基于全光纤声光可调带通滤波器的快速扫描光纤光谱仪

技术领域

本发明属于滤波及光谱检测技术领域，具体涉及一种基于全光纤声光可调带通滤波器的快速扫描光纤光谱仪。

背景技术

现有的光学滤波器一旦制造完成，其滤波特性便已固定，即滤波范围已经固定，无法改变。以光纤布拉格光栅滤波器为例，其原理是利用激光器在光纤上刻制出光栅，光信号经过光栅时发生干涉和衍射，从而实现滤波，但是其滤波范围只能覆盖很小一部分(甚至只能对一个波长的光信号进行滤波)，若想改变其滤波范围，只能另行生产，成本较高。可见，现有光学滤波器的滤波范围较窄且滤波范围不可调。

另外，光谱仪在很多领域都得到了广泛应用。例如在食品领域，对于不同的待测分子，使用同一检测光谱检测，输出光的光谱偏振量不同，因此可以根据输出光的拉曼光谱信息来检测食品中不同类型添加剂的相对含量。在环境检测领域，相比于传统的化学检测，光谱仪能以非接触的方式进行检测，能够检测出性质较为活泼的污染物，具有检测范围广、检测速度快的特点。在工业领域，机械设备在运行过程中会出现不同程度的磨损，因此根据机械设备中润滑油的磨损颗粒的含量分析设备的磨损程度。在化工行业，可以用光谱仪检测催化剂的含量是否影响最终产物的纯度。在天文学领域，光谱仪可以搭载在巡天空间望远镜上，用于巡天观测，可以通过检测脉冲爆发中特定元素的吸收谱线或者发射谱线完成脉冲爆发的快速观测。

现有的光谱仪通常包括依次相连的光信号接收系统、光纤、空间光学系统、光谱数据采集预处理系统和显示器，如图1所示，信号接收系统用来接收光信号，接收到的光信号通过光纤被传输给空间光学系统，空间光学系统将处理好的光信号传输给CCD光电探测器，CCD将光信号转换为电信号并将电信号传输到光谱数据采集预处理系统，光谱数据采集预处理系统通过显示器将光谱分析结果进行显示。其中，空间光学系统是整个光谱仪的核心器件，如图2所示，空间光学系统通常包括准直器件(如准直镜)、色散器件(如光栅)和成像器件(如聚焦镜)，光信号通过光纤入射至空间光学系统中的准直器件，该准直器件将入射光转换成平行光束入射至色散器件，色散器件基于其干涉或衍射作用，将接收到的每束复合光束均分解成多束单色光，并将在空间上色散开的对应波长的单色光投射至成像器件上，成像器件将投射至其上的各个波长的单色光按波长顺序会聚于其焦平面上，在成像器件对应焦平面处放置CCD，如此CCD便可获得空间光学系统提供的光信号。

光谱仪通常对滤波范围宽度要求特别高，包括上述空间光学系统的光谱仪是一种基于空间色散原理的仪器，需要通过旋转光栅扫描整个频谱，测量速度慢，且为了保证滤波范围宽度，在实际应用中需要以光谱仪阵列的形式出现，但是光谱仪阵列意味着上述的光谱仪系统需要按照同样的方法制作很多个，无疑导致光谱检测的成本提高。可见，由于现有光学滤波器滤波范围较窄且滤波范围不可调，因此将现有光学滤波器应用到光谱仪中无法满足其较宽滤波范围的需求，而将上述空间光学系统应用到光谱仪中又存在扫描速度慢且成本较高的问题。特别是在对扫描速度要求极高的天文现象观测领域，在将目前光谱仪用于观测脉冲星、星系等脉冲爆发时，无法快速捕获到有效信息，容易导致脉冲爆发的信息丢失。

发明内容

本发明提供一种基于全光纤声光可调带通滤波器的快速扫描光纤光谱仪，以解决目前光谱仪扫描速度较慢且成本较高的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于全光纤声光可调带通滤波器的快速扫描光纤光谱仪，包括依次连接的全光纤声光可调带通滤波器、光电探测器、数据采集卡和显示器，所述全光纤声光可调带通滤波器包括起偏器、检偏器以及位于起偏器与检偏器之间的声光可调带阻滤波器，该检偏器的输出端连接该光电探测器，所述带阻滤波器包括光纤和声波发生装置，所述光纤用于传输光信号，所述声波发生装置将振动信号施加到该光纤上，以产生沿该光纤轴向传播的声波，所述声波在传播过程中该光纤上对应光纤段发生周期性微弯，使光纤折射率发生周期性调制，形成光纤光栅，光栅的干涉和衍射使所述带阻滤波器将对应波长光谱成分滤除，实现了带阻滤波；

所述起偏器和检偏器的偏振角正交，且分别与所述带阻滤波器中该光纤的两端连接，以使所述全光纤声光可调带通滤波将所述带阻滤波器可滤除的对应波长光谱成分输出，实现带通滤波；通过改变声波频率来对其带通滤波波长进行调节，以使其带通滤波波长范围内各个波长的光谱成分均可依次通过，输出给该光电探测器；所述光电探测器将接收到的光谱成分转换为电信号；所述数据采集卡对所述电信号进行采集，并将采集到的光谱通过该显示器进行显示。

在一种可选的实现方式中，对于所述带阻滤波器，所述声波在传播过程中，所述光纤段上的周期性微弯使得所述光纤段上的折射率发生周期性改变，形成光纤光栅，所述光信号通过该光纤光栅时发生干涉和衍射，从而使所述光信号中对应波长光谱成分从基模耦合至包层模，被包层吸收或者从包层泄露出去，进而将该对应波长的光谱成分滤除，实现带阻滤波；带通滤波波长即为带阻滤波波长；所述带通滤波波长与声波频率之间的关系与所述基模和包层模的有效折射率有关。

在另一种可选的实现方式中，所述带通滤波波长λ与声波频率f之间的关系为：

其中，n

在另一种可选的实现方式中，所述基模包括多个基模分模，所述包层模包括多个包层模分模，各个基模分模和包层模分模的有效折射率均因输入光谱成分波长的不同而不同；

向该光纤依次输入带通滤波波长范围内不同波长的各个光谱成分，获得输入每个光谱成分时，各个基模分模和各个包层模分模的有效折射率，输入的光谱成分波长为带通滤波波长，由此获得与每个带通滤波波长对应的各个基模分模和各个包层模分模的有效折射率。

在另一种可选的实现方式中，将待通过光谱成分的波长作为带通滤波波长，确定与该带通滤波波长对应的各个包层模分模的有效折射率，从确定的各个包层模分模的有效折射率中选择最大的有效折射率作为n

在另一种可选的实现方式中，所述基模包括两个基模分模：x方向的

当任意一个带通滤波波长对应频率的声波在光纤中传播时，所述带阻滤波器中该带通滤波波长的光谱成分的耦合特性为：所述

在另一种可选的实现方式中，所述带阻滤波器中对应带通滤波波长的光谱成分的耦合特性具体为：所述

在另一种可选的实现方式中，所述声波发生装置包括压电陶瓷片和聚能器，当将射频信号加载至所述压电陶瓷片上时，所述压电陶瓷片发生垂直于该光纤轴向的振动，所述振动的振幅被该聚能器放大后，被施加到所述光纤上，产生沿该光纤轴向传播的声波。

在另一种可选的实现方式中，所述声波发生装置还包括衬底，所述压电陶瓷片面向该光纤的一侧与所述聚能器固定连接，另一相对侧面与所述衬底固定连接；

所述衬底的声阻抗大于该压电陶瓷片的声阻抗，以使该压电陶瓷片垂直于该光纤，对着该光纤单向振动。

在另一种可选的实现方式中，所述快速扫描光纤光谱仪用于巡天望远镜中，所述巡天望远镜根据所述快速扫描光纤光谱仪中显示器显示的光谱成，确定在脉冲爆发过程中预计产生的光信号中减少的光谱成分；

为了观测到脉冲爆发中产生的吸收谱线或发射谱线，首先将脉冲爆发时可能产生的所有光谱成分的波长范围作为该全光纤声光可调带通滤波器的带通滤波波长范围，然后该全光纤声光可调带通滤波器对其带通滤波波长进行依次调节，以使其带通滤波波长范围内各个波长的光谱成分均可依次通过，当带通滤波波长调节完成后，将所述显示器上显示的所有光谱成分的波长与带通滤波波长范围进行比较，确定哪些波长的光谱成分已不存在，哪些波长的光谱成分还存在，由此观测到脉冲爆发中产生的吸收谱线或发射谱线。

本发明的有益效果是：

1、本发明光谱仪利用在不同波长的光谱成分传输给光电探测器时，并不是依赖于空间光学系统，而是利用全光纤声光可调带通滤波器，相比于空间光学系统，声光可调带通滤波器不必通过旋转色散器件来扫描整个频谱，其调谐性可以使光谱仪快速完成对应波段的扫描，这一快速扫描特性使得本发明光谱仪尤其可用于天文学现象观测；本发明在实现对应波段扫描时，不必设置多个光谱仪阵列，且声光可调带通滤波器中光纤与声波发生装置的成本较低，因此本发明光谱仪的成本较低；此外，由于声光可调带通滤波器可以保证输入的各个波长的光谱成分完全通过，因此本发明光谱仪的光谱带宽较窄，扫描分辨率较高，可以实现对应波段的精确扫描；传统光谱仪是利用空间光学系统中色散器件的干涉和衍射作用，完成光谱分离，在该空间光学系统中光纤只作为导光的介质使用，本发明摆脱了传统的光谱分离模式，基于声光效应，利用全光纤的带通滤波器对光谱进行分离，充分利用了光纤积小，重量轻、低传输损耗、传输频带宽、传输容量大、抗辐射等诸多特点；

本发明将声波沿光纤轴向传播，使光纤上对应光纤段发生周期性微弯，在光纤上传输的光信号经过该光纤段后对应波长光谱成分会被滤除，由此实现了带阻滤波，并且通过改变声波的频率，就可以对带阻滤波波长进行调节，可见本发明带阻滤波器的滤波范围可调且较宽；本发明使带阻滤波器中光纤的两端分别与起偏器和检偏器连接，并使起偏器和检偏器的偏振角正交，如此由起偏器、带阻滤波器和检偏器组成的全光纤声光可调带通滤波器可以将该带阻滤波器可滤除的对应波长光谱成分输出，即在带阻滤波器两侧分别设置偏振角正交的起偏器和检偏器后，可以将带阻滤波转换为带通滤波，且带阻滤波波长即为带通滤波波长，可见本发明可以实现带通滤波，带通滤波范围可调且较宽；

2、本发明在根据公式

3、本发明使带阻滤波器中待滤除光谱成分的耦合特性为：

4、本发明声波发生装置通过利用聚能器对压电陶瓷片产生的振动进行放大，再将放大后的振动施加到光纤，由此可以产生沿光纤轴向传播的振幅更大的声波，以较小的能耗实现较好的耦合效果；

5、本发明声波发生装置增设衬底并对衬底的特性进行设计，可以保证压电陶瓷片上发生的振动无障碍单向辐射，以保证超声波能最大限度地从聚能器向光纤辐射，从而调高超声聚能器的前向发射效率；

6、本发明光谱仪应用于巡天望远镜中时，可以观测到脉冲爆发中产生的吸收谱线或发射谱线。

附图说明

图1是现有光纤光谱仪的结构示意图；

图2是现有光纤光谱仪中空间光学系统的结构示意图；

图3是本发明基于全光纤声光可调带通滤波器的快速扫描光纤光谱仪的一个实施例结构示意图；

图4是本发明全光纤声光可调带通滤波器的结构示意图；

图5是本发明带通滤波波形图；

图6是本发明带阻滤波器中光纤基模与包层模之间的耦合特性表；

图7是本发明带阻和带通特性波形对比图；

图8是本发明全光纤声光可调带通滤波器、光电探测器和数据采集卡完成同步的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图3，为本发明基于全光纤声光可调带通滤波器的快速扫描光纤光谱仪的一个实施例结构示意图。结合图4所示，该基于全光纤声光可调带通滤波器的快速扫描光纤光谱仪可以包括依次连接的全光纤声光可调带通滤波器、光电探测器、数据采集卡和显示器，所述全光纤声光可调带通滤波器可以包括起偏器2、检偏器3以及位于该偏器2与检偏器3之间的声光可调带阻滤波器1，该检偏器3的输出端连接该光电探测器，所述带阻滤波器包括光纤11和声波发生装置12，所述光纤11用于传输光信号，所述声波发生装置12将振动信号施加到该光纤11上，以产生沿该光纤11轴向传播的声波(声弯曲波)，所述声波在传播过程中该光纤11上对应光纤段发生周期性微弯，从而使所述带阻滤波器1将对应波长光谱成分滤除，实现了带阻滤波；所述起偏器2和检偏器3的偏振角正交，且分别与所述带阻滤波器1中该光纤11的两端连接，以使所述全光纤声光可调带通滤波将所述带阻滤波器1可滤除的对应波长光谱成分输出，实现带通滤波；通过改变声波频率来对其带通滤波波长进行调节，以使其带通滤波波长范围内各个波长的光谱成分均可依次通过，输出给该光电探测器；所述光电探测器将接收到的光谱成分转换为电信号；所述数据采集卡对所述电信号进行采集，并将采集到的光谱通过该显示器进行显示。带通滤波通带波长即为带阻滤波阻带波长。

本实施例中，对于所述带阻滤波器1，所述声波在传播过程中，所述光纤段上的周期性微弯使得所述光纤段上的折射率发生周期性变化，从而使该光纤段成为光纤光栅，光信号经过该光纤光栅时发生干涉和衍射，该干涉和衍射效应使光信号中对应波长光谱成分从基模耦合至包层模，被包层吸收或者从包层泄露出去，进而将该对应波长的光谱成分滤除，实现带阻滤波。

在光谱仪应用过程中，通常将原始光入射至待测物，待测物将对应检测光传输给光谱仪，由光谱仪对该检测光的光谱进行显示，对光谱仪显示的光谱变化进行分析，就可以分析出对应检测结果，其中光谱变化可以是光谱成分中光谱偏移量等特性的变化。另外，光谱变化也可能是光谱成分的减少，例如，在天文学领域，利用巡天望远镜观测脉冲爆发时，脉冲爆发过程可能使原始脉冲中的部分光谱成分被吸收掉，从而导致输入给光谱仪的光谱成分减少。为了观测到脉冲爆发中产生的吸收谱线或发射谱线，首先可以将脉冲爆发时可能产生的所有光谱成分的波长范围作为该全光纤声光可调带通滤波器的带通滤波波长范围，然后全光纤声光可调带通滤波器对其带通滤波波长进行依次调节，以使其带通滤波波长范围内各个波长的光谱成分均可依次通过，当带通滤波波长调节完成后，将显示器上显示的所有光谱成分的波长与带通滤波波长范围进行比较，确定哪些波长的光谱成分已不存在，哪些波长的光谱成分还存在，由此可以观测到脉冲爆发中产生的吸收谱线或发射谱线。

上述全光纤声光可调带通滤波器通过控制射频信号的频率可以对带通滤波波长进行调节，从而可以对光谱仪的扫描波段进行调节。光电探测器可以选择快响应、高灵敏度和高动态范围的光电转化器件，其中，快响应是为了保证光纤光谱仪的快速扫描，快速接收由声光可调带通滤波器传来的光信号；高灵敏度是为了保证检测精度；高动态范围是为了保证光谱仪能够扫描到尽量大的光谱范围。本发明光谱仪的工作原理是：光信号被输入到全光纤声光可调带通滤波器中，经其滤波后被传输给光电探测器，光电探测器将光信号转换电信号，使用数据采集卡将电信号保存下来，之后将电信号传输到显示器上，在显示器上显示结果。此后，调节射频信号的频率，用于声光耦合的声波频率也随之变化，带通滤波器的带通滤波波长也随之调谐。按照这样的思路调制射频信号，就可以完成对特定波段光谱的扫描。由于射频信号的变化很快，且全光纤声光可调带通滤波器与光电探测器都具备很快的响应速度，射频信号可以迅速将调谐信号经声光可调带通滤波器、光电探测器和数据采集卡完成同步，如图8所示，由此本光谱仪可以完成快速的扫描。

由上述实施例可见，本发明光谱仪在将不同波长的光谱成分传输给光电探测器时，并不是依赖于空间光学系统，而是利用全光纤声光可调带通滤波器，相比于空间光学系统，声光可调带通滤波器不必通过旋转色散器件来扫描整个频谱，其调谐性可以使光谱仪快速完成对应波段的扫描，例如本发明光谱仪在对1500-1600nm波段进行光谱扫描时只需要1ms，这一快速扫描特性使得本发明光谱仪尤其适用于天文学现象观测；本发明在实现对应波段扫描时，不必设置多个光谱仪阵列，且全光纤声光可调带通滤波器中光纤与声波发生装置的成本较低，因此本发明光谱仪的成本较低；此外，由于全光纤声光可调带通滤波器可以保证输入的各个波长的光谱成分完全通过，因此本发明光谱仪的光谱带宽较窄(可以小于1nm)，扫描分辨率较高，可以实现对应波段的精确扫描。传统光谱仪是利用空间光学系统中色散器件的干涉和衍射作用，完成光谱分离，在该空间光学系统中光纤只作为导光的介质使用，本发明摆脱了传统的光谱分离模式，基于声光效应，利用全光纤的带通滤波器对光谱进行分离，充分利用了光纤积小，重量轻、低传输损耗、传输频带宽、传输容量大、抗辐射等诸多特点。

本发明全光纤声光可调带通滤波器将声波沿光纤轴向传播，使光纤上对应光纤段发生周期性微弯，在光纤上传输的光信号经过该光纤段后对应波长光谱成分会被滤除，由此实现了带阻滤波，并且通过改变声波的频率，就可以对带阻滤波波长进行调节，可见本发明带阻滤波器的滤波范围可调且较宽；本发明使带阻滤波器中光纤的两端分别与起偏器和检偏器连接，并使起偏器和检偏器的偏振角正交，如此由起偏器、带阻滤波器和检偏器组成的全光纤声光可调带通滤波器可以将该带阻滤波器可滤除的对应波长光谱成分输出，即在带阻滤波器两侧分别设置偏振角正交的起偏器和检偏器后，可以将带阻滤波转换为带通滤波，且带阻滤波阻带波长即为带通滤波通带波长，可见本发明可以实现带通滤波，带通滤波范围可调且较宽。

另外，在上述实施例中，为了通过改变声波频率，来调节带通滤波波长，需要了解声波频率与带通滤波波长的对应关系。经研究发现，所述带通滤波波长与声波频率之间的关系与所述基模和包层模的有效折射率有关。具体地，所述带通滤波波长λ与声波频率f之间的关系为：

其中，n

所述基模包括多个基模分模，所述包层模包括多个包层模分模，各个基模分模和包层模分模的有效折射率均因带通滤波波长的不同而不同。为了基于上述公式，获得全光纤声光可调带通滤波器通过不同波长λ光谱成分时所需的声波频率f，需要确定上述公式中的基模有效折射率n

本发明在根据公式

本实施例中，所述基模可以包括两个基模分模：x方向的

通常地，光纤中

现有技术中基于声光效应的带阻滤波器有很多种结构，本发明仅举例子对其结构和带阻滤波原理进行了描述，在此不再对其他类型结构予以赘述。在一个例子中，所述带阻滤波器中光纤可以为单模光纤，为了使单模光纤的基模与包层模更好地耦合，可以使用氢氟酸对单模光纤进行腐蚀，使单模光纤的直径变小。所述带阻滤波器1中声波发生装置11可以包括压电陶瓷片122和聚能器121，如图4所示，当将射频信号加载至所述压电陶瓷片122上时，所述压电陶瓷片122发生垂直于该光纤轴向的振动，所述振动的振幅被该聚能器121放大后，被施加到所述光纤11上，产生沿该光纤11轴向传播的声波。具体地，压电陶瓷片在加载有射频信号时，利用逆压电效应产生垂直于光纤向上振动的超声波，由于压电陶瓷片产生的超声波振幅较小，因此需要在压电陶瓷片上增加聚能器来放大声波振幅。为了使压电陶瓷片产生的超声波能够高效耦合进入聚能器中，聚能器应该选择与压电陶瓷片的声阻抗匹配的材料，此外还需要考虑换能器与光纤之间的声阻抗匹配。聚能器的作用是用来放大压电陶瓷片产生的振幅较小的超声波，并将放大的超声波耦合进光纤中。本发明聚能器可以选用圆锥型聚能器，其可以由铝制成，也可以选择厚度伸缩模式的压电陶瓷来制作该聚能器，所述聚能器的锥顶与该光纤固定连接(可以使用紫外固化胶将聚能器锥顶与光纤粘接)，锥底固定在该压电陶瓷片面向该光纤的一侧面上，中心轴分别与该光纤轴向、该压电陶瓷片垂直。本发明通过利用聚能器对压电陶瓷片产生的振动进行放大，再将放大后的振动施加到光纤，由此可以产生沿光纤轴向传播的振幅更大的声波，以较小的能耗实现较好的耦合效果。本发明可以通过控制该射频信号的频率来改变声波的频率，从而对带通滤波波长及带通滤波带宽进行控制。

所述声波发生装置11还可以包括衬底123，所述压电陶瓷片122面向该光纤11的一侧与所述聚能器121固定连接，另一相对侧面与所述衬底123固定连接。所述衬底的声阻抗大于该压电陶瓷片的声阻抗，以使该压电陶瓷片垂直于该光纤，对着该光纤单向振动，由此可以保证压电陶瓷片上发生的振动无障碍单向辐射，以保证超声波能最大限度地从聚能器向光纤辐射，从而调高超声聚能器的前向发射效率。为了确保压电陶瓷具有比较高的前向发射效率，衬底的材料可以选择软钢，形状可以为圆柱形。

在声波发生装置中压电陶瓷片、聚能器和衬底这三个部分之间采用的是垂直堆叠模式，三个部分的粘合是制作聚能器的关键，粘合的效果会直接影响聚能器的发射效率。因此在粘合前，需先对三个部分的表面进行清理，去除表面的灰尘氧化层，随后用丙酮等有机溶剂擦洗接触面，晾干后使用环氧树脂作为粘合剂进行粘合，但是要保证环氧树脂的浓度不能过大，将环氧树脂均匀涂抹在三个部分的表面，涂抹厚度应较薄以减少粘合区域的气泡，在粘合时可适当施加一定的压力使粘合更加牢固。

在上述实施例中，起偏器2的线偏振角度可以为45°，检偏器3的线偏振角度可以为-45°，如此起偏器和检偏器的偏振角正交，两个偏振器的线偏振角度如图3所示。当在带阻滤波器中光纤的两端分别连接起偏器和检偏器后，带阻滤波被转换成带通滤波，如图7所示，其中实线为带阻特性曲线，虚线为带通特性曲线。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。