键(7)和显示屏(8)；光扩散元件(2)、透明平行板(3)、线阵光探测器(4)和电路板(6)均置于遮光盒(5)中；电路板(6)接收按键(7)的控制信号，对工作参数进行设置；待测光被光线收集器(1)收集，经光扩散元件(2)后，入射到透明平行板(3)，反射光被线阵光探测器(4)接收；电路板(6)中的信号处理器对线阵光探测器(4)探测的光信号预处理后，再通过高精度频率测量法计算出干涉图像频率；电路板(6)中的信号处理器根据波长与干涉图像频率之间的关系反演得到波长，并将测量到的波长结果显示于显示屏(8)。

2.根据权利要求1所述的基于光学干涉仪的多波长计，其特征在于，所述的光扩散元件(2)是一种光源空间扩展器件。

3.根据权利要求1或2所述的基于光学干涉仪的多波长计，其特征在于，所述的透明平行板(3)的厚度小于500微米。

4.根据权利要求1或2所述的基于光学干涉仪的多波长计，其特征在于，所述的待测光的轴向方向与透明平行板5的夹角大于透明平行板5的布鲁斯特角。

5.根据权利要求3所述的基于光学干涉仪的多波长计，其特征在于，所述的待测光的轴向方向与透明平行板5的夹角大于透明平行板5的布鲁斯特角。