一种全光纤激光波长检测装置和方法

1.本发明涉及激光波长测量技术领域，具体涉及一种全光纤激光波长检测装置和方法。


背景技术：

2.随着激光器的诞生，以激光为基础的测量技术开始在计量学、信息科学、通信、天文等领域占有越来越重要的地位。激光波长作为测量基准值，已经被广泛应用于位移、平面度、粗糙度、振动、重力加速度、垂直度等的测量，是精密加工、精密机械制造和微电子领域的重要参数。因此，精确地测量激光波长不仅可以保证激光测量的准确性，更是量值溯源的关键技术。
3.现有的主流激光波长测量方法一般采用光程差为十几厘米的迈克尔逊干涉仪或斐索干涉仪达成。这类方法的测量精度较高，但由于激光需要经过空间传输，因此容易受到环境的干扰，且激光在传输过程中需要经过多种光学元件调谐如分光镜、反射镜等，这对各个光学元件的光洁度以及元件之间的位置及角度的调节精度提出了更高的要求，也导致整个系统的抗振能力差、抗污染水平低。
4.因此，需要设计一种新的激光波长测量装置和方法，用来解决现有的激光波长测量中存在的调光难度高、抗干扰性能弱的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种全光纤激光波长检测装置和方法，用以解决现有的激光波长测量装置存在的调光难度高、抗振性能弱、抗环境污染能力差的问题。
6.为了解决上述问题，本发明提供一种全光纤激光波长检测装置，包括：参考光发生器、待测光输入单元、第一耦合器、光程调节单元、参考臂光纤、干涉臂光纤、第二耦合器、带阻单元、带通单元和信号处理单元；
7.所述参考光发生器用于产生参考激光；
8.所述待测光输入单元用于获取待测激光；
9.所述第一耦合器用于将所述参考激光和所述待测激光分别分束到所述参考臂光纤和干涉臂光纤中，得到参考臂信号和干涉臂信号；所述参考臂光纤与所述干涉臂光纤相互匹配；
10.所述光程调节单元用于使所述参考臂信号和干涉臂信号产生预设的光程差；
11.所述第二耦合器用于接收所述参考臂信号和干涉臂信号形成的混合光信号，将所述混合光信号输入到所述带阻单元和带通单元中；
12.所述带阻单元用于对所述混合光信号进行带阻滤波，得到待测激光干涉光信号；
13.所述带通单元用于对所述混合光信号进行带通滤波，得到参考激光干涉光信号；
14.所述信号处理单元用于对所述待测激光干涉光信号和参考激光干涉光信号进行光电转换，得到待测激光检测信号和参考激光干涉检测信号，并根据所述参考激光检测信
号和待测激光检测信号确定所述待测激光的波长。
15.进一步的，所述信号处理单元包括光电转换模块、模数转换模块和数据分析模块；
16.所述光电转换模块，用于将所述待测激光干涉光信号和参考激光干涉光信号分别转换为待测激光检测信号和参考激光干涉检测信号；
17.所述模数转换模块，用于对所述待测激光检测信号和参考激光干涉检测信号进行模拟信号到数字信号的转换；
18.所述数据分析模块，用于完成对转换为数字信号的待测激光检测信号和参考激光干涉检测信号进行采集和分析，确定所述待测激光的波长。
19.进一步的，所述参考光发生器为氦氖激光发生器。
20.进一步的，所述第一耦合器和第二耦合器均为2*2光纤耦合器。
21.进一步的，所述光程调节单元包括压电陶瓷、压电驱动模块和电压控制模块；所述干涉臂光纤绕设在所述压电陶瓷上；
22.所述电压控制模块用于向所述压电驱动模块发送驱动信号；
23.所述压电驱动模块用于根据所述驱动信号对所述压电陶瓷进行驱动控制；
24.所述压电陶瓷用于在所述压电驱动模块的控制下产生直径变化，使所述参考臂信号和干涉臂信号产生预设的光程差。
25.进一步的，所述带阻单元包括带阻滤光片；
26.所述带阻滤光片用于对所述混合光信号中所述参考光的干涉光信号进行滤除，得到所述待测激光干涉光信号。
27.进一步的，所述带通单元包括带通滤光片；
28.所述带通滤光片用于在所述混合光信号中分离出所述参考光的干涉光信号，得到所述参考激光干涉光信号。
29.进一步的，参考臂光纤和干涉臂光纤采用单模光纤或空芯光纤。
30.进一步的，所述数据分析模块包括fpga处理器。
31.本发明还提供一种全光纤激光波长检测方法，采用上述任一技术方案所述的全光纤激光波长检测装置，包括：
32.通过所述参考光发生器产生参考激光，通过所述待测光输入单元获取待测激光；
33.通过所述第一耦合器将所述参考激光和所述待测激光分别分束到所述参考臂光纤和干涉臂光纤中，得到参考臂信号和干涉臂信号；所述光程调节单元使所述参考臂信号和干涉臂信号产生预设的光程差；
34.通过第二耦合器接收所述参考臂信号和干涉臂信号形成的混合光信号，将所述混合光信号输入到所述带阻单元和带通单元中；通过所述带阻单元和所述带通单元分别对所述混合光信号进行带阻滤波和带通滤波，得到待测激光干涉光信号和参考激光干涉光信号；
35.通过所述信号处理单元对所述待测激光干涉光信号和参考激光干涉光信号进行光电转换，得到待测激光检测信号和参考激光干涉检测信号，并根据所述参考激光检测信号和待测激光检测信号确定所述待测激光的波长。
36.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：首先，通过参考光发生器产生参考激光，并通过待测光输入单元获取待测激光；其次，利用参考臂光纤和干涉臂光纤得到参考臂
信号和干涉臂信号；再次，对参考臂信号和干涉臂信号形成的混合光信号进行带通滤波和带阻滤波，得到待测激光干涉光信号和参考激光干涉光信号；最后，对待测激光干涉光信号和参考激光干涉光信号进行光电转换，并根据参考激光检测信号和待测激光检测信号确定所述待测激光的波长。本发明的装置中，参考光和待测光均在光纤中完成传输，将干涉光的产生环境转移到光纤内部，避免了外界环境对光路的干扰；利用光纤进行干涉光路的搭建，极大的简化了光路调节的复杂度，省去了传统光波长计中的反射镜、分光镜等部件的同时，也优化了传统光路搭建时需要考虑各元件位置、角度等因素的繁琐调节过程；装置的构成更加模块化，且光纤的种类可根据具体的测量要求进行调整与更换，能够满足对不同类型激光的检测需求。
附图说明
37.图1为本发明提供的一种全光纤激光波长检测装置一实施例的结构示意图；
38.图2为本发明提供的信号处理单元一实施例的结构示意图；
39.图3为本发明提供的光程调节单元一实施例的结构示意图；
40.图4为本发明提供的一种全光纤激光波长检测装置另一实施例的结构示意图；
41.图5为本发明提供的一种全光纤激光波长检测方法一实施例的流程示意图。
具体实施方式
42.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
43.在实施例描述之前，首先对激光波长测量的现状和本发明的设计构思进行说明。
44.现有的技术中，对于激光波长的测量通常是采用迈克尔逊干涉仪或斐索干涉仪，这类方法需要经过空间传输，因此容易受到环境的干扰，整个系统的抗振能力差、抗污染水平低。
45.为了提高波长测量过程的抗干扰能力，省去繁琐的调光过程，简化干涉光路，本发明通过全光纤传输的方式，将干涉光的产生环境转移到光纤内部，避免外界环境对光路的干扰、简化光路调节的复杂度。
46.本发明实施例提供了一种全光纤激光波长检测装置，如图1所示，图1是所述全光纤激光波长检测装置100的结构图，包括：参考光发生器101、待测光输入单元102、第一耦合器103、光程调节单元104、参考臂光纤106、干涉臂光纤105、第二耦合器107、带阻单元109、带通单元108和信号处理单元110；
47.所述参考光发生器101用于产生参考激光；
48.所述待测光输入单元102用于获取待测激光；
49.所述第一耦合器103用于将所述参考激光和所述待测激光分别分束到所述参考臂光纤106和干涉臂光纤105中，得到参考臂信号和干涉臂信号；所述参考臂光纤106与所述干涉臂光纤105相互匹配；
50.所述光程调节单元104用于使所述参考臂信号和干涉臂信号产生预设的光程差；
51.所述第二耦合器107用于接收所述参考臂信号和干涉臂信号形成的混合光信号，将所述混合光信号输入到所述带阻单元109和带通单元108中；
52.所述带阻单元109用于对所述混合光信号进行带阻滤波，得到待测激光干涉光信号；
53.所述带通单元108用于对所述混合光信号进行带通滤波，得到参考激光干涉光信号；
54.所述信号处理单元110用于对所述待测激光干涉光信号和参考激光干涉光信号进行光电转换，得到待测激光检测信号和参考激光干涉检测信号，并根据所述参考激光检测信号和待测激光检测信号确定所述待测激光的波长。
55.作为优选的实施例，如图2所示，所述信号处理单元110包括光电转换模块201、模数转换模块202和数据分析模块203；
56.所述光电转换模块201，用于将所述待测激光干涉光信号和参考激光干涉光信号分别转换为待测激光检测信号和参考激光干涉检测信号；
57.所述模数转换模块202，用于对所述待测激光检测信号和参考激光干涉检测信号进行模拟信号到数字信号的转换；
58.所述数据分析模块203，用于完成对转换为数字信号的待测激光检测信号和参考激光干涉检测信号进行采集和分析，确定所述待测激光的波长。
59.由于氦氖激光器制造方便、成本低、可靠性高，作为优选的实施例，所述参考光发生器101为氦氖激光发生器。
60.具体的，所述氦氖激光发生器产生的参考激光的波长为632.8nm。
61.作为优选的实施例，所述第一耦合器103和第二耦合器107均为2*2光纤耦合器。
62.作为一个具体的实施例，所述2*2光纤耦合器分光比可根据待测激光的强度和实际需求进行调整。当参考激光和待测激光强度没有明显差异时，通常选用50:50作为分光比，将参考激光和待测激光等分到两路光纤中，得到参考臂信号和干涉臂信号。
63.作为优选的实施例，如图3所示，所述光程调节单元104包括压电陶瓷301、压电驱动模块302和电压控制模块303；所述干涉臂光纤105绕设在所述压电陶瓷301上；
64.所述电压控制模块303用于向所述压电驱动模块302发送驱动信号；
65.所述压电驱动模块302用于根据所述驱动信号对所述压电陶瓷301进行驱动控制；
66.所述压电陶瓷301用于在所述压电驱动模块302的控制下产生直径变化，使所述参考臂信号和干涉臂信号产生预设的光程差。
67.作为优选的实施例，参考臂光纤和干涉臂光纤采用单模光纤或空芯光纤。
68.作为一个具体的实施例，所述干涉臂光纤105和参考臂光纤106可采用单模光纤；也可根据需求调整为空芯光纤，以减少被测激光的传输损耗。一般情况下，当被测激光的波长越短时，选用传输损耗越小的光纤，为后续的波长检测提供更准确的原始数据。
69.由于被测光多为工业上使用的激光，波长范围通常在600nm-1600nm之间，为了更好地获得被测激光的干涉光谱，作为一个具体的实施例，所述预设的光程差为20cm。
70.作为一个具体的实施例，所述干涉臂光纤105在所述压电陶瓷301上缠绕的圈数应与压电陶瓷301的尺寸大小、膨胀性能匹配，从而使压电陶瓷301受驱动膨胀后光程差能控制在预设的光程差，即20cm左右。
71.作为优选的实施例，所述带阻单元109包括带阻滤光片；
72.所述带阻滤光片用于对所述混合光信号中所述参考光的干涉光信号进行滤除，得
到所述待测激光干涉光信号。
73.作为优选的实施例，所述带通单元108包括带通滤光片；
74.所述带通滤光片用于在所述混合光信号中分离出所述参考光的干涉光信号，得到所述参考激光干涉光信号。
75.作为优选的实施例，所述数据分析模块203包括fpga处理器。
76.下面通过一个包含具体器件的实施例对上述的全光纤激光波长检测装置进行说明。
77.作为一个具体的实施例，如图4所示，所述全光纤激光波长检测装置包括氦氖激光光源、待测激光输入单元、第一光纤耦合器、压电陶瓷、压电陶瓷驱动器、参考臂光纤、干涉臂光纤、第二光纤耦合器、带通滤光片、带阻滤光片、第一光电探测器、第二光电探测器、模数转换模块、fpga模块以及分析模块。
78.所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均为分光比为50:50的2*2光纤耦合器。
79.所述干涉臂光纤缠绕在压电陶瓷上，静态条件下，干涉臂光纤与参考臂光纤长度相等且相互匹配。
80.压电陶瓷在压电陶瓷驱动器施加的电压后产生微形变，从而可控地改变缠绕在压电陶瓷上的光纤的长度及折射率，陶瓷驱动器施加的电压大小和时间长度由fpga模块来控制。
81.当压电陶瓷在压电陶瓷驱动器的控制下发生周期性膨胀时，干涉臂信号与参考臂信号之间产生20cm左右的光程差，从而使参考光与待测光产生相同光程差条件下的干涉谱。
82.干涉光谱通过第二光纤耦合器均分为两路，第二光纤耦合器有两个出口，两个出口输出的都是参考激光干涉谱和待测激光干涉谱的混合光谱。
83.混合光谱经过带阻滤光片，将参考光的干涉光谱进行滤除，得到所述待测激光干涉光信号；混合光谱经过带通滤光片，在混合光谱中分离出所述参考光的干涉光谱，得到所述参考激光干涉光信号。
84.待测激光干涉光信号和参考激光干涉光信号分别经过第一光电探测器和光电探测器被转化为电信号，由模数转换模块转换为数字信号后经fpga模块完成数据的存储与传输。
85.所述分析模块通过分析参考光与待测光在同一光程差之下的干涉信号数据，对两个干涉谱的条纹级数进行分析，根据已知参考光的波长值，解调出待测激光的波长信息。
86.具体的，根据参考光的波长值解调待测激光波长信息的方法为：
87.采用条纹级数法，假设参考光束的波长为λ0，测得参考光和被测光束干涉条纹数分别为m0和m，则被测光束的波长为λ＝m0λ0/m。
88.本实施例还提供了一种全光纤激光波长检测方法，采用上述技术方案任一所述的全光纤激光波长检测装置，如图5所示，所述方法包括：
89.步骤s101：通过所述参考光发生器产生参考激光，通过所述待测光输入单元获取待测激光；
90.步骤s102：通过所述第一耦合器将所述参考激光和所述待测激光分别分束到所述参考臂光纤和干涉臂光纤中，得到参考臂信号和干涉臂信号；所述光程调节单元使所述参
考臂信号和干涉臂信号产生预设的光程差；
91.步骤s103：通过第二耦合器接收所述参考臂信号和干涉臂信号形成的混合光信号，将所述混合光信号输入到所述带阻单元和带通单元中；通过所述带阻单元和所述带通单元分别对所述混合光信号进行带阻滤波和带通滤波，得到待测激光干涉光信号和参考激光干涉光信号；
92.步骤s104：通过所述信号处理单元对所述待测激光干涉光信号和参考激光干涉光信号进行光电转换，得到待测激光检测信号和参考激光干涉检测信号，并根据所述参考激光检测信号和待测激光检测信号确定所述待测激光的波长。
93.本发明公开的一种全光纤激光波长检测装置和方法，首先，通过参考光发生器产生参考激光，并通过待测光输入单元获取待测激光；其次，利用参考臂光纤和干涉臂光纤得到参考臂信号和干涉臂信号；再次，对参考臂信号和干涉臂信号形成的混合光信号进行带通滤波和带阻滤波，得到待测激光干涉光信号和参考激光干涉光信号；最后，对待测激光干涉光信号和参考激光干涉光信号进行光电转换，并根据参考激光检测信号和待测激光检测信号确定所述待测激光的波长。
94.本发明的装置中，参考光和待测光均在光纤中完成传输，将干涉光的产生环境转移到光纤内部，避免了外界环境对光路的干扰；利用光纤进行干涉光路的搭建，极大的简化了光路调节的复杂度，省去了传统光波长计中的反射镜、分光镜等部件的同时，也优化了传统光路搭建时需要考虑各元件位置、角度等因素的繁琐调节过程；装置的构成更加模块化，且光纤的种类可根据具体的测量要求进行调整与更换，能够满足对不同类型激光的检测需求。
95.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。