全光纖干涉系統在測量激光光譜結構特征中的應用
摘要利用自制的全光纖干涉系統，對激光光譜結構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)驗證明。首次將全 光纖干涉系統應用于激光光譜的結構分析領(lǐng)域，可能會(huì )導致出現一種新的激光光譜測量?jì)x。 波長(cháng)和譜寬。設中心波長(cháng)為 ，功率下降為最大值1／10 

 引 言 時(shí)對應的偏離中心波長(cháng)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。 對激光光譜的結構特性分析，以前較多依賴(lài)于利 用透鏡、分束器等離散光學(xué)器件構造的干涉系統 。 隨著(zhù)光纖技術(shù)的發(fā)展，特別是光通信領(lǐng)域密集波分復 用技術(shù)(DwDM)的應用，客觀(guān)上對光譜結構特性的測 試技術(shù)提出了新的要求，壓力表| 壓力計| 真空表| 硬度計| 探傷儀| 電子稱(chēng)| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器|目前相關(guān)的器件研制和生產(chǎn) 過(guò)程中，對光譜測試的需求大大增加，測試精度要求更 高。因此希望能開(kāi)發(fā)出用于DWDM 系統中波長(cháng)測試 的光譜分析系統。 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進(jìn)行了實(shí)驗測試；通過(guò)干 涉曲線(xiàn)可反演出光譜的中心波長(cháng)和光譜寬度。整個(gè)測 試系統具有結構緊揍、簡(jiǎn)單，光譜測試參數反演方便的 特點(diǎn)，具有明顯的應用價(jià)值。

2 原理分析 在激光光譜的結構特性研究中，最主要的是中心 。 設光譜 ，對應的振幅為A，( ，)，光譜分布以中心 波長(cháng) 。對稱(chēng)分布， 與 。的差值△ 為： △ = ，一 。 根據對稱(chēng)分布特性： A( +△ )一A( 一△ ) 如果干涉系統形成的光程 差為△L，對應于 。的光譜 形成的相位弧度為： 2 該等式非常重要，因為在以 后的討論中可以看出，不同 波長(cháng)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 位差能夠準確反映在干涉信號中。與中心波長(cháng)相差△ 的光譜對應的相位弧度差△ 為：Aqo=Aqo 一2rrALAl 1 I = 2rrAL[一等] [一 AX] ㈩ 設8一 ／N(N 為整數)，AX。一i8 (i一0，±1， ±2，⋯ ，±N，⋯)，根據式(1)，可得： Aqo。一 【 ) (2) 在我們所利用的全光纖干涉系統中，干涉信號的 相位表現為余弦函數，即干涉信號I。(t)可表現為： I。(t)一A~cosEqo。(t)+△ (t)] (3) 考慮整個(gè)光譜范圍內的合成干涉信號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(cháng)的對稱(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 負整數轉變?yōu)閺?開(kāi)始的正整數取值，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i—o時(shí)， 為1／2，否則 為1。 由式(2)可以看出，Aqo。與中心波長(cháng)對應的相位(P。 和偏離中心波長(cháng)的級數i密切相關(guān)。當 取較小值時(shí)， 偏離中心波長(cháng)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(P。取較大值時(shí)，干涉信 號產(chǎn)生的初始相位差Aqo。造成條紋強度減弱的影響表 現為三角函數的變化關(guān)系COS,[△(Pi(t)]。所以，在寬光 譜光源作用下的干涉系統，在條紋數增加的情況下，信 號將出現衰變現象。衰變現象體現了光譜分布特性，利 用該特點(diǎn)，可實(shí)現光譜特性分析。在前面關(guān)于8的等式 中，N值的選取決定了系統的測量精度。 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(xiàn)和理論推導式(6)，可求出級數的最大值 M，同時(shí)，也可求出光譜幅度下降為A。／10時(shí)級數A． 的項數。 利用上面的理論分析，進(jìn)行模擬計算。假設干涉相 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 對應光譜的中心波長(cháng)。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(xiàn)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)， 結果如圖2所示。 400 名200 。 乏 摹-200 — — 一400 l 2 3 4 時(shí)間t／ms 圖2 模擬計算得到的干涉曲線(xiàn)圖

3 實(shí)驗測試結果 實(shí)驗中，利用了自行研制的全光纖干涉系統 。 該系統的特點(diǎn)是采用光纖耦合器實(shí)現了白光干涉原理。 由于干涉光束的對稱(chēng)性，決定了系統工作狀態(tài)穩定，具 有實(shí)用性。目前已開(kāi)發(fā)出了全光纖振動(dòng)測試系統等擁有 自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，并通過(guò)了專(zhuān)家的鑒定。實(shí)驗結構 如圖3所示。所采用的被測光源為四十四所生產(chǎn)的超輻 射發(fā)光管(SLD)穩定光源，其中心波長(cháng)為1308．2nm，光 譜譜寬為19．8nm，探測器為InGaAs光電二極管，處理 軟件為L(cháng)abVIEW ，系統為單模光纖，振動(dòng)源為低頻喇 叭，振動(dòng)頻率為200Hz。改變喇叭的驅動(dòng)電壓，使實(shí)驗中 得到的干涉條紋數為62個(gè)，與前面的模擬計算相吻合。 在此實(shí)驗條件下，得到干涉曲線(xiàn)如圖4所示。 臣藍 圖3 買(mǎi)驗框圖 從圖4可見(jiàn)，干涉條紋幅度隨著(zhù)條紋數的增加而 減小，其變化規律與理論模擬結果(如圖2所示)相同， 說(shuō)明前面理論推導的正確性。在干涉曲線(xiàn)的兩邊，由于 信號幅度太小，放大器的增益不夠，造成了實(shí)驗曲線(xiàn)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 論 實(shí)驗曲線(xiàn) 采用全光纖干涉系統，可以實(shí)現光譜的測量新方 法，為光譜測試儀的小型化、降低測試系統成本都具有 重要意義。此外，該法的測試數據處理方便，采用普通 的測試處理軟件就可完成；系統的所有器件均采用國 內廠(chǎng)家提供的產(chǎn)品。 此外，目前國際上全光纖干涉系統應用領(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 試領(lǐng)域應用較多，在光譜測試中的應用還較少，本研究 作為一種新的嘗試，也是有意義的。