[实用新型]一种基于光纤光栅时域反射技术的光谱仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于光纤光栅时域反射技术的光谱仪，属光纤光栅光谱仪技术领域。 

背景技术

光谱检测广泛的应用在实验室和实际的生产应用中。目前，公知的光谱仪是由棱镜或衍射光栅，同时配合光电探测器等部件构成。目前普遍使用的光栅光谱仪利用棱镜或衍射光栅的色散作用，使得不同波长的谱线在位置上彼此分开，照射到光电探测器上，得到入射光的光谱。可以具有较宽的光谱范围。由于设计中光路的需求，仪器的体积较大，成本较高，同时设计时不能个性化的选择高精度的测量区间，如烟台东方分析仪器有限公司生产的DF-100E直读光谱仪即属于此列。因此迫切的需要一种简单易行的方法来解决上述问题。 

发明内容

为了克服现有的光谱仪所存在的缺陷和不足，本实用新型提供一种基于光纤光栅时域反射技术的光谱仪，该光谱仪不仅能测出被测光的光谱，而且能方便地在设计制作时根据需要个性化的选择高精度的测量区间，同时仪器体积较小，成本低。 

本实用新型的技术方案如下： 

一种基于光纤光栅时域反射技术的光谱仪，包括待测光源、光调制器、2×2光纤耦合器、光纤光栅组、光电探测器、信号整形和放大电路及数据采集和处理装置，其特征在于光调制器位于待测光源的后面，光调制器后面经光纤和2×2光纤耦合器的一个输入端相连接；2×2光纤耦合器的一个输出端经光纤和光纤光栅组相连接，另一个输出端经光纤连接到光电探测器上；2×2光纤耦合器的另一个输入端经光纤连接到光电探测器上；光电探测器输出端连接到信号整形和放大电路，信号整形和放大电路输出端连接到数据采集和处理装置的接口上，由光电探测器送出的电信号经过整形和放大之后传输到数据采集和处理装置上进行信号处理。 

所述的光电探测器是响应时间较短的光电二极管。 

所述的数据采集和处理装置是单片机或是计算机。 

所述的光纤光栅组是由不同中心反射波长的光纤光栅经光纤串连连接而成。 

本实用新型中的光路传输过程为待测光源通过光调制器使得进入光路的是一个光脉冲，光脉冲经过一个2×2的光纤耦合器之后，光分成两路，一路进入到光电探测器中，由数据采集和处理装置采集时间数据；一路进入到光纤光栅组中，不同波长成分的光先后经过经相应的中心反射波长的光纤光栅反射后沿原光路返回，经2×2的光纤耦合器后输出到光电探测器中完成光电信号转换，再经过信号整形和放大电路对信号加以必要的预处理。经过数据采集和处理装置计算不同波长光的返回时间差，同时对照光纤光栅组在光纤中的位置完成待测光源的波长成分的检测。检测波长成分的同时，对不同波长的光成分进行系统的传输损耗修正和探测器响应修正，得出出射光的光强，绘制出完整的光谱图。 

本实用新型的工作原理如下：利用光纤光栅对不同波长的光选择性反射特性，可以制作多组光纤光栅排成光纤光栅组，光纤光栅之间辅以必要的光纤连接，以使得先后反射的光在到达光电探测器时可以分辨，使待测光从光纤光栅组中通过，若光中含有的波长成分符合通过的光纤光栅的中心反射波长，则反射，沿原光路返回，其他波长成分的光继续传播，继而 直到所有符合光纤光栅组中光栅中心反射波长的波长成分的光均被反射从光路返回为止。而每个光纤光栅的位置信息已知，通过记录待测光进入光纤光栅组的时间和反射回的光的时间，得出传播时间差Δt＝t₂-t₁，进而可通过光的传播速度和时间差的关系由以下公式计算出该反射光传播距离L＝c^Δt/₂，再对照光纤光栅组得出具体由哪个光纤光栅反射，进而得出该反射光的波长。同时根据光在光路中传播的损耗情况，对光电探测器接收到的光强进行修正，进而得到按照波长展开的光强分布，即待测光的光谱。光纤光栅最显著的就是其自身的反射效应。我们知道，光纤光栅的中心反射波长可表示为：λ_g＝2n_effΛ。式中，Λ是光栅周期，n_eff是光栅区得有效折射率。而现有的工艺条件下，光纤光栅的中心反射波长带宽可以缩小到0.1nm左右。 

在实际设计时，可以在光纤传输损耗较小的波段1200nm-1600nm之间进行广谱的光谱仪设计，也可以根据实际的需要在该波段内个性化的选择需要高精度测量的区间。 

本实用新型的有益效果是，结构简单合理可行，可以在在测量区间内大幅度提高测量精度，有效的控制光谱仪的仪器体积和成本。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。