一種光纖通信用高分辨率光柵光譜儀結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖通信光譜分析領(lǐng)域，涉及光學(xué)元件，系統(tǒng)，具體涉及一種高分辨率光柵光譜儀的單色器光路和波長(zhǎng)定位機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖通信光譜分析領(lǐng)域要求光譜儀具有光纖輸入，探測(cè)波長(zhǎng)覆蓋光纖通信頻段，波長(zhǎng)分辨率高等特點(diǎn)。同時(shí)在光纖通信逐漸普及的今天，還需要便攜可靠，成本適宜的光譜儀產(chǎn)品，所以對(duì)光譜儀的設(shè)計(jì)，特別是單色器光路設(shè)計(jì)和波長(zhǎng)精確定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。
[0003]目前國(guó)際上領(lǐng)先的光纖通信用光譜儀，多采用光束多次通過(guò)同一塊光柵的多通光路技術(shù)來(lái)提高波長(zhǎng)分辨率和降低成本，如美國(guó)專(zhuān)利:US 6636306B2, US 5233405的雙通光路，以及美國(guó)專(zhuān)利:US 6177992 BI，US 5886785的4通光路設(shè)計(jì)等。雙通光路在光纖通信波段所能達(dá)到的光譜分辨率為0.05nm級(jí)別，已經(jīng)不能適應(yīng)需求，而4通光路雖然分辨率可以達(dá)0.02nm級(jí)別，但是器件繁多，光路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，所以成本高企，不能適應(yīng)低成本化需求。
[0004]另外，傳統(tǒng)光譜儀波長(zhǎng)掃描機(jī)構(gòu)多為正弦機(jī)構(gòu)，或者凸輪機(jī)構(gòu)，這些掃描機(jī)構(gòu)機(jī)械器件復(fù)雜，安裝困難，而且掃描速度緩慢，可靠性低。某國(guó)外企業(yè)開(kāi)發(fā)的電機(jī)與旋轉(zhuǎn)編碼器組成直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，雖然可以克服上述缺點(diǎn)，但是為達(dá)到所標(biāo)稱(chēng)的波長(zhǎng)精度，波長(zhǎng)定標(biāo)所用的旋轉(zhuǎn)編碼器必須選用高輸出數(shù)的正弦編碼器，還需掌握正弦信號(hào)超高細(xì)分算法或電路設(shè)計(jì)，例如該企業(yè)就采用的1024線(xiàn)/轉(zhuǎn)正弦編碼器和1024細(xì)分每線(xiàn)的細(xì)分技術(shù)，這些技術(shù)掌握在少數(shù)國(guó)際大公司手中，國(guó)內(nèi)掌握極少，而且成本非常高昂，阻礙了高分辨率光譜的發(fā)展與普及。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是:研制光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的4通高分辨率光譜儀單色器光路，以及快速精確可靠的波長(zhǎng)掃描定位機(jī)構(gòu)，同時(shí)要滿(mǎn)足低成本化，易于生產(chǎn)的要求。
[0006]本發(fā)明技術(shù)方案
[0007]本發(fā)明包括:光纖陣列(I)，準(zhǔn)直透鏡(2)，光柵(3)，直角棱鏡(4)，棱鏡支架(5)，電動(dòng)機(jī)￠)，光柵標(biāo)尺(7)，光柵尺讀數(shù)頭(8)和平面反射鏡(9);
[0008]所述光纖陣列(I)為單模光纖陣列，光纖陣列(I)的兩個(gè)光纖端面分別作為光譜儀的出射與入射狹縫，要求這兩個(gè)光纖端面位于準(zhǔn)直透鏡(2)的焦平面上，兩個(gè)光纖端面中心連線(xiàn)的中點(diǎn)位于準(zhǔn)直透鏡(2)的焦點(diǎn)，如附圖3所示；
[0009]所述準(zhǔn)直透鏡⑵將光纖陣列⑴的出射狹縫出射的發(fā)散光準(zhǔn)直為平行光，并將經(jīng)過(guò)4次衍射返回的單色平行光聚焦到入射狹縫上；
[0010]所述光柵(3)用于衍射分光，光柵表面法線(xiàn)與經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(2)準(zhǔn)直的平行光呈70-80°夾角，稱(chēng)為光柵入射角，不同波長(zhǎng)衍射光的衍射角不同，實(shí)現(xiàn)分光功能；
[0011]所述直角棱鏡(4)用于反射平行光束，實(shí)現(xiàn)多次衍射。光柵(3)第一次衍射光中垂直于直角棱鏡(4)表面入射的平行光的波長(zhǎng)是被掃描到的波長(zhǎng)，在直角棱鏡(4)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，所有波長(zhǎng)的光依次垂直入射到直角棱鏡(4)表面，實(shí)現(xiàn)光譜儀的波長(zhǎng)掃描功能；
[0012]所述棱鏡支架(5)是直角棱鏡(4)和光柵標(biāo)尺(7)的安裝機(jī)構(gòu)，直角棱鏡(4)固定在棱鏡支架(5) —端，光柵標(biāo)尺(7)粘到棱鏡支架(5)另一圓弧形端面上；
[0013]所述電動(dòng)機(jī)￠)的轉(zhuǎn)軸與棱鏡支架固定連接，作用是旋轉(zhuǎn)棱鏡支架(5)，使直角棱鏡(4)旋轉(zhuǎn)起來(lái)掃描光譜。棱鏡支架(5)的旋轉(zhuǎn)中心為電動(dòng)機(jī)￠)的轉(zhuǎn)軸中心，也是棱鏡支架(5)的圓弧形端面的圓心。
[0014]所述光柵尺讀數(shù)頭(8)固定在棱鏡支架(5)的圓弧形端面旋轉(zhuǎn)圓周外，距圓周0.5-lmm，光柵標(biāo)尺(7)粘在棱鏡支架(5)圓弧形端面上，當(dāng)棱鏡支架(5)旋轉(zhuǎn)，使光柵標(biāo)尺
(7)接近光柵尺讀數(shù)頭(8)的探測(cè)面，產(chǎn)生切向位移時(shí)，光柵尺讀數(shù)頭(8)產(chǎn)生脈沖，該脈沖與直角棱鏡(4)的旋轉(zhuǎn)角度增量嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，用于波長(zhǎng)的標(biāo)定。
[0015]如圖4所示，直角棱鏡(4)在設(shè)計(jì)波長(zhǎng)范圍內(nèi)選光時(shí)，光柵讀數(shù)頭⑶的探測(cè)面都要與光柵標(biāo)尺(7)產(chǎn)生切向位移，這樣波長(zhǎng)掃描時(shí)均有波長(zhǎng)定位脈沖產(chǎn)生。當(dāng)直角棱鏡(4)旋轉(zhuǎn)出光柵(3)的波長(zhǎng)衍射區(qū)域時(shí)，光柵讀數(shù)頭(8)不需要能夠探測(cè)到光柵標(biāo)尺(7)。
[0016]所述平面反射鏡(9)將2次衍射后的平行光反射回去，實(shí)現(xiàn)第3和第4次衍射。前文所述光纖陣列(I)的兩個(gè)光纖端面位于準(zhǔn)直透鏡(2)焦點(diǎn)兩側(cè)且連線(xiàn)中心為焦點(diǎn)，根據(jù)幾何光學(xué)原理，光纖陣列(I)的出射狹縫經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡(2)和平面反射鏡(9)組成的光學(xué)系統(tǒng)，必然成像于光纖陣列(I)的入射狹縫，如附圖3所示。即使在準(zhǔn)直透鏡(2)和平面反射鏡(9)之間加入光柵(3)和直角棱鏡(4)進(jìn)行了分光和光束平移、反射，也不會(huì)影響該成像過(guò)程，這也就是平面反射鏡(9)能夠?qū)⒐馐瓷浠厝肷洫M縫的原理。
[0017]高分辨率光柵光譜儀，工作過(guò)程包括以下幾步:
[0018]第I步:待測(cè)光信號(hào)接入光纖陣列⑴的出射光纖，從出射光纖端面，即出射狹縫出射到準(zhǔn)直透鏡(2)，準(zhǔn)直透鏡(2)將待測(cè)光信號(hào)準(zhǔn)直為平行入射光傾斜照射到光柵(3)上，形成第I次光柵衍射分光；
[0019]第2步:第I次衍射后，不同波長(zhǎng)光以不同衍射角衍射，形成單色平行光，當(dāng)某一波長(zhǎng)光垂直照射到直角棱鏡⑷時(shí)，被直角棱鏡⑷向上平移并反射回光柵(3)，形成第2次衍射，如圖2所示。該波長(zhǎng)第2次衍射的入射角等于第I次衍射的衍射角，因此第2次衍射的衍射角等于第I次衍射的入射角；
[0020]第3步:經(jīng)過(guò)第2次衍射的平行光照射到平面反射鏡(9)上，平面反射鏡(9)將入射光再反射回光柵上，形成第3次衍射，這次衍射的入射角和衍射角與第I次衍射完全相同；
[0021]第4步:經(jīng)過(guò)第3次衍射的平行光再次垂直照射到直角棱鏡(4)上，被直角棱鏡
(4)向下平移并再次反射回光柵(3)，形成第4次衍射，這次衍射的入射角等于第一次衍射的衍射角，因此衍射角等于第一次衍射的入射角，而且經(jīng)過(guò)這次平移，平行光又回到了準(zhǔn)直透鏡(2)所在平面，所以這次衍射的平行光將射向準(zhǔn)直透鏡(2);
[0022]第5步:經(jīng)過(guò)4次衍射的平行光照射到準(zhǔn)直透鏡(2)上，被準(zhǔn)直透鏡(2)聚焦到入射光纖陣列(I)的入射狹縫上，即完成單色器工作過(guò)程。
[0023]第6步:第2步提到垂直照射到直角棱鏡(4)的那一個(gè)波長(zhǎng)的平行光才會(huì)重新聚焦到入射狹縫上，非垂直的光束不能進(jìn)入入射狹縫。所以當(dāng)電動(dòng)機(jī)￠)帶動(dòng)棱鏡支架(5)旋轉(zhuǎn)時(shí)，與直角棱鏡(4)垂直的波長(zhǎng)不斷變化，單色器選出的單色光也發(fā)生變化，這就完成光譜儀的波長(zhǎng)掃描過(guò)程；
[0024]第7步:直角棱鏡(4)旋轉(zhuǎn)選光時(shí)，光柵尺讀數(shù)頭(8)的探測(cè)面與光柵標(biāo)尺(7)有切向相對(duì)位移，每位移一個(gè)微小距離，即棱鏡支架(5)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)微小角度，光柵尺讀數(shù)頭
(8)產(chǎn)生一個(gè)電脈沖。該脈沖與直角棱鏡(4)轉(zhuǎn)過(guò)的角度增量嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，可用于對(duì)波長(zhǎng)的精確標(biāo)定。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0026]1.采用單模光纖陣列作為出射與入射狹縫；采用一個(gè)準(zhǔn)直透鏡作為光束準(zhǔn)直與聚焦元件；采用平面鏡作為高次衍射的反射元件；采用直角棱鏡作為掃描與反射元件。在滿(mǎn)足高分辨率指標(biāo)的同時(shí)，器件功能復(fù)用率高，光路整體集成度高，成熟可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；
[0027]2.使用平面反射鏡和直角棱鏡組合實(shí)現(xiàn)4次衍射和波長(zhǎng)掃描，是本發(fā)明的重要特占.V，
[0028]3.棱鏡支架，電動(dòng)機(jī)，開(kāi)放式光柵標(biāo)尺及其讀數(shù)頭組成的波長(zhǎng)掃描定標(biāo)系統(tǒng)，是本發(fā)明的重要特點(diǎn)。使用市售一般性能光柵尺產(chǎn)品就可以滿(mǎn)足波長(zhǎng)定標(biāo)要求，規(guī)避了昂貴的編碼器產(chǎn)品和復(fù)雜的細(xì)分技術(shù)。另外，該設(shè)計(jì)可使光柵標(biāo)尺長(zhǎng)度較短，也減低了成本。
[0029]總體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明達(dá)到了高分辨率光譜儀對(duì)光譜分辨率和高精度波長(zhǎng)定標(biāo)的要求，且器件少，復(fù)用性高，易于安裝調(diào)試，成本低，特別適用于規(guī)模化生產(chǎn)的小型光纖通信用光譜儀，這對(duì)于光譜儀的普及和光纖通信事業(yè)的發(fā)展都具有積極的意義。
【附圖說(shuō)明】
:
[0030]圖1是光纖通信用高分辨率光柵光譜儀光路結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0031]圖2是光纖通信用高分辨率光柵光譜儀光路結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0032]圖3是光纖陣列出射與入射光路示意圖。
[0033]圖4是光柵尺讀數(shù)頭與光柵標(biāo)尺相對(duì)位移示意圖。
[0034]圖5 ZEMAX出射狹縫面點(diǎn)列圖。
[0035]圖6是單色器光路實(shí)測(cè)取樣光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供的光纖通信用高分辨率光柵光譜儀結(jié)構(gòu)，包括:光纖陣列(I)，準(zhǔn)直透鏡(2)，光柵(3)，直角棱鏡(4)，棱鏡支架(5)，電動(dòng)機(jī)(6)，光柵標(biāo)尺(7)，光柵尺讀數(shù)頭(8)和平面