一种激光器波长识别系统及方法

技术领域

本发明属于激光测量技术领域，尤其涉及一种激光器波长识别系统及方法。

背景技术

某些激光器如可调谐和半导体激光器在使用时事先不能确定其输出波长,这是由于可调谐激光器可以利用其调谐机构在很宽的波长范围内调节其输出光的波长，而半导体激光器则在改变其工作参数时输出光的波长会发生变化，这些激光器在使用时大多必须精确知道它们的输出波长，而大多数的激光器在维修以后有时也必须对其输出波长进行重新标定。因此激光波长是激光器性能刚试的一项重要参数。这项参数已越来越引起人们的重视。

可调谐激光器虽然本身拥有专用的调谐机构，可以根据它来确定输出波长，通常它是根据定标曲线插值决定的，但由于定标曲线的非线性和反复使用，因此一般它只能提供输出波长的信息，而不能作出实时精确的指示。

激光器的波长标定，无论是脉冲的或是连续的，可以采用各种不同的方法，研制成功许多波长计。激光波长测量，虽然有许多方法，但是最后证明干涉方法是最实用、最精确和最可行的波长测试技术。这类波长计的测量原理主要基于未知波长激光与已知波长激光干涉图的精密比较。这种测试方法的实现可以在波长计内部配置特定的已知波长的激光器，当然也可以利用标准激光器在出厂前预先对波长计进行定标。

利用干涉方法测量激光波长，可以采用不同型式的干涉仪。目前常用的干涉仪型式有：迈克尔逊型、斐索标准具和法布里—泊罗标准具等几种。这几种干涉仪特点及缺陷如下：

1)科研级仪表，精度高，一般绝对精度到±0.0001nm，显示分辨率0.0001nm,灵敏度小于20uw；

2)仪表的体积较大，不适工程便携特性；

3)价格昂贵；

4)内部需要标准光源；

5)复杂的光学系统；

6)受外界影响较大(如空气的折射率与波长、温度、气压和湿度有关)。

因此，在激光测量技术领域中，对于激光器波长识别系统及方法仍存在研究和改进的需求，这也是目前激光测量技术领域中的一个研究热点和重点，更是本发明得以完成的出发点。

发明内容

为此，本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种激光器波长识别系统，成本较低，无需复杂的光学系统及精确光源，受外界影响较小，可以做成体积较小的仪表，用于工程使用，方便携带。

作为同一种技术构思，本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种激光器波长识别方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种激光器波长识别系统，用于对待测激光器的出射激光进行波长测量，包括光开关、滤波片、光电探测器Ⅰ、光电探测器Ⅱ、探测器Ⅰ处理电路、探测器Ⅱ处理电路以及数据处理控制装置；

所述光开关用于将所述待测激光器的出射激光分别送到所述光电探测器Ⅰ和所述滤波片；

所述滤波片用于衰减所述出射激光，所述滤波片是其透射率与所述出射激光波长具有近线性关系的滤波片；

所述光电探测器Ⅰ和所述光电探测器Ⅱ分别用于采集未衰减的所述出射激光的光强信号Ⅰ和衰减后的所述出射激光的光强信号Ⅱ，并分别将采集到的光强信号Ⅰ和光强信号Ⅱ转换为电流信号Ⅰ和电流信号Ⅱ；

所述探测器Ⅰ处理电路和所述探测器Ⅱ处理电路分别将所述电流信号Ⅰ和所述电流信号Ⅱ转换为电压信号Ⅰ和电压信号Ⅱ，并将所述电压信号Ⅰ和所述电压信号Ⅱ采集至所述据处理控制装置；

所述数据处理控制装置控制所述光开关，使所述光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ轮流接收所述光强信号Ⅰ和所述光强信号Ⅱ；

所述数据处理控制装置用于处理采集的所述电压信号Ⅰ和所述电压信号Ⅱ的数据，计算相应的透射率，并根据预存的透射率与波长的线性关系，计算出相应的波长。

作为一种改进，所述光开关是1*2的单模光开关。

作为一种改进，所述滤波片的透射率与所述出射激光的1100nm～1700nm波长具有近线性关系。

作为一种改进，所述光电探测器Ⅰ与所述光电探测器Ⅱ使用相同的光电探测器。

作为进一步的改进，所述光电探测器Ⅰ与所述光电探测器Ⅱ采用Ge或InGaAs光电探测器。

作为一种改进，所述光开关、所述滤波片、所述光电探测器Ⅰ和所述光电探测器Ⅱ可以任意组合到一个器件中，也可分散组合。

为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：一种激光器波长识别方法，采用上述激光器波长识别系统，包括如下步骤：

(1)通过光开关，光电探测器Ⅰ接收未衰减出射激光，数据处理控制装置计算本次接收的光功率；

(2)所述光开关将所述出射激光经过滤波片转换到光电探测器Ⅱ，所述数据处理控制装置计算接收的光功率；

(3)通过计算所述光电探测器Ⅱ的光功率和所述光电探测器Ⅰ的光功率，来确定光通过所述滤波片后的衰减率；

(4)通过所述衰减率，计算出所述出射激光的波长。

作为一种改进，在步骤(1)之前，还包括对所述激光器波长识别系统进行校准步骤，采用不少于两个已知波长的稳定光源对设备进行校准，计算所述滤波片的透射率，得出透射率与波长的线性关系，并预存至所述数据处理控制装置。

作为一种改进，所述滤波片的透射率T计算公式：

其中，P

I

I

V

V

R0

R1

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

本发明提供的激光器波长识别系统及方法，利用出射激光透过滤波片，不同波长的出射激光的衰减特性不同来识别波长，与传统的激光波长检测手段相比，成本较低，利于推广使用；无需复杂的光学系统，内部无需标准光源，实现相对简单；受外界影响较小；可以做成体积较小的仪表，用于工程使用，方便携带。

由于在校准时，采用不少于两个已知波长的稳定光源对设备进行校准，计算所述滤波片的透射率，得出透射率与波长的线性关系，因而校准相对简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

图1是本发明实施例提供的激光器波长识别系统的结构框图；

图2是本发明实施例中滤波片的透射率与出射激光波长的关系图；

图3是本发明实施例中探测器Ⅰ处理电路和探测器Ⅱ处理电路的电路图；

图中：1、光开关；2、滤波片；3、光电探测器Ⅰ；4、光电探测器Ⅱ；5、探测器Ⅰ处理电路；6、探测器Ⅱ处理电路；7、数据处理控制装置；8、待测激光器。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本说明书中所引用的如“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，一种激光器波长识别系统，用于对待测激光器8的出射激光进行波长测量，包括光开关1、滤波片2、光电探测器Ⅰ3、光电探测器Ⅱ4、探测器Ⅰ处理电路5、探测器Ⅱ处理电路6以及数据处理控制装置7。

光开关1用于将待测激光器8的出射激光分别送到光电探测器Ⅰ3和滤波片2，优选地，光开关1是1*2的单模光开关，这样可以保证到达光电探测器Ⅰ3的功率和到达滤波片2的功率相同。

滤波片2用于衰减出射激光，滤波片2是其透射率与出射激光波长具有近线性关系的滤波片，通过滤波片2的出射激光衰减后被光电探测器Ⅱ4收集。具体地，如图2所示，滤波片2的透射率与出射激光的1100nm～1700nm波长具有近线性关系。

光电探测器Ⅰ3和光电探测器Ⅱ4分别用于采集未衰减的出射激光的光强信号Ⅰ和衰减后的出射激光的光强信号Ⅱ，并分别将采集到的光强信号Ⅰ和光强信号Ⅱ转换为电流信号Ⅰ和电流信号Ⅱ。优选地，光电探测器Ⅰ3与光电探测器Ⅱ4采用Ge或InGaAs光电探测器。光电探测器Ⅰ3与光电探测器Ⅱ4必须使用相同的光电探测器，即：光电探测器Ⅰ3与光电探测器Ⅱ4必须采用统一材质的器件，统一光敏面的器件，器件在同一封装中，从而减小因为温度变化造成的不一致。

探测器Ⅰ处理电路5和探测器Ⅱ处理电路6分别将电流信号Ⅰ和电流信号Ⅱ转换为电压信号Ⅰ和电压信号Ⅱ。所述探测器Ⅰ处理电路5和探测器Ⅱ处理电路6包括运算放大器、开关及模数转换电路：运算放大器采用宽带运放，开关采用低阻值的开关，为保证采样的精度，模数转换电路采用AD转换器。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，探测器Ⅰ处理电路5和探测器Ⅱ处理电路6的电路图，如图3所示，U1是运算放大器，U2是电压参考二极管，U3是模拟开关，U4是12位数模转换器。其工作过程如下：光电探测器Ⅰ3或光电探测器Ⅱ4接收光后产生光电流；通过U1、U3转换为合适电压；输出合适电压的调整是通过U3的模拟开关的挡位转换实现的。无光时，电阻R16参与计算，计算出暗电流(暗电流是光电探测器特性，无法去除)；有光时，数据处理控制装置7会根据采集的电压值调整U3模拟开关使用不同电阻，保证U1的电压输出到合适的范围。U4是将电压采集到数据处理控制装置7。

数据处理控制装置7控制光开关1，使光电探测器Ⅰ3和光电探测器Ⅱ4轮流接收光强信号Ⅰ和所述光强信号Ⅱ。

数据处理控制装置7用于处理采集的电压信号Ⅰ和电压信号Ⅱ的数据，计算相应的透射率，并根据预存的透射率与波长的线性关系，计算出相应的波长。优选地，数据处理控制装置7采用中央处理器。

上述光开关1、滤波片2、光电探测器Ⅰ3和光电探测器Ⅱ4可以任意组合到一个器件中，也可分散组合。

本发明实施例还公开了一种激光器波长识别方法，采用上述激光器波长识别系统，包括如下步骤：

(1)通过光开关1，光电探测器Ⅰ3接收未衰减出射激光，数据处理控制装置7计算本次接收的光功率；

(2)光开关1将出射激光经过滤波片2转换到光电探测器Ⅱ4，数据处理控制装置7计算接收的光功率；

(3)通过计算光电探测器Ⅱ4的光功率和光电探测器Ⅰ3的光功率，来确定光通过滤波片2后的衰减率；

(4)通过衰减率，计算出出射激光的波长。

在步骤(1)之前，还包括对激光器波长识别系统进行校准步骤，采用不少于两个已知波长的稳定光源对设备进行校准，计算滤波片2的透射率，得出透射率与波长的线性关系，并预存至数据处理控制装置7。

在使用时，根据图1完成硬件组装后，对设备进行校准：设备校准完成后即可测试。在校准时，对已知波长光源要求：波长间隔300nm，波长需精确的0.01nm；功率稳定度0.001dB(短稳)。如需更加精确的波长测试，可以使用多个光源进行校准(波长间隔尽量请均分)，也得到滤波片2更加准确的线性关系。

下面描述激光器波长识别方法的具体原理：

光电探测器在无光的条件下会产生暗电流，记I

通过探测器Ⅰ处理电路5和探测器Ⅱ处理电路6，采集电压值，通过数据处理控制系统7计算光电流。

暗电流计算：I

接收光电流计算：I＝V/R0；

光实际产生的电流：I

光电探测器Ⅰ接收的功率值：

经过滤波片，光电探测器Ⅱ接收的功率值：

由于光电探测器Ⅰ3和光电探测器Ⅱ4可以使用相同材质、光敏面相同大小的光电探测器，因此，两者的响应度的差异可以忽略不计，可以

因此，上述滤波片2的透射率T计算公式：

其中，P

I

I

V

V

R0

R1

需要说明的是，R0

这样，通过获得待测激光器8的出射激光通过滤波片2的透射率的值，可以计算出该出射激光的波长。

本发明实施例提供的激光器波长识别系统及方法，利用出射激光透过滤波片，不同波长的出射激光的衰减特性不同来识别波长，与传统的激光波长检测手段相比，成本较低，利于推广使用；无需复杂的光学系统，内部无需标准光源，实现相对简单；校准相对简单；受外界影响较小；可以做成体积较小的仪表，用于工程使用，方便携带。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。