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专利名称：光纤型多楔块费索波长计的制作方法
技术领域：
本发明涉及波长测量，特别是一种光纤型多楔块费索波长计，可以便捷、高精度测量激光波长。
背景技术：
费索干涉仪是测量激光波长常用的仪器，參见在先技术[中国专利公开号1077530]。这种技术只采用一个费索楔块获取干涉环，不容易达到高的測量精度。另一方面，普通波长计各光学元件之间的激光传输采用空间耦合技术需要较多的光学元件，參见在先技术[EP0992093]，这样的结构对于光学调谐和对准的难度较大
发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤型多楔块费索波长计，该波长计应具有体积小巧，可精确、高速、便捷地测量激光线宽和中心波长。本发明的技术解决方案如下—种光纤型多楔块费索波长计，其特点在于该波长计由标准激光源、第一光纤率禹合器、熔融石英光纤、第二光纤耦合器、扩束准直镜组、费索干涉仪阵列、CCD阵列和信号处理器组成，上述各部件的位置关系如下所述的费索干涉仪阵列由多个不同厚度的楔角相同的费索楔块组成，标准激光源和待测激光通过第一光纤耦合器进入熔融石英光纤，传输到第二光纤耦合器进行分束，分束后的激光通过扩束准直镜组入射到所述的费索干涉仪阵列对应的费索楔块中，所述的CCD阵列接收到费索干涉条纹并转换成电信号，由信号处理器进行数据处理，根据干涉环间距的精确算出激光中心波长。所述的第一光纤稱合器为1X2低损耗光纤稱合器。所述的第二光纤耦合器为I X2、1X3或1X4低损耗光纤耦合器，与此相对应，所述的费索干涉仪阵列由具有2、3或4个不同厚度而楔角相同的费索楔块排列組成。本发明的技术效果如下I、采用多个费索干涉仪实现波长精确测量。所述的费索干涉仪的楔块倾角相同而厚度不同。利用厚度较薄的费索干渉仪实现波长粗测，利用较厚的费索干涉仪实现波长精测。粗测和精测相结合可实现高速度、高精度的激光中心波长测量，可同时用于脉冲激光和连续激光的中心波长的测量；2、本发明通过熔融石英光纤传导激光，減少了光路中所需的反射镜，有效地降低了光路对准和调节的难度；3、通过光纤耦合器实现与熔融石英光纤方便地熔接，可以有效地降低了波长计空间尺寸。


图I为光纤型多楔块费索波长计的结构示意2为多楔块实现高精度波长测量原理框3为以2个楔块为例波长迭代算法框图
具体实施例方式请參阅图1，图I是本发明的光纤型多楔块费索波长计的结构原理图。主要组成部分有标准激光源I、熔融石英光纤4、第一光纤稱合器3、第二光纤稱合器5、扩束准直镜组6、费索干涉仪阵列7、线性(XD8、信号处理器9。上述各部分的位置关系如下标准激光源I和待测激光2通过第一光纤耦合器3进入熔融石英光纤4，传输到第ニ光纤耦合器4进行分束，分束后的激光通过扩束准直镜组6入射到对应的费索干涉仪阵 列7。线性CCD8接收到费索干涉条纹，并转换成电信号，由信号处理器9进行数据处理，根据等厚干渉环间距的精确算出激光中心波长。利用费索干涉仪测量波长的原理如下激光束经扩束准直后，得到一平行光束，此平行光束进入费索干涉仪。平行光束经费索干涉仪后得到高对比度的等厚干渉条纹，并成像在线阵CCD上。干涉条纹的间距P与波长成正比，对于标准激光源和待测激光，分别有
IIPs ニ K，.pv = ~ —K(Ij其中PS是标准激光源的干涉条纹的间距，Pu是待测激光的干涉条纹的间距，η为楔块的折射率，α为楔块的楔角，λ 3为标准激光波长，λ u为待测激光波长，由式(I)得到待测激光波长K = ~Κ(2)
Λ对于常规的1024像素的CCD，间距ps和pu的測量精度可达到10_4量级[JohnG.Webster, 1999, The Measurement, Instrumentation, and bensors Handbook, cnapter6: laser output measurement, 63-1]。所以有λ「1(Γ4 λ j < λ u < λ flO-4 λ j(3)对于激光测风雷达、光刻激光源等高端应用领域，这样的波长测量精度是不够的。对于成像CCD上任意ー个待测激光条纹，都与楔块上确定的ー个厚度Clu相关，对于待测激光波长Xu和标准激光源Xs，存在以下关系muA u = 2ndu(4)(ms+l/ps) λ s = 2ndu(5)其中mu和ms分别代表标准激光源与待测激光的干涉级次，n为楔块折射率，ps表示标准激光源在CCD上干涉环的间距，I表示标准激光源与待测激光在CCD上该干涉环的最临近间距。由式(4)和(5)有Α—向下面讨论关于测量精度的问题。(6)式中I和Ps为CXD上实测值，通过光学信号低通滤波，同时结合一些数据处理手段可以把l/ps的不确定性最小分辨到O. 01。所以入 的最小分辨率为l/100mu。 在(6)式中，确定待测波长λ u的关键在于精确确定干涉级次mu和ms的值。根据等厚干涉公式,垂直入射时，中心是暗纹时有2nd = πιλ。在一定范围内楔块越厚，中心处的级数m越高，可实现的分辨率也越高。如果只使用单楔块进行波长测量，由于待测波长初始值λ ^精度很低，所以干涉级次m也无法精确确定，难以满足高分辨应用。另外，如果楔块太厚会导致条纹对比度下降，不利于条纹识别和分辨。本发明提出解决这ー问题的途径，利用不同厚度的费索楔块((^〈もくもくも)依次进行波长粗测和精测来提高測量精度。如图2所示，用厚度Cl1楔块测量得到的低精度波长A1作为初值，此波长λ i满足精度ai ;将λ i作为初值结合厚度d2楔块的条纹测量结果，算出波长精测值λ2 (满足精度a2);同理依次迭代，最后得到更高精度的λ3 (满足精度a3)和入4 (满足精度a2)。其中測量相对精度值下面以利用两个费索楔块为例，如图3所示说明利用多个楔块实现高精度波长测量的原理及步骤a、首先用厚度Cl1为I毫米的费索楔块，获得对应CXD上采集的干涉条纹间距I和Ps ；b、并根据干涉环中心处Snd1 = πιλ。(7)其中λ ^为待测波长初始值，确定所对应的干涉级次初值msl和mul，代入(6)式计算得到波长粗测值入10对于I毫米厚的楔块,可见光(以He-Ne激光器632. 8nm为例)的干涉级次m最大为IO3量级。最终测量波长精度可达到1/100πΓ 0_5量级。检验测量值λ i是否满足丨￥丨< 10—5(8)若否，则把A1代入(J)式，重新计算干涉级次mul，并重复步骤b，直到满足A1的值满足(8)式为止。C、判断此时的精度是否已满足测量。若需要更高精度，则以λ i为初值，继续利用更厚楔块进行測量。d、測量(12为10毫米厚楔块的CXD干涉环条纹间距，并以X1为波长初始值，根据公式2nd2 = mA j确定所对应的干涉级次初值初值ms2和Hiu2,据(6)式计算波长值入2。对于厚度(12为10毫米的楔块，其最大干渉级次为IO4量级。所以最終波长测量精度可以达到1/100πΓ 0_6量级。检验此波长精测值λ 2是否满足呼|<10-6(9)若不满足则由数据处理器循环尝试ms2和mu2值，直到确定唯一的整数mu、ms值，计算得出的入2满足(9)式。此时最终确定波长精测值λ 2，作为λ u的測量值。
权利要求
1.一种光纤型多楔块费索波长计，其特征在于该波长计由标准激光源(I)、第一光纤耦合器(3)、熔融石英光纤(4)、第二光纤耦合器(5)、扩束准直镜组(6)、费索干涉仪阵列(7)、CXD阵列(8)和信号处理器(9)组成，上述各部分的位置关系如下 所述的费索干涉仪阵列(7)由多个不同厚度的楔角相同的费索楔块组成，包括多个标准激光源(I)和待测激光(2)通过第一光纤耦合器(3)进入熔融石英光纤(4)，传输到第二光纤耦合器(5)进行分束，分束后的激光通过扩束准直镜组(6)入射到所述的费索干涉仪阵列(7)对应的费索楔块中，所述的CCD阵列(8)接收到费索干涉条纹并转换成电信号，由信号处理器(9)进行数据处理，根据干涉环间距的精确算出激光中心波长。
2.根据权利要求I所述的光纤型多楔块费索波长计，其特征在于所述的第一光纤耦合器(3)为1X2低损耗光纤耦合器。
3.根据权利要求I所述的光纤型多楔块费索波长计，其特征在于所述的第二光纤耦合器(5)为1X2、1X3或1X4低损耗光纤耦合器，与此相对应，所述的费索干涉仪阵列(7)由具有2、3或4个不同厚度而楔角相同的费索楔块排列組成。
全文摘要
一种光纤型多楔块费索波长计，由标准激光源、熔融石英光纤、光纤耦合器、扩束准直镜组、费索干涉仪阵列、CCD阵列和信号处理器组成。本发明多个不同厚度的费索楔块组合使用，分别实现波长粗测和精测从而提高波长计的分辨率。并采用熔融石英光纤和光纤耦合器分束有效降低了波长计的空间尺寸和复杂性；本发明涉及的波长计结构紧凑，可精确、高速、便捷地测量连续激光和脉冲激光的中心波长。
文档编号G01J9/02GK102706462SQ20121019343
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者何兵, 周军, 张海波, 杜松涛, 楼祺洪, 漆云凤, 袁志军, 魏运荣 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所