[发明专利]一种利用波导全息光栅探测光谱的系统和方法

说明书

本发明涉及一种探测光谱的系统和方法，特别是一种利用波导全息光栅探测光谱的系统和方法。

当今与未来的光纤传感器、光纤通信、光谱分析、激光锁模技术等的研究与应用中，常常需要对光信号光谱(或光波长)作实时检测与分析。在通常的光谱探测方法中，棱镜分光光谱探测的光谱分辨率低；光栅分光光谱探测结构复杂、造价高、体积大，特别是要求光谱范围大、分辨率高的情况下更是如此；调谐法布里-珀罗腔干涉法探测光谱法(美国Newport公司生产这类产品)分辨率高，但可探测波长范围非常窄，价格昂贵；1999年美国弗吉尼亚洲NASA Langley研究中心的Mark.Froggat等人提出了一种全光纤的Fourier变换光谱仪。其基本思想是将布喇格光纤光栅用作分光元件，光栅附近前、后向传输耦合输出光的方向同光纤光栅结构参数和波长有一定的关系，通过测量光栅包层附近的干涉条纹，经Fourier光谱分析达到测量光谱的目的。这种光纤光栅光谱仪具有结构简单、造价低、体积小、光谱分辨率高等优点，缺点是测量波长范围小。

本发明的目的是提供一种利用波导全息光栅探测光谱的系统和方法，设计一种光谱分辨率高，波长探测范围宽，结构灵巧的波导全息光栅分光装置，结合线阵CCD探测器，并利用计算机通过傅里叶反变换得到待测光谱，充分克服现有技术的不足。

本发明的实现：下面结合附图做进一步的描述。

附图1、波导光栅傅里叶变换光谱探测原理图。

附图2、波导结构图。

附图3、波导中写入全息光栅实施例1示意图。

附图4、波导中写入全息光栅实施例2示意图。

如附图1所示，制作有波导条(3)的基质(8)上部设置有与计算机(7)相连接的线阵CCD探测器(6)，基质(8)上的波导条(3)的前端设置有自聚焦透镜(2)和光纤(1)或在波导条(3)的前上端设置有金红石棱镜和光纤(1)，在波导条(3)的后端设置有反射膜(5)。光波导是在具有光折变效应的晶体(或其它具有实时记录全息光栅的材料)基质(8)上采用钛扩散或离子交换(或其它方法)制作的条形波导(3)。利用双光束干涉可在该波导(3)中实时记录全息光栅(4)或用单光束擦除全息光栅(4)。此波导全息光栅作分光元件。波导的左端通过光纤(1)、自聚焦透镜(2)或波导左边上方通过金红石棱镜将被探测光谱耦合到波导(3)中。波导(3)的右端镀有高反射率膜(5)。被探测光沿波导方向传播，经反射膜(5)后反向传输，全息光栅(4)附近前、后向传输耦合输出光的方向同波导光栅结构参数和波长有一定的函数关系，即sinα＝n_eff-λ/Λ，(α是耦合输出光同垂直于光栅矢量方向的夹角，n_eff是波导介质的有效折射率，λ是输入光的波长，Λ是光栅周期)。传输耦合输出光在光栅附近形成干涉条纹，其强度分布为，(γ是条纹反衬度)。条纹周期与α有关即与波长λ有关。这样就将待测光谱转换成波导光栅(4)附近可用线阵CCD探测器(6)探测到的干涉图样。通过线阵CCD探测器(6)测量这些干涉条纹，光谱由所测条纹光强减去直流成份的傅里叶变换给出 I ( λ ) = | ∫ - ∞ ∞ [ I ( z ) - I 0 ] exp ( iK z Z ) dz | , ]]>经计算机快速傅里叶(Fourier)反变换和光谱分析达到测量光谱的目的。对于波导(3)中一定周期Λ的光栅，在保证测量精度的条件下，器件具有一定的波长测量范围，为了扩展波长测量范围，可擦除原来的光栅，重新写入不同周期的光栅，改变可探测波段的波长中心，达到扩展光谱探测范围。如附图2所示，光波导基质(8)材料采用具有光折变效应的晶体(如铌酸锂LiNbO₃)或其它具有实时记录全息光栅的材料。采用钛(Ti)扩散或离子交换或其它方法制作的条形波导(3)。波导(3)的一端镀有高反射率的介质膜(5)。