一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振光谱分析系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振光谱分析系统，包括用于将外部信号光传输至光谱分析系统的传入光纤，用于分析信号光中的S偏振光成分的S偏振光分光单元，S偏振光接收透镜组，S偏振光探测单元，用于分析信号光中的P偏振光成分的P偏振光分光单元，P偏振光接收透镜组和P偏振光探测单元；其中S偏振光和P偏振光接收透镜组用于将对应偏振态的光斑进行聚焦压缩准直；S偏振光和P偏振光探测单元用于接收相应偏振光信号并转换成电信号上传至上位机处理获得信号光的光谱信息和偏振信息。本发明专利技术结构紧凑，具有良好的便携性和稳定性，适用于在线检测和快速测量；同时，在偏振成像和偏振光谱分析等领域也具有广泛的应用前景。

A Polarization Spectrum Analysis System Based on 45 Degree Tilt Fiber Bragg Grating

The invention discloses a polarization spectrum analysis system based on 45 degree tilted fiber grating, including an incoming optical fiber for transmitting external signal light to the spectrum analysis system, a S polarization light splitting unit for analyzing S polarization component in signal light, a S polarization light receiving lens group, a S polarization light detecting unit, and a P polarization light splitting unit for analyzing P polarization component in signal light. P-polarized light receiving lens group and P-polarized light detecting unit; S-polarized light and P-polarized light receiving lens group are used to focus, compress and collimate the corresponding polarized light spot; S-polarized light and P-polarized light detecting unit are used to receive the corresponding polarized light signal and convert it into electrical signal and upload it to the host computer for processing to obtain the spectral information and polarization information of the signal light. The invention has compact structure, good portability and stability, is suitable for on-line detection and fast measurement, and has wide application prospects in the fields of polarization imaging and polarization spectrum analysis.

【技术实现步骤摘要】
一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振光谱分析系统
本专利技术属于光谱分析系统领域，更具体地，涉及一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振光谱分析系统。
技术介绍
在环境监测、地质勘探、卫生防疫等领域，通常需要对所采集到的样品进行分析，以获取其相应的组成成分，从而对其进行评价和判断。光谱分析方法为常用的分析方法之一，光谱分析法不仅具有较高灵敏度和准确度，还可以实现无损检测，可以在较短的时间内对多种成分进行同时分析。光谱分析法的关键在于光谱分析仪器，其中最重要的就是光谱仪。但是，目前常用的光谱仪大都是通过转动其中的分光部件实现对信号光的光谱分析测定，整个系统包含有可活动的部件，抗震性能较差，因此不适用于环境复杂、恶劣的野外实地实时测量分析，同时目前的光谱仪的价格较为高昂，维护成本较高，不利于光谱分析的广泛应用。除了在物质分析领域，在偏振相关光谱成像和偏振相关光谱分析领域，具有偏振特性的光谱仪也具有重要的应用。通过分析偏振光谱，可以获得更多的信息。目前的偏振光谱分析系统，通常是利用偏振分束器等偏振分束器件对信号光中不同的偏振分量进行分离，再在接收端用检偏器件进行接收分析，因此这种系统的结构和光路较为复杂，光学元件较多，导致整体的稳定性和系统效率较低。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振光谱分析系统，旨在解决现有的光谱仪大部分通过转动其中的分光部件实现对信号光的光谱分析测定，整个系统包含有可活动的部件，导致稳定性较差，不适合环境复杂、恶劣的野外实地实时测量分析；同时现有的光谱仪大部分不适用于偏振相关光谱成像和偏振相关光谱分析领域的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振光谱分析系统，包括传入光纤，S偏振光分光单元，S偏振光接收透镜组，S偏振光探测单元，P偏振光分光单元，P偏振光接收透镜组，P偏振光探测单元。上述传入光纤为保偏光纤，前端与外界传光光纤相连，末端依次与S偏振光分光单元和P偏振光分光单元相连，用于将外部光信号传入光谱分析系统中。上述S偏振光分光单元为一位于保偏光纤快轴上的45°倾斜光纤光栅，45°倾斜光纤光栅倾角为45°，用于分离外部光信号中偏振矢量垂直于输入光和反射光平面的S偏振光分量，并使其中不同的波长分量以不同的衍射角度衍射至自由空间中，从而实现对光谱的分离。上述P偏振光分光单元为一位于保偏光纤慢轴上的45°倾斜光纤光栅，其方向与S偏振光分光单元的倾斜光纤光栅相互垂直，用于分离光信号中偏振矢量平行于输入光和反射光平面的P偏振光分量。上述S偏振光接收透镜组和P偏振光接收透镜组分别置于S偏振光分光单元和P偏振光分光单元的出光端，均由一柱透镜和一平凸透镜组成，其中柱透镜置于分光单元的45°倾斜光纤光栅后，用于将被45°倾斜光纤光栅衍射至自由空间的光进行准直和压缩，减小对应光的发散角和纵向尺寸。平凸透镜置于柱透镜后，用于聚焦光束，压缩光斑大小并将其投射至探测单元表面。上述S偏振光探测单元和P偏振光探测单元均为一线阵CCD探测器，分别置于对应偏振光的接收透镜组后，用于接收、处理光信号，并上传至上位机处理，获得信号光的光谱和偏振信息。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于专利技术提供的传入光纤为保偏光纤，45°倾斜光纤光栅为分光单元，能够取得下列有益效果：1、本专利技术提供的传入光纤为保偏光纤，P偏振分光单元和S偏振分光单元分别为位于保偏光栅的快轴和慢轴上的45°倾斜光纤光栅，替代了用于分光的活动部件，从而使本系统的结构更简单紧凑，稳定性较高，适用于条件恶劣、复杂的野外和工业环境。2、本专利技术采用的45°倾斜光纤光栅为分光单元，通过调整光栅光栅周期，可获得不同的应用波长范围，也可以根据实际需求进行优化设计45°倾斜光纤光栅的结构，避免了传统光谱仪中需要转动色散元件获取波长扫描缺陷，可以对光谱信息进行实时、快速、高精度的分析。3、本专利技术采用45°倾斜光纤光栅分光单元，分别放置在保偏光纤的快轴和慢轴上，外部光信号经过分光单元后获得非常高偏振度的线偏振光，即P偏振光和S偏振光，传统的光谱仪很难实现该系统的偏振特性，因此，该系统在偏振分析和偏振成像领域也将发挥很大的作用。附图说明图1是本专利技术提供的偏振相关光谱分析系统的结构示意图；图2是本专利技术提供的45°倾斜光纤光栅结构以及色散特性示意图；图3是本专利技术提供的入射光信号经分光单元后不同波长分量对应的出射角示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。图1为本专利技术提供的偏振光谱分析系统的结构示意图；如图1所示，一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振相关光谱分析系统：至少有1根传入光纤1，1个S偏振光分光单元2，1个S偏振光接收透镜组4，1个S偏振光探测单元7，1个P偏振光分光单元3，1个P偏振光接收透镜组8，1个P偏振光探测单元11组成。传入光纤1为保偏光纤，前端与外界输入相连，使得外部信号光经传入光纤传入系统中，光纤后端与S偏振光分光单元2相接，使信号光传输至S偏振光分光单元2的45°倾斜光纤光栅处并将其中的S偏振光分量分离分光；45°倾斜光纤光栅为倾角为45°的倾斜光纤光栅，其作为分光元件应用于系统中，用于将信号光衍射至自由空间，其中不同波长分量的光具有不同的衍射角，以实现光谱分量的分离；部分透射光则传输至P偏振光分光单元3并经由其中的45°倾斜光纤光栅将光中的P偏振光分量分离并进行分光处理，再由P偏振光接收透镜组8准直聚焦至P偏振光探测单元11处进行探测，输出相应的P偏振光信息；S偏振光接收透镜组和P偏振光接收透镜组分别置于两对应分光单元的辐射端，S偏振光接收透镜组由柱透镜D1和平凸透镜D1组成，P偏振光接收透镜组由柱透镜D2和平凸透镜D2组成；被衍射的光先被柱透镜D1、柱透镜D2接收并聚焦压缩光斑纵向大小，之后由平凸透镜D1、D2再聚焦以压缩光斑轴向大小，此时的光斑被压缩成一光点，并依波长顺序呈间隔相等的平行共线排列；S偏振光探测单元7和P偏振光探测单元11均为一线阵CCD探测器，分别置于对应偏振光的接收透镜组的后端，用于接收光斑阵列并输出对应的信号，其像素位置与不同波长的光斑的位置具有一一对应的关系，对其输出信号进行适当的处理后可以获得信号光的偏振光谱信息。图2为本专利技术提供的45°倾斜光纤光栅结构以及色散特性示意图，如图2所示，45°倾斜光纤光栅的光栅结构是经由紫外曝光后将光纤纤芯中的部分材料的折射率改变后获得的，相较于未改变的光纤纤芯材料，其折射率的变化大小只有百分之几或千分之几，因此两者之间存在着一个折射率突变的分界面。当光入射至该分界面时，根据布儒斯特定律，此时对应的布儒斯特角为θ＝arctan[(n+Δn)/n]≈45°，其中n为光纤纤芯折射率，Δn为紫外曝光引入的折射率调制深度。因此倾角为45°的倾斜光纤光栅具有将入射光中S偏振分量衍射出光纤的能力，故而45°倾斜光纤光栅具有非常好的偏振特性。同时根据光栅的相位匹配条件，在可接受的失谐大小内不同波长的光将以不同的角度被光栅衍射，同时在光纤的包层与空气界面由于折射率的不同，色散将进一步加大，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振光谱分析系统，包括传入光纤(1)，分光单元，偏振光接收透镜组和偏振光探测单元；其中，传入光纤一端接收外部光信号，另一端与分光单元相连，分光单元出光端后水平方向依次设置有接收透镜组和偏振光探测单元；外部光信号经由分光单元形成辐射光斑，偏振光接收透镜组将对光斑进行聚焦压缩准直，偏振光探测单元接收光斑中的光信号并转换成电信号，其特征在于，传入光纤为保偏光纤；分光单元为45°倾斜光纤光栅，包括S偏振光分光单元(2)和P偏振光分光单元(3)，S偏振光分光单元(2)位于保偏光纤快轴上，P偏振光分光单元(3)位于保偏光纤慢轴上。

【技术特征摘要】
1.一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振光谱分析系统，包括传入光纤(1)，分光单元，偏振光接收透镜组和偏振光探测单元；其中，传入光纤一端接收外部光信号，另一端与分光单元相连，分光单元出光端后水平方向依次设置有接收透镜组和偏振光探测单元；外部光信号经由分光单元形成辐射光斑，偏振光接收透镜组将对光斑进行聚焦压缩准直，偏振光探测单元接收光斑中的光信号并转换成电信号，其特征在于，传入光纤为保偏光纤；分光单元为45°倾斜光纤光栅，包括S偏振光分光单元(2)和P偏振光分光单元(3)，S偏振光分光单元(2)位于保偏光纤快轴上，P偏振光分光单元(3)位于保偏光纤慢轴上。2.如权利要求1所述的偏振光谱分析系统，其特征在于：45°倾斜光纤光栅的周期为748nm，光谱响应范围为1350-1750nm，光谱宽度至少为400nm。3.如权利要求1所述的偏振光谱分析系统，其特征在于：偏振光接收透镜组的尺寸大于光斑所处空间范围大小。4.如权利要求1所述的偏振光谱分析系统，其特征在于：偏振光接收透镜组包括S偏振光接收透镜组(4)和P偏振光接收透镜组(8)，分别位于S偏振光分光单元(2)和P偏振...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫志君，覃华宝，邢志坤，郭曦，张威，孙琪真，刘德明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42