一种光谱探测器、光谱仪及光谱探测方法技术

本申请公开了一种光谱探测器、光谱仪及光谱探测方法，光谱探测器包括可调谐激光器、相位调制器、50:50分束器、第一光电二极管、第二光电二极管、跨阻放大器、数据采集模块、控制模块和数据处理模块，通过设置可调谐激光器作为本振光源以及增加控制模块和相位调制器，将激光光束与待测光信号相干耦合，相干耦合后的光束分别入射到两个相似的光电二极管中，在两个光电二极管的串联节点处产生光电流差信号，经过对此信号的处理得到放大后的相干信号的强度信息，再由数据处理模块结合不同波长下的激光光束的相位扫描信息，得出待测光信号的波长和光谱信息，实现对微弱光束或单光子量级光信号的高效探测。号的高效探测。号的高效探测。

【技术实现步骤摘要】
一种光谱探测器、光谱仪及光谱探测方法


[0001]本申请属于光谱分析领域，具体而言，涉及一种光谱探测器、光谱仪及光谱探测方法。

技术介绍

[0002]光谱分析仪简称光谱仪，是将成分复杂的复合光分解为光谱线并进行测量和计算的科学仪器，被广泛应用于辐射度学分析、颜色测量、化学成份分析等领域，在冶金、地质、水文、医药、石油化工、环境保护、宇宙探索等行业发挥着重要作用。在照明行业，通常使用光谱仪来测量光源的光色参数。
[0003]目前，市场上的光谱仪一般基于空间光学光栅结构，对入射光波的波长进行分析探测，该类方法一般只能针对较强的光束(微瓦量级)进行光谱分析，同时由于系统光学损耗较大以及普通光学探测器的探测强度范围等问题，该系统无法对微弱光或单光子量级的光束进行有效的光谱分析，导致实际应用以及应用场景具有局限性。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本申请提供一种针对微弱光或单光子量级光束探测的光谱探测器、光谱仪及光谱探测方法。其具体方案如下：
[0005]第一方面，本申请公开了一种光谱探测器，包括可调谐激光器、相位调制器、50:50分束器、第一光电二极管、第二光电二极管、跨阻放大器、数据采集模块、控制模块和数据处理模块；
[0006]所述可调谐激光器，用于输出激光光束至所述相位调制器并将激光光束信息反馈给所述控制模块；所述相位调制器用于对激光光束进行相位调制；所述相位调制器的输出端与所述50:50分束器的第一入射端连接；所述50:50分束器的第二入射端用于输入待测光信号；所述50:50分束器用于对所述激光光束和所述待测光信号进行相干耦合；所述50:50分束器包括输出上端和输出下端；所述第一光电二极管对50:50分束器输出上端输出的相干耦合光束进行探测，所述第二光电二极管对50:50分束器输出下端输出的相干耦合光束进行探测；所述第一光电二极管与所述第二光电二极管串联，形成串联节点且在串联节点处产生光电流差信号；所述串联节点与所述跨阻放大器的输入端连接；所述数据采集模块的输入端与所述跨阻放大器的输出端连接；所述跨阻放大器用于将所述光电流差信号转换为光电压差信号并将所述光电压差信号放大；所述数据采集模块的输出端与所述数据处理模块连接；所述控制模块用于调节控制所述可调谐激光器输出的激光光束波长同时将当前调谐的激光光束波长信息输出给所述数据处理模块，以及控制所述相位调制器对激光光束进行相位周期扫描；所述数据处理模块用于接收所述数据采集模块和所述控制模块输出的信号并进行分析处理，获得每个调谐激光光束波长下的最大光电压信号并将最大光电压信号转换为光强度信息，获取光强度与波长的对应关系。
[0007]进一步地，所述控制模块包括微控制器、电流调节模块和调制驱动模块，所述微控
制器控制所述电流调节模块和所述调制驱动模块；所述电流调节模块基于所述微控制器的控制，调节所述可调谐激光器输出的激光光束波长和功率；所述调制驱动模块基于所述微控制器的控制，调节所述相位调制器的驱动电压。
[0008]优选地，所述相位调制器、50:50分束器、第一光电二极管、第二光电二极管、跨阻放大器、数据采集模块、控制模块和数据处理模块采用单片集成工艺制作在芯片上。
[0009]进一步地，所述电流调节模块包括至少三组调谐节电流电路，所述调谐节电流电路包括数模转换器和放大器，所述数模转换器的输入端与所述微控制器的输出端连接，所述放大器的输入端与所述数模转换器的输出端连接，所述放大器的输出端与所述可调谐激光器的输入端连接。
[0010]进一步地，所述调制驱动电路包括信号发生电路、前置放大电路和后置高压运算放大电路，所述信号发生电路用于产生和输出电压信号；所述前置放大电路用于放大信号发生电路输出的电压信号；所述后置高压运算放大电路用于进一步放大前置放大电路输出的电压信号。
[0011]优选地，所述50:50分束器为光纤分束器、多模干涉耦合器或定向耦合器中的一种。
[0012]优选地，所述数据采集模块包括模数转换器，用于将经过放大后的光电压差信号转换为光电压差数字信号，所述模数转换器的输入端与所述跨阻放大器的输出端连接，所述模数转换器的输出端与所述数据处理模块的输入端连接。
[0013]第二方面，本申请公开了一种光谱仪，所述光谱仪包括显示系统和本申请公开的光谱探测器，所述显示系统用于输入控制参数和命令以及显示相位扫描进程和光谱曲线。
[0014]第三方面，本申请公开了一种光谱探测方法，所述方法应用于本申请公开的光谱探测器，所述光谱探测器包括可调谐激光器、相位调制器、50:50分束器、第一光电二极管、第二光电二极管、跨阻放大器、数据采集模块、控制模块和数据处理模块；所述方法包括：
[0015]待测光信号输入至所述50:50分束器；
[0016]控制模块调节控制所述可调谐激光器输出波长为λ1的激光光束，同时所述可调谐激光器将该激光光束信息反馈给所述控制模块；
[0017]基于当前波长为λ1的激光光束，控制模块控制所述相位调制器对该激光光束进行相位周期扫描，与待测光信号形成不同的相位差，相位周期扫描范围为0
‑
2π；
[0018]50:50分束器对波长为λ1的激光光束和所述待测光信号进行相干耦合，输出光束分别入射至第一光电二极管和第二光电二极管，且在第一光电二极管和第二光电二极管的串联节点处产生光电流差信号；
[0019]光电流差信号经过跨阻放大器和数据采集模块输入至数据处理模块；
[0020]数据处理模块接收所述数据采集模块和所述控制模块输出的信号并进行分析处理，获得波长为λ1的激光光束的最大光电压信号，并将最大光电压信号转换为光强度信息；
[0021]波长为λ1的激光光束的相位周期扫描完成，控制模块调节所述可调谐激光器输出波长为λ2的激光光束，重复上述过程，直至完成所有预设波长的激光光束的相位周期扫描；
[0022]数据处理模块获得每个预设激光光束波长下的最大光电压信号并将每个最大光电压信号转换为相对应的光强度信息，形成光强度与波长的对应关系。
[0023]进一步地，所述控制模块包括微控制器、电流调节模块和调制驱动模块；所述微控
制器控制所述电流调节模块和所述调制驱动模块；所述电流调节模块基于所述微控制器的控制，调节所述可调谐激光器输出的激光光束波长和功率；所述调制驱动模块基于所述微控制器的控制，调节所述相位调制器的驱动电压。
[0024]总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0025]本申请提供了一种光谱探测器、光谱仪及光谱探测方法，光谱探测器包括可调谐激光器、相位调制器、50:50分束器、第一光电二极管、第二光电二极管、跨阻放大器、数据采集模块、控制模块和数据处理模块，通过设置可调谐激光器作为本振光源以及增加控制模块和相位调制器，将激光光束与待测光信号相干耦合，相干耦合后的光束分别入射到两个相似的光电二极管中，在两个光电二极管的串联节点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光谱探测器，其特征在于，包括可调谐激光器、相位调制器、50:50分束器、第一光电二极管、第二光电二极管、跨阻放大器、数据采集模块、控制模块和数据处理模块；所述可调谐激光器，用于输出激光光束至所述相位调制器并将激光光束信息反馈给所述控制模块；所述相位调制器用于对激光光束进行相位调制；所述相位调制器的输出端与所述50:50分束器的第一入射端连接；所述50:50分束器的第二入射端用于输入待测光信号；所述50:50分束器用于对所述激光光束和所述待测光信号进行相干耦合；所述50:50分束器包括输出上端和输出下端；所述第一光电二极管对50:50分束器输出上端输出的相干耦合光束探测，所述第二光电二极管对50:50分束器输出下端输出的相干耦合光束探测；所述第一光电二极管与所述第二光电二极管串联，形成串联节点且在串联节点处产生光电流差信号；所述串联节点与所述跨阻放大器的输入端连接；所述数据采集模块的输入端与所述跨阻放大器的输出端连接；所述跨阻放大器用于将所述光电流差信号转换为光电压差信号并将所述光电压差信号放大；所述数据采集模块的输出端与所述数据处理模块连接；所述控制模块用于调节控制所述可调谐激光器输出的激光光束波长同时将当前调谐的激光光束波长信息输出给所述数据处理模块，以及控制所述相位调制器对激光光束进行相位周期扫描；所述数据处理模块用于接收所述数据采集模块和所述控制模块输出的信号并进行分析处理，获得每个调谐激光光束波长下的最大光电压信号并将最大光电压信号转换为光强度信息，获取光强度与波长的对应关系。2.根据权利要求1所述的光谱探测器，其特征在于，所述控制模块包括微控制器、电流调节模块和调制驱动模块，所述微控制器控制所述电流调节模块和所述调制驱动模块；所述电流调节模块基于所述微控制器的控制，调节所述可调谐激光器输出的激光光束波长和功率；所述调制驱动模块基于所述微控制器的控制，调节所述相位调制器的驱动电压。3.根据权利要求1所述的光谱探测器，其特征在于，所述相位调制器、50:50分束器、第一光电二极管、第二光电二极管、跨阻放大器、数据采集模块、控制模块和数据处理模块采用单片集成工艺制作在芯片上。4.根据权利要求2所述的光谱探测器，其特征在于，所述电流调节模块包括至少三组调谐节电流电路，所述调谐节电流电路包括数模转换器和放大器，所述数模转换器的输入端与所述微控制器的输出端连接，所述放大器的输入端与所述数模转换器的输出端连接，所述放大器的输出端与所述可调谐激光器的输入端连接。5.根据权利要求2所述的光谱探测器，其特征在于，所述调制驱动电路包括信号发生电路、前置放大电路和后置高压运算放大电路，所述信号发生电路用于产生和输出电压信号；所述前置放大电路用于放大信号发生电路输出的电压信...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁禹阳，刘午，周志伟，
申请(专利权)人：合肥硅臻芯片技术有限公司，
类型：发明
国别省市：