[实用新型]基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及光纤通信和传感领域，尤其涉及一种以光纤法珀可调滤波器为关键器件的扫描光源输出波长的标定装置。

背景技术

光纤扫描光源作为一种可调谐窄线宽光源，以其宽输出波长范围、窄输出光谱线宽等优点，在近年来得到了快速发展，并被广泛用作各种光纤通信和传感系统的光源。相比于FBG、M-Z干涉仪等选频器件，光纤法珀可调滤波器调谐范围宽、调谐速率快、分辨率和精细度高，是构成光纤扫描光源的常用器件。法珀滤波器是基于法珀干涉仪的原理进行波长选择的，当一束宽带光入射到两块内表面镀有高反膜的平行平板上时，会发生多次反射和折射，在透射光方向形成一系列不同波长的等倾干涉亮条纹。当用连续电压驱动压电陶瓷来改变两板间的距离时，透射光极大值对应的波长也连续改变，从而得到窄线宽扫描光输出。若滤波器的自由光谱范围大于光纤扫描光源的输出波长范围，则光源的驱动电压与输出波长是一一对应的。对光纤扫描光源的电压-波长关系进行标定后，即可由实时驱动电压快速定位光源输出波长，为各种应用场合的波长测量提供基准。

迄今为止，已有基于光谱分析仪、FBG阵列和F-P标准具的多种光纤扫描光源波长标定方法，但均有其不足之处。光谱仪体积较大且价格昂贵，不利于标定装置的小型化、模块化，也不利于与应用系统集成；FBG阵列和F-P标准具虽能提供多个参考波长用于标定，但受器件热稳定性的影响，参考波长会随温度的改变而发生不同程度的漂移，从而偏离其标称值，给标定带来误差。

实用新型内容

针对上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定装置，利用气体分子在近红外波段的多条泛频吸收谱线的中心波长作为参考波长，实现对以光纤法珀可调滤波器为选频器件的扫描光源的驱动电压-输出波长关系的高精度标定。

气体分子在红外波段具有基频吸收线，在近红外波段具有泛频吸收线，不同分子吸收谱线对应的波长不同，同一分子的不同吸收谱线对应的波长也不同。由于气体吸收波长是由分子本身的能级结构决定的，以其为参考波长对光纤扫描光源的输出波长进行标定，不受温度、振动等环境因素的干扰，系统稳定性及波长定位精度大大提高。

本实用新型中标定气体的选择具有较强的灵活性和广泛的适应性，可根据不同应用环境中扫描光源输出波长范围的不同选择对其有吸收的气体，例如在1500m-1565nm波长范围内选择乙炔，在1565nm-1625nm波长范围内选择二氧化碳，在1625nm-1670nm波长范围内选择甲烷；标定气体既可以选择高纯气体，也可以将高纯气体与氮气按一定比例混合，其中高纯气体所占比例一般不低于30%，以能在输出光谱曲线上观察到较为明显的气体吸收峰为宜。

本实用新型的理论依据是朗伯-比尔定律：

I=I₀exp(-αcl)    (1)

当一束光通过气体时，在其吸收波长处光强会发生衰减，I₀和I分别为气体吸收前后的光强。衰减大小与气体吸收系数α、气体浓度c以及光与气体相互作用的长度l有关，可以用谱线吸光度K来定量表征。气体吸收越强则吸光度越大，相应光谱曲线上的光强幅值凹陷就越明显。

K=ln(I₀/I)=αcl    (2)

由于气体吸收谱线的中心波长由分子本身物理性质决定，是个定值，可由HITRAN光谱数据库查询得到，因而只要对气体吸收光谱进行处理获得各谱线中心波长对应的驱动电压，就可对光纤扫描光源的电压-波长关系进行标定，获得光源实时输出波长。

本实用新型基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定装置，该装置包括光纤扫描光源、气室、探测器、数据采集卡和计算机；所述光纤扫描光源由依次布置的宽带光源、隔离器、可调衰减器和光纤法珀滤波器构成；所述宽带光源发出的光经过隔离器和可调衰减器后进入连续电压驱动调谐的光纤法珀滤波器；其中，所述隔离器用于保证光的单向传输以防止来自光纤法珀滤波器的反射光进入所述宽带光源造成器件的损坏；所述可调衰减器用于对宽带光源的输出光功率进行衰减以避免因功率过高损伤光纤法珀滤波器中的高反膜；所述光纤扫描光源输出的窄线宽扫描光在气室中与气体分子相互作用形成气体吸收光谱，所述探测器接收该气体吸收光谱后将其转换为电信号，所述数据采集卡采集所述探测器输出的光电压，经过模数转换后通过USB连接线送入所述计算机进行处理。

进一步讲，所述气室内充有对扫描光源输出光具有吸收作用的高纯气体；或是该高纯气体与氮气的混合气体，混合气体中高纯气体所占体积比至少为30%。