[发明专利]基于偏振分析的光谱特性测量方法及其装置

说明书

本申请是以2008年2月4日递交的美国专利申请(申请号为：No.61/025,933。题目为：“基于偏振分析的光谱测量”)作为优先权的申请案，本申请的内容是基于所述美国专利申请的内容。

技术领域

本发明属于光谱分析技术领域，特别涉及光谱测量的方法及装置设计。

背景技术

光已经广泛的应有于各种领域。光谱特性，也就是光的波长或频率等的光谱组成，是光的重要特性之一。比如，光信号的性质随给定光信号的光谱而定；再比如，可以通过分析光信号的光谱来获取某一种装置或某一种材料中的光信息。

分析光谱的技术和装置有很多种。用来测量光谱信号的装置叫做光谱分析仪，它可以从一个光信号中分离出所包含的光波长。可以测量每一个波长上的光功率，同时可以绘制出横轴为光波长纵轴为光功率的曲线关系。光谱分析仪的性能可以用光谱分辨率、光谱范围和测量速率等参量来衡量。

光谱分析仪可以有多种光分析结构来实现其功能。其中主要的结构有以下三种：1)利用空间分光器件-如衍射光栅，来分离光的不同光谱成分；2)利用可调谐窄带滤波器，如法珀腔或可调光纤布拉格光栅，依次选择并一次探测一个光谱成分；3)利用光干涉仪一如迈克尔逊或马赫曾德干涉仪，通过改变两边干涉臂的光程差来测量光的干涉信号，然后对干涉仪的输出进行快速傅里叶变换。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于偏振分析的光谱特性测量方法及其装置，本发明可以用来测量和分析通过不同光延迟线后光信号的偏振态和偏振度(或分析其中之一)，并利用已测得的偏振差分群时延值来测量光的光谱特性(如光的频率特性和频谱特性)。通过改变光的差分群时延可以改变光谱的分辨率和测量光谱范围。在一种方案中，可以使用基于偏振测量和分析技术的方法测量光的光谱，这既不需要使用分光元件空域分解光成分，也不需要利用可调谐滤波器依次分离出每一个光谱成分，或是利用干涉仪来获得干涉花样。

本发明中所描述的一个基于偏振测量与分析的光谱分析仪实施例，主要包括三个组成部分，一是差分群时延器件，其作用是通过改变差分群时延值，在接收到光的两个相互正交偏振模式上产生不同的群时延；二是光探测器，它可以接收经过差分群时延器件的光信号，同时去测量输出光的偏振态和偏振度；三是数据处理器件，通过处理所接收光的偏振态和偏振度信息，来获得所测光的光谱。

一种差分群时延器件的实施例由三个部分组成：一个偏振分束器，它的作用是将所测光的分成两束，第一束光以第一种偏振模式沿第一路径传输；第二束光的偏振模式与第一束光的模式垂直，它沿第二路径传输；一个延时结构，它将第一路径与第二路径的相对光程差进行改变，从而产生差分群时延值；一个偏振合束器，它可以将在第一路径中以第一种偏振态传输的光与在第二路径中以第二种偏振态传输的光合成一束，从而产生一束输出光。

另外一种差分群时延器件的实施例由四部分组成：一个偏振分束器，它的作用是将所测的光分成两束，第一束光以第一种偏振模式沿第一路径传输；第二束光的偏振模式与第一束光的模式垂直，并沿第二路径传输；一个第一法拉第旋转镜位于第一光路中，可以将光反射回偏振分束器；一个第二法拉第旋转镜位于第二光路中，也是将光反射回偏振分束器；一个延时结构，它将改变第一路径与第二路径的相对光程差，从而产生差分群时延值。然后偏振合束器会将在第一路径中以第一种偏振态传输回来的反射光与在第二路径中以第二种偏振态传输回来的反射光合成一束，从而产生一束输出光。

还有一种差分群时延器件的实施例由一系列的可调差分群时延单元级联而成。所测光通过级联的可调差分群时延单元形成的光路输出。每一个可调差分群时延单元都含有三个组成部分：一个偏振旋转装置，它可以根据控制信号来控制接收光的偏振态；一个由双折射材料构成的双折射器件，它接收并传输偏振旋转装置中的光；一个控制元件，它与偏振旋转装置连接并提供控制信号，作用是控制双折射器件接收到的光，使双折射器件对第一种偏振模式产生第一种时延，对与其正交的第二种偏振模式产生第二种时延，从而就利用了双折射单元对输出光产生不同的差分群时延。