[发明专利]一种宽谱光源光谱分布函数和自相关函数的测量与构造方法

说明书

技术领域

本发明属于白光干涉光学测量技术领域,具体涉及一种宽谱光源光谱分布函数和自相关函数的测量与构造方法。

背景技术

在白光干涉测量系统中，光源的波长、带宽、功率、稳定性是在选用光源时的四项需要考虑的主要因素。

光源的中心波长的选择取决于系统的应用对象，例如，所构造的系统用于对波导器件进行评估与检测时，所对应的波长应与该波导的工作波长对应。比如说，工作于中心波长为1310nm或1550nm的光纤陀螺系统元器件的测量与评价；而对于光学层析相干成像(OCT)系统而言，探测深度受到物质对光波的吸收和散射性质的限制。物质的吸收和散射特性会导致光信号的衰减，物质对不同波长的光的吸收和散射程度是不同的，与所用光源的波长关系紧密。

带宽取决于光源功率谱的形状或分布，因为系统测量的分辨率依赖于光源的带宽，对于白光干涉系统具有特别重要的意义。这也是单色光的干涉和宽谱光干涉的重要区别所在。在白光干涉系统中，一方面，所用的宽谱光源的各个单色光自身之间会相互干涉，并对最终的干涉光强产生叠加贡献；另一方面，不同的单色光之间也彼此相互影响，从而导致由关联感生的光谱改变，两方面作用的综合效果，使得相干长度变短，干涉条纹的区域非常有限，这样的特性恰好可由光源功率谱的傅里叶变换给出：

G(τ)＝∫|E(t)+E(t+τ)|²dω       (1)

＝∫P(ω)e^iωτdω+<E(t)^*·E(t+τ)>

其中τ是两光波的延迟。式中<E(t)^*·E(t+τ)>为光源的自相关函数，这个关系提供了一个对非单色光谱分布的简单理解。此外，由光源功率谱形状所导致的特殊干涉条纹分布，可以用来作为独特的标识来确定双光束的零光程差相位，从而实现高精度的测量。

光源功率谱的特殊形状或分布对于白光干涉系统而言十分重要。因为白光干涉测量系统的特点是具有较大的动态测量范围和较高的分辨率，所以实际上多数研究领域都要求光源不仅具有较大的光谱宽度，而且还应具有很好边带衰减形状的点扩展函数。

例如，对于典型的ELD光源，通常都具有近似于Gaussian光谱强度的分布。这种分布可以用下述函数来描述[Libo Yuan,White light interferometric fiber-optic strain sensor with three-peak-wavelength broadband LED source,Appl.Opt.,36,6246-6250,1997]

G(λ)=G02πσk2exp[-(k-k0)22σk2]---(2)]]>

这里k＝2π/λ，λ₀对应的中心波长。G₀是对应于波长在λ₀处的光谱强度。σ_k为光谱分布参数。定义光谱半宽Δλ为光源的3dB峰值全宽度对应的波长带宽，如图1所示。该光源所对应的相干长度与光谱半宽和中心波长相关，可表示为