本发明专利技术公开了一种光纤光栅实时光谱分析装置和方法，该装置包括光源模块、传感单元、色散单元、记录模块和待测单元。本发明专利技术首先使用光源模块、传感单元、色散单元和记录模块获得“频率-时间映射”关系，然后将传感单元替换为待测单元，利用光源模块、待测单元、色散单元和记录模块采集得到时域脉冲信号，利用“频率-时间映射”关系将其转换为频域信号，从而实现对于FBG的超快光谱分析。由于示波器对时域信号的采集相比较直接使用光谱仪测量谱线要快，因此本发明专利技术可以实现光谱的快速分析。同时由于本发明专利技术使用飞秒激光脉冲作为光源，因此本发明专利技术能够达到大的测量动态范围。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及飞秒光学
，尤其是。
技术介绍
现存的光纤布拉格光栅(FBG)光谱分析技术主要分为三类第一类使用静态鉴频器将FBG信号的频率转化为信号强度变化或强度的空间分布如FBG信号在边缘鉴频器(Fabry-Perot标准具或是波分复用光纤器件)上的透过率变化，或是FBG信号经过色散器件之后在电荷耦合器件(CCD)上呈现的强度分布变化。在边 缘技术中，测量精度和动态范围存在相互制约的关系，无法同时提高。目前高速CCD工作波长局限在了 900nm以下，使得基于该方法的仪器无法使用光通信1550nm波段诸多高性价比的光学兀器件。第二类使用可调的窄带滤光器扫描FBG的光谱，则扫描得到的结果是滤光器的传递函数和FBG光谱的卷积。这种可调的窄带滤光器可以是可调谐式的Fabry-Perot标准具、声光滤波器或是光纤光栅滤光器。这种方法对激光光源和环境变化引起的信号光强波动非常敏感，因此不适于对FBG光谱的快速、大动态范围测量。第三类通过非平衡双臂Michelson干涉仪的光学干涉方法反演FBG谱的信息。当扫描Michelson干涉仪的一臂时，对应特定反射波长的光纤光栅会产生一个干涉信号。如果反射信号是来自一系列光纤光栅，则干涉信号是对应每一个光纤光栅干涉信号的线性叠力口。通过傅里叶变换，可以很好地反演FBG谱。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种使用实时“频率-时间”映射光谱分析技术检测FBG谱线的装置及方法，以实现对FBG高精度、大动态范围的实时超快光谱分析。根据本专利技术的一方面，提出一种光纤光栅实时光谱分析装置，其特征在于，该装置包括光源模块I、传感单元2、色散单元3、记录模块4和待测单元，其中所述光源模块I用于发射脉冲；所述传感单元2和所述待测单元通过光学开关22连接所述光源模块I ;所述传感单元2用于使所述发射脉冲信号发生干涉；所述待测单元包括多根串联的FBG7、8、压电陶瓷纳米平移台10及其驱动器9 ;所述压电陶瓷纳米平移台10与除最后一个FBG的其他FBG7并联，所述压电陶瓷纳米平移台10与其驱动器9相连；所述色散单元3通过光学开关23连接所述传感单元2和所述待测单元，用于对所述传感单元2或所述待测单元发射的脉冲进行展宽；所述记录模块4连接所述色散单元3，用于记录频域和时域的出射脉冲信号；在对待测单元中的FBG的光谱进行检测之前，先将所述光学开关22、23连接到所述传感单元2上，根据所述记录模块4记录的频域和时域的出射脉冲信号，得到“频率-时间”映射校准关系；然后，在对待测元件中的FBG进行超快光谱分析时，将所述光学开关22、23连接到所述待测单元上，测量记录模块4输出的时域脉冲信号波形，通过所述“频率-时间”映射校准关系，将所述时域脉冲信号波形转化得到与之对应的频谱波形，完成对于待测FBG的超高速光谱检测。根据本专利技术的另一方面，提出一种光纤光栅实时光谱分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤SI，发射用于光栅光谱分析的飞秒激光脉冲； 步骤S2，使所述发射脉冲信号发生干涉；步骤S3，对发生干涉之后得到的脉冲进行展宽；步骤S4，记录并显示频域和时域的出射脉冲信号；步骤S5，根据所述频域和时域的出射脉冲信号，得到“频率-时间”映射校准关系；步骤S6，将待测的多个FBG串联起来，将除最后一个FBG的所有FBG与压电陶瓷纳米平移台并联；步骤S7,发射用于光栅光谱分析的飞秒激光脉冲；步骤S8，对经过待测FBG的脉冲信号进行展宽；步骤S9，记录时域脉冲信号波形，通过所述“频率-时间”映射校准关系，将所述时域脉冲信号波形转化得到与之对应的频谱波形，完成对于待测FBG的超高速光谱检测。采用本专利技术的技术方案，能够获得一、超快的光谱分析速度“频率-时间映射”函数可以将时域信号转化为频域信号，由于示波器对时域信号的采集相比较直接使用光谱仪测量谱线要快，因此采用本专利技术的方法可以实现光谱的快速分析。二、大的测量动态范围由于使用飞秒激光脉冲作为光源，飞秒脉冲的宽光谱为FBG光谱测量提供了大的动态范围。附图说明图I是本专利技术光纤光栅实时光谱分析装置结构原理图。图2为“频率-时间映射”函数示意图。图3为根据本专利技术的实施例得到的光谱分析结果。图4为飞秒脉冲经过FBG组的透射光强度等高线图。图5为确定FBG中心波长的示意图。图6为本专利技术光纤光栅实时光谱分析方法流程图。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。图I为本专利技术光纤光栅实时光谱分析装置的结构原理图，如图I所示，根据本专利技术的一方面，提出一种光纤光栅实时光谱分析装置，该装置包括光源模块I、传感单元2、色散单元3、记录模块4和待测单元，其中所述光源模块I用于发射脉冲，其进一步包括飞秒激光器5和光衰减器6。所述飞秒激光器5用于发射用于光栅光谱分析的飞秒激光脉冲，所述光衰减器6用于对所述飞秒激光脉冲进行强度衰减，以避免飞秒激光脉冲的高峰值功率导致光纤中的非线性现象。所述传感单元2和所述待测单元通过光学开关22连接所述光源模块I ;所述传感单元2用于使所述发射脉冲信号发生干涉，其采用的传递函数事先设定。所述传感单元2为一个串联干涉仪结构，其依次包括保偏光纤12和起偏器14，其中，所述保偏光纤12用于将入射脉冲光分成两个偏振模式，并分别沿着保偏光纤12的快轴和慢轴传播；所述起偏器14用于将沿着所述保偏光纤12的快轴和慢轴传播的两束光在所述起偏器14上发生干涉；另外，所述传感单元2还包括偏振控制器11和偏振控制器13，所述偏振控制器11用于控制入射偏振光相对保偏光纤12偏振主轴的角度；所述偏振控制器13 用于调节出射偏振光相对起偏器14的角度。所述待测单元包括多根串联的FBG7、8(下文以五根FBG为例进行说明)、压电陶瓷纳米平移台10及其驱动器9，所述五根串联的FBG7、8中，前4根FBG7为一组，后I根FBG8为一组，所述FBG8不受轴向应力，而其它四根FBG7均装载在纳米平移台上，当其受到轴向应力时，光栅光谱发生变化；所述压电陶瓷纳米平移台10与所述4根FBG7并联，所述压电陶瓷纳米平移台10与其驱动器9相连。所述色散单元3通过光学开关23连接所述传感单元2和所述待测单元，用于对所述传感单元2或所述待测单元发射的脉冲进行展宽；所述色散单元3包括FBG15、两卷色散补偿光纤16和18和掺铒光纤放大器17，其中，起偏器14发出的光首先经过FBG15，该FBG15放置在温度控制环境中，其光谱位置不受温度和应力的影响，因此作为整个系统的光谱参考点。为了使得FBG15发出的光脉冲的光谱结构在时域上充分展开，因此，在接收光路中，采用两卷色散补偿光纤16和18的串联结构来对FBG15发出的光脉冲进行时域展开处理，另外，为了提高信噪比，在所述两卷色散补偿光纤中间使用掺铒光纤放大器17来增强光信号的强度。所述色散单元3中用于对发射脉冲进行展宽的三阶色散和低阶色散对应的传递函数记为H1(Co)和H2 (ω)，分别由式⑴和式⑵定义 (2 β I\H^oj)= Hn exp⑴( β I ΛH，(⑵)=exp - j -^― ω、(2) * V 6 J其中，H1(GJ)为三阶色散对应的传递函数本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种光纤光栅实时光谱分析装置，其特征在于，该装置包括：光源模块(1)、传感单元(2)、色散单元(3)、记录模块(4)和待测单元，其中：所述光源模块(1)用于发射脉冲；所述传感单元(2)和所述待测单元通过光学开关(22)连接所述光源模块1；所述传感单元(2)用于使所述发射脉冲信号发生干涉；所述待测单元包括多根串联的光纤布拉格光栅FBG(7、8)、压电陶瓷纳米平移台(10)及其驱动器(9)；所述压电陶瓷纳米平移台(10)与除最后一个FBG的其他FBG(7)并联，所述压电陶瓷纳米平移台(10)与其驱动器(9)相连；所述色散单元(3)通过光学开关(23)连接所述传感单元(2)和所述待测单元，用于对所述传感单元(2)或所述待测单元发射的脉冲进行展宽；所述记录模块(4)连接所述色散单元(3)，用于记录频域和时域的出射脉冲信号；在对待测单元中的FBG的光谱进行检测之前，先将所述光学开关(22)、(23)连接到所述传感单元(2)上，根据所述记录模块(4)记录的频域和时域的出射脉冲信号，得到“频率？时间”映射校准关系；然后，在对待测元件中的FBG进行超快光谱分析时，将所述光学开关(22)、(23)连接到所述待测单元上，测量记录模块(4)输出的时域脉冲信号波形，通过所述“频率？时间”映射校准关系，将所述时域脉冲信号波形转化得到与之对应的频谱波形，完成对于待测FBG的超高速光谱检测。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：夏海云，胡冬冬，孙东松，窦贤康，舒志峰，薛向辉，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：
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