一种光纤通信用高分辨率光栅光谱仪结构的利记博彩app
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤通信光谱分析领域，涉及光学元件，系统，具体涉及一种高分辨率光栅光谱仪的单色器光路和波长定位机构。
【背景技术】
[0002]光纤通信光谱分析领域要求光谱仪具有光纤输入，探测波长覆盖光纤通信频段，波长分辨率高等特点。同时在光纤通信逐渐普及的今天，还需要便携可靠，成本适宜的光谱仪产品，所以对光谱仪的设计，特别是单色器光路设计和波长精确定位机构的设计提出了更高的要求。
[0003]目前国际上领先的光纤通信用光谱仪，多采用光束多次通过同一块光栅的多通光路技术来提高波长分辨率和降低成本，如美国专利:US 6636306B2, US 5233405的双通光路，以及美国专利:US 6177992 BI，US 5886785的4通光路设计等。双通光路在光纤通信波段所能达到的光谱分辨率为0.05nm级别，已经不能适应需求，而4通光路虽然分辨率可以达0.02nm级别，但是器件繁多，光路复杂，调试困难，所以成本高企，不能适应低成本化需求。
[0004]另外，传统光谱仪波长扫描机构多为正弦机构，或者凸轮机构，这些扫描机构机械器件复杂，安装困难，而且扫描速度缓慢，可靠性低。某国外企业开发的电机与旋转编码器组成直接驱动机构，虽然可以克服上述缺点，但是为达到所标称的波长精度，波长定标所用的旋转编码器必须选用高输出数的正弦编码器，还需掌握正弦信号超高细分算法或电路设计，例如该企业就采用的1024线/转正弦编码器和1024细分每线的细分技术，这些技术掌握在少数国际大公司手中，国内掌握极少，而且成本非常高昂，阻碍了高分辨率光谱的发展与普及。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是:研制光路结构简单的4通高分辨率光谱仪单色器光路，以及快速精确可靠的波长扫描定位机构，同时要满足低成本化，易于生产的要求。
[0006]本发明技术方案
[0007]本发明包括:光纤阵列(I)，准直透镜(2)，光栅(3)，直角棱镜(4)，棱镜支架(5)，电动机￠)，光栅标尺(7)，光栅尺读数头(8)和平面反射镜(9);
[0008]所述光纤阵列(I)为单模光纤阵列，光纤阵列(I)的两个光纤端面分别作为光谱仪的出射与入射狭缝，要求这两个光纤端面位于准直透镜(2)的焦平面上，两个光纤端面中心连线的中点位于准直透镜(2)的焦点，如附图3所示；
[0009]所述准直透镜⑵将光纤阵列⑴的出射狭缝出射的发散光准直为平行光，并将经过4次衍射返回的单色平行光聚焦到入射狭缝上；
[0010]所述光栅(3)用于衍射分光，光栅表面法线与经准直透镜(2)准直的平行光呈70-80°夹角，称为光栅入射角，不同波长衍射光的衍射角不同，实现分光功能；
[0011]所述直角棱镜(4)用于反射平行光束，实现多次衍射。光栅(3)第一次衍射光中垂直于直角棱镜(4)表面入射的平行光的波长是被扫描到的波长，在直角棱镜(4)旋转过程中，所有波长的光依次垂直入射到直角棱镜(4)表面，实现光谱仪的波长扫描功能；
[0012]所述棱镜支架(5)是直角棱镜(4)和光栅标尺(7)的安装机构，直角棱镜(4)固定在棱镜支架(5) —端，光栅标尺(7)粘到棱镜支架(5)另一圆弧形端面上；
[0013]所述电动机￠)的转轴与棱镜支架固定连接，作用是旋转棱镜支架(5)，使直角棱镜(4)旋转起来扫描光谱。棱镜支架(5)的旋转中心为电动机￠)的转轴中心，也是棱镜支架(5)的圆弧形端面的圆心。
[0014]所述光栅尺读数头(8)固定在棱镜支架(5)的圆弧形端面旋转圆周外，距圆周0.5-lmm，光栅标尺(7)粘在棱镜支架(5)圆弧形端面上，当棱镜支架(5)旋转，使光栅标尺
(7)接近光栅尺读数头(8)的探测面，产生切向位移时，光栅尺读数头(8)产生脉冲，该脉冲与直角棱镜(4)的旋转角度增量严格对应，用于波长的标定。
[0015]如图4所示，直角棱镜(4)在设计波长范围内选光时，光栅读数头⑶的探测面都要与光栅标尺(7)产生切向位移，这样波长扫描时均有波长定位脉冲产生。当直角棱镜(4)旋转出光栅(3)的波长衍射区域时，光栅读数头(8)不需要能够探测到光栅标尺(7)。
[0016]所述平面反射镜(9)将2次衍射后的平行光反射回去，实现第3和第4次衍射。前文所述光纤阵列(I)的两个光纤端面位于准直透镜(2)焦点两侧且连线中心为焦点，根据几何光学原理，光纤阵列(I)的出射狭缝经过准直透镜(2)和平面反射镜(9)组成的光学系统，必然成像于光纤阵列(I)的入射狭缝，如附图3所示。即使在准直透镜(2)和平面反射镜(9)之间加入光栅(3)和直角棱镜(4)进行了分光和光束平移、反射，也不会影响该成像过程，这也就是平面反射镜(9)能够将光束反射回入射狭缝的原理。
[0017]高分辨率光栅光谱仪，工作过程包括以下几步:
[0018]第I步:待测光信号接入光纤阵列⑴的出射光纤，从出射光纤端面，即出射狭缝出射到准直透镜(2)，准直透镜(2)将待测光信号准直为平行入射光倾斜照射到光栅(3)上，形成第I次光栅衍射分光；
[0019]第2步:第I次衍射后，不同波长光以不同衍射角衍射，形成单色平行光，当某一波长光垂直照射到直角棱镜⑷时，被直角棱镜⑷向上平移并反射回光栅(3)，形成第2次衍射，如图2所示。该波长第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:经过第2次衍射的平行光照射到平面反射镜(9)上，平面反射镜(9)将入射光再反射回光栅上，形成第3次衍射，这次衍射的入射角和衍射角与第I次衍射完全相同；
[0021]第4步:经过第3次衍射的平行光再次垂直照射到直角棱镜(4)上，被直角棱镜
(4)向下平移并再次反射回光栅(3)，形成第4次衍射，这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，而且经过这次平移，平行光又回到了准直透镜(2)所在平面，所以这次衍射的平行光将射向准直透镜(2);
[0022]第5步:经过4次衍射的平行光照射到准直透镜(2)上，被准直透镜(2)聚焦到入射光纤阵列(I)的入射狭缝上，即完成单色器工作过程。
[0023]第6步:第2步提到垂直照射到直角棱镜(4)的那一个波长的平行光才会重新聚焦到入射狭缝上，非垂直的光束不能进入入射狭缝。所以当电动机￠)带动棱镜支架(5)旋转时，与直角棱镜(4)垂直的波长不断变化，单色器选出的单色光也发生变化，这就完成光谱仪的波长扫描过程；
[0024]第7步:直角棱镜(4)旋转选光时，光栅尺读数头(8)的探测面与光栅标尺(7)有切向相对位移，每位移一个微小距离，即棱镜支架(5)转过一个微小角度，光栅尺读数头
(8)产生一个电脉冲。该脉冲与直角棱镜(4)转过的角度增量严格对应，可用于对波长的精确标定。
[0025]本发明的优点和有益效果:
[0026]1.采用单模光纤阵列作为出射与入射狭缝；采用一个准直透镜作为光束准直与聚焦元件；采用平面镜作为高次衍射的反射元件；采用直角棱镜作为扫描与反射元件。在满足高分辨率指标的同时，器件功能复用率高，光路整体集成度高，成熟可靠，达到了设计要求；
[0027]2.使用平面反射镜和直角棱镜组合实现4次衍射和波长扫描，是本发明的重要特占.V，
[0028]3.棱镜支架，电动机，开放式光栅标尺及其读数头组成的波长扫描定标系统，是本发明的重要特点。使用市售一般性能光栅尺产品就可以满足波长定标要求，规避了昂贵的编码器产品和复杂的细分技术。另外，该设计可使光栅标尺长度较短，也减低了成本。
[0029]总体来说，本发明达到了高分辨率光谱仪对光谱分辨率和高精度波长定标的要求，且器件少，复用性高，易于安装调试，成本低，特别适用于规模化生产的小型光纤通信用光谱仪，这对于光谱仪的普及和光纤通信事业的发展都具有积极的意义。
【附图说明】
:
[0030]图1是光纤通信用高分辨率光栅光谱仪光路结构侧视图。
[0031]图2是光纤通信用高分辨率光栅光谱仪光路结构俯视图。
[0032]图3是光纤阵列出射与入射光路示意图。
[0033]图4是光栅尺读数头与光栅标尺相对位移示意图。
[0034]图5 ZEMAX出射狭缝面点列图。
[0035]图6是单色器光路实测取样光谱图。
【具体实施方式】
[0036]如图1、图2所示，本发明提供的光纤通信用高分辨率光栅光谱仪结构，包括:光纤阵列(I)，准直透镜(2)，光栅(3)，直角棱镜(4)，棱镜支架(5)，电动机(6)，光栅标尺(7)，光栅尺读数头(8)和平面