專利名稱：基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀，屬于高分辨率光學(xué)頻譜測(cè)量分析領(lǐng)域。具體是利用波動(dòng)光學(xué)中雙光束拍頻技術(shù)，通過控制電動(dòng)偏振控制器使已知頻率和振幅的掃描激光器輸出光分別處于正交的兩偏振態(tài)，并依次與待測(cè)信號(hào)光(SUT)發(fā)生相干拍頻，所得拍頻信號(hào)與太赫茲光源輸出光進(jìn)行耦合拍頻，由此得到THz探測(cè)器(THz-D)能夠響應(yīng)的較低頻率的拍頻信號(hào)，并利用THz-D將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此電信號(hào)緊接著在測(cè)量與控制單元中進(jìn)行濾波放大以及傅立葉變換等運(yùn)算處理，并將處理所得的SUT頻譜輸出到圖形化用戶接口單元。
背景技術(shù)：
基于波動(dòng)光學(xué)理論，光是頻率處于幾百太赫茲( IO14Hz頻率范圍)的電磁波，并遵循波的干涉和衍射等基本現(xiàn)象。波動(dòng)光學(xué)中，當(dāng)角頻率為ω 和ω2的兩束光波(ω ^ ω2)在同一光路中傳輸時(shí)，在光路另一端所得到的輸出光波中，除了已知的兩頻率ω 和ω2之外，還存在其他一些差頻以及和頻的頻率，例如頻率|ω1-ω2|，ω1+ω2，2Χ ω1，2Χ ω 2等等，這種現(xiàn)象稱之為拍頻。上述這些頻率，大部分都與光頻處于同一量級(jí)，都處于目前光電探測(cè)器的頻率響應(yīng)范圍之外。通常只有頻率I ω1-ω2|可能處于高帶寬光電探測(cè)器的頻率響應(yīng)范圍內(nèi)，這個(gè)頻率成分稱之為光差頻。基于光差頻基礎(chǔ)衍生出了很多的光譜探測(cè)技術(shù)。

美國專利US7466929提出了包含兩級(jí)轉(zhuǎn)換單元的超外差光學(xué)信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)，其首先使用光學(xué)外差來生成中頻(IF)信號(hào)并在第二轉(zhuǎn)換單元中外差處理所生成中頻信號(hào)完成光頻譜的測(cè)量。本發(fā)明中，我們提出基于兩次正交偏振態(tài)和太赫茲技術(shù)的偏振不敏感高精度光譜探測(cè)技術(shù)。掃描激光器發(fā)出的光先與被測(cè)光拍頻，其中處于太赫茲波段范圍的光差頻信號(hào)將用太赫茲技術(shù)來探測(cè)。太赫茲波定義為頻率在0.ΙΤΗζ-ΙΟΤΗζ (其中ITHz =IXlO12Hz)范圍的電磁波?？梢钥闯鎏掌澆ǖ念l率比光頻率小兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)。目前光電探測(cè)器的最大響應(yīng)頻率約為幾十GHz (其中IGHz = I X IO9Hz)，小于太赫茲波頻率兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)。為了探測(cè)太赫茲波的拍頻信號(hào)，本發(fā)明大量使用商用太赫茲器件，如太赫茲波帶通濾波器，以及太赫茲波生成器和太赫茲波耦合器。然而太赫茲探測(cè)器是譜線響應(yīng)波段處于太赫茲頻率范圍而其頻率響應(yīng)范圍卻很小的器件，因此處于太赫茲頻段的角頻率為ω I和ω2的兩束光，其自身頻率ω1、ω2、以及和頻及倍頻ω 1+ω 2、2Χ ω 1、2Χ ω 2處于探測(cè)器的譜線響應(yīng)波段但不是頻率響應(yīng)范圍之內(nèi)。本發(fā)明突出特點(diǎn)是:(I)使用電動(dòng)偏振控制器來調(diào)節(jié)掃描激光器輸出光的偏振態(tài)使得測(cè)量結(jié)果與偏振態(tài)無關(guān)。(2)所使用的太赫茲光源與連續(xù)可調(diào)諧激光器都是連續(xù)可調(diào)諧的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀，屬于高分辨率光學(xué)頻譜測(cè)量分析領(lǐng)域。具體實(shí)現(xiàn)為:首先掃描激光器輸出光與待測(cè)信號(hào)光的拍頻來生成太赫茲波，此太赫茲波隨后與太赫茲光源的輸出光進(jìn)行差頻得到較低頻率信號(hào)，隨后改變掃描激光器輸出光偏振態(tài)再次進(jìn)行上述測(cè)量并處理兩次所得電信號(hào)從而完整重構(gòu)出待測(cè)信號(hào)光頻譜。本發(fā)明提出使用間接方法來測(cè)量光的頻率。其基本原理就是利用拍頻法來獲得兩束光頻率的差值，如果其中一束光的頻率已知就可以推算出待測(cè)光的頻率或波長。使用拍頻法測(cè)光頻率時(shí)，已知掃描激光器(TLS)的輸出功率和波長(或者角頻率ω I)，由得到的頻率差值I ω1-ω2|，可以得出待測(cè)信號(hào)光(SUT)的頻率ω2= ω1±| ω1-ω2|。為了確定ω 和ω 2的大小,使用波分復(fù)用器來稱合待測(cè)信號(hào)光和掃描激光器輸出光,且使得SUT所在頻率范圍值ω 2大于TLS輸出光頻率范圍值ω I。另外在TLS掃描過程中始終保持ω I絕對(duì)小于ω2。此時(shí)，SUT頻率ω2 = ω 1+ ω 1-ω 2 |，由此可以根據(jù)TLS輸出光頻率ω I和差頻值I ω 1-ω 2 I來唯一確定SUT頻率值ω 2。在實(shí)際測(cè)量中，SUT信號(hào)并不是由單一頻率組成而是有一段頻率組分。為了實(shí)現(xiàn)掃描過程中不會(huì)出現(xiàn)TLS輸出光頻率ω 大于或者等于ω 2的情況，必須保證TLS輸出光的掃描頻率最大值ω Imax絕對(duì)小于SUT信號(hào)光的最小頻率值《2min，為滿足要求，需要I o2min-colmax|彡10納米。在1550nm波長附近，IOnm波長變化相應(yīng)于1.25THz頻率變化，此頻率處于太赫茲波頻段。實(shí)際操作過程中，當(dāng)前發(fā)生拍頻作用的SUT信號(hào)光頻率組份ω2η 比當(dāng)前TLS輸出光頻率ω 1_要大40nm——60nm,即在1550nm波長附近，頻率差值大約為5THz——STHz0通過使用太赫茲帶通濾波器可以得到想要的兩相互作用光束的差頻信號(hào)I ω1η -ω2」并濾除其他頻率光信號(hào)，例如TLS輸出光，SUT信號(hào)光。經(jīng)濾波得到的差頻信號(hào)|ω1-ω2|Η1 與太赫茲光源產(chǎn)生的輸出光信號(hào)(其頻率為ω 3)在太赫茲I禹合器中混頻，由上述拍頻原理，太赫茲I禹合器輸出端的彳目號(hào)中含有以下頻率組份:ω3，I ω 1-ω 2 Ifilter, | ω 3- ω 1-ω 2 | filter |，2 X ω 3，以及 2 X | ω 1-ω 2 Ifilter等。上述耦合器的輸出端與THz探測(cè)器(THz-D)相連接。由上述原理可知，只有太赫茲波的差頻I ω3_| ω 1-ω 2 Ifilter處于THz探測(cè)器的頻率響應(yīng)范圍。而其它頻率都處于太赫茲頻段，最終在THz探測(cè)器的輸出電信號(hào)中只存在太赫茲波差頻項(xiàng)I ω3_| col-co2|filte|的頻域信息。其它頻率在THz探測(cè)器的光敏面上將形成恒定光強(qiáng)并在輸出端形成直流電壓輸出。綜上所述，THz探測(cè)器的輸出電壓為帶有偏置的時(shí)域變化信號(hào)。另外，上述 太赫茲光源的頻率ω3不是固定不變的，而是連續(xù)調(diào)諧的。通過在特定頻率范圍內(nèi)連續(xù)掃描太赫茲光源的頻率，使得上述THz探測(cè)器能夠響應(yīng)差頻I ω3_| ω 1-ω 2 Ifilter I。當(dāng)通過上述光束拍頻技術(shù)以及太赫茲差頻技術(shù)得到的待測(cè)信號(hào)光(SUT)的頻率分布后，還需要知道相應(yīng)頻率值處所對(duì)應(yīng)的功率值，由此即可重構(gòu)出SUT的頻譜圖。下面說明的是本發(fā)明中確定各頻率值處對(duì)應(yīng)功率值的原理及實(shí)現(xiàn)。在波動(dòng)光學(xué)中，我們知道光依據(jù)偏振態(tài)的不同，可以分為自然光(完全非偏振)，部分偏振光和偏振光(完全偏振)三種類型。而雙光束拍頻技術(shù)屬于頻差干涉領(lǐng)域。因此雙光束拍頻也需要滿足干涉原理。光束干涉三原則之一:存在相互平行的偏振分量。自然光和部分偏振光與任意類型的偏振光都存在相互平行的偏振分量，因此我們連續(xù)在相互正交的兩偏振態(tài)條件下分別進(jìn)行同一待測(cè)信號(hào)測(cè)量，然后將兩次測(cè)量所得的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理分別得到各自的待測(cè)信號(hào)分量。最后將兩次測(cè)得的待測(cè)信號(hào)進(jìn)行矢量合成等操作，進(jìn)而得到最終真實(shí)的待測(cè)信號(hào)頻譜分布圖。另外，對(duì)于偏振光來說，特別是線偏振光，如果沒有采用兩次相互正交的TLS輸出光進(jìn)行掃描，有可能出現(xiàn)待測(cè)的線偏振光的偏振態(tài)與TLS輸出光的偏振態(tài)相互正交，因而沒有相互平行的偏振分量存在，此時(shí)頻差干涉不能發(fā)生，光束拍頻技術(shù)失去作用。如在圖4中所示的情況，其中矢量Tl，SI和S2分別為笛卡爾坐標(biāo)系中三線偏振光的場強(qiáng)偏振方向。Tl代表TLS輸出光的偏振方向，而SI和S2分別代表待測(cè)信號(hào)光兩種可能的偏振方向，且Tl與SI之間的夾角(Θ 2)為90度，彼此正交；然而Tl與S2之間的夾角(Θ I)為55度。由于Tl與SI之間沒有相互平行的偏振分量，因此其不會(huì)發(fā)生頻差干涉進(jìn)而不能發(fā)生光束拍頻；但是，Tl和S2之間存在相互平行偏振分量，因此可以發(fā)生光束拍頻。本發(fā)明除了上述說明的雙光束拍頻技術(shù)測(cè)量頻率的創(chuàng)新之外還創(chuàng)新在使用電控偏振控制器來改變TLS輸出光的偏振態(tài)，由此可以對(duì)任何偏振光進(jìn)行探測(cè)。已知任何偏振光都可以分解為相互正交的兩偏振態(tài)的矢量合成，所以使用上述創(chuàng)新就可以避免在單次測(cè)量中無相互平行偏振分量存在的可能性進(jìn)而對(duì)任意偏振態(tài)的SUT都能準(zhǔn)確測(cè)量；此外也是最重要的是，上述調(diào)節(jié)偏振態(tài)的方法也使得對(duì)于偏振SUT光的測(cè)量更加精確。因?yàn)樵趩未螠y(cè)量中，如果TLS輸出光的偏振態(tài)不是和SUT光的偏振態(tài)完全一致(即偏振態(tài)相互平行)的話，對(duì)此SUT光功率的測(cè)量將偏小而不準(zhǔn)確。而使用本發(fā)明中方法會(huì)消除此情況，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的偏振SUT光的功率值分布情況。而此消除偏振態(tài)對(duì)測(cè)量功率準(zhǔn)確度，甚至是精度影響的方法就是偏振不敏感技術(shù)。在測(cè)量過程中，使用脈沖信號(hào)的上升沿來觸發(fā)TLS掃描過程，太赫茲光源掃描過程和太赫茲探測(cè)器的輸出電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集過程使其保持同步。經(jīng)過嚴(yán)格同步觸發(fā)后的所得到的頻率值和功率值，經(jīng)過后續(xù)軟件程序運(yùn)算處理后可得到其對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而將頻率值與對(duì)應(yīng)的功率值聯(lián)系起來就可以重構(gòu)出SUT光的頻譜圖。本發(fā)明所述光譜分析儀的分辨率由TLS輸出光的線寬以及太赫茲光源輸出光的線寬所共同決定。目前，TLS輸出光的線寬可以達(dá)到幾百kHz，而太赫茲光源輸出光的線寬也處于IMHz甚至更小。在1550nm波長附近，IMHz的頻域線寬相應(yīng)于8fm(8X l(T15m)波長線寬，即上述光譜分析儀可以達(dá)到fm量級(jí)的分辨率。此光譜分辨率相對(duì)于目前市面上的pm量級(jí)(Ipm= lX10_12m)的分辨率來說要高三個(gè)數(shù)量級(jí)。而且由于使用電控偏振控制器來調(diào)節(jié)TLS輸出光偏振態(tài)并在兩相互正交偏振態(tài)測(cè)量SUT信號(hào)光并最后進(jìn)行矢量合成而得到完整的SUT頻譜分布圖使得光譜分析儀的功率測(cè)量更準(zhǔn)確且不受待測(cè)光偏振態(tài)的影響。綜上所述，本發(fā)明所述的基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀不僅可以精確測(cè)量任何偏振態(tài)待測(cè)信號(hào)光的頻譜，而且擁有超高的頻譜分辨率，具有很好的應(yīng)用前景。


圖1顯不了與本發(fā)明的實(shí)施方案相一致的基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀的系統(tǒng)框圖。圖2顯示了與本發(fā)明的實(shí)施方案相一致的圖1中的測(cè)量與控制單元(18)的分離式功能組合模塊詳細(xì)框圖。圖3顯示了與本發(fā)明的實(shí)施方案相一致的圖1中的圖形化用戶接口單元(19)的分離式功能模塊詳細(xì)框圖。圖4顯示了在笛卡爾坐標(biāo)系中與矢量Tl正交的矢量SI以及相交的矢量S2所代表光波之間偏振態(tài)分布情況。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是關(guān)于一種基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀,與此光譜分析儀相關(guān)的具體實(shí)施方案將在下面部分中討論，但是需要了解的是，本專利并不局限于這些與本發(fā)明相關(guān)的具體實(shí)施方案。而是相反，本發(fā)明趨向于包含所有可選的，修改的以及等價(jià)的實(shí)施方案，而且這些實(shí)施方案應(yīng)該被包含在權(quán)利要求書中所聲明的發(fā)明特征和范圍之中。如圖1所不,本發(fā)明為一種基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀。其包括:連續(xù)可調(diào)諧激光器(10, TLS),電控偏振控制器(12, EC-PC),光纖波分復(fù)用器
(13)，太赫茲帶通濾波器(14，ΤΗζ-BPF)，太赫茲光源(15)，太赫茲耦合器(16)，THz探測(cè)器(17，THz-D)，測(cè)量與控制單元(18)，圖形化用戶接口單元(19)以及在測(cè)量與控制單元中所執(zhí)行的控制及運(yùn)算處理軟件。另外，來自外部的待測(cè)信號(hào)(11，SUT)是光譜分析儀需要分析的對(duì)象，不屬于此光譜分析儀的任何部分。在執(zhí)行光學(xué)頻譜分析之前，用戶可以通過圖形化用戶接口單元(19)來設(shè)定測(cè)量參數(shù)或者在執(zhí)行測(cè)量分析時(shí)由分析儀通過執(zhí)行內(nèi)部程序軟件來尋找合適的測(cè)量參數(shù)。分析儀的測(cè)量與控制單元(18)基于當(dāng)前的用戶設(shè)定以及內(nèi)部程序軟件流程，設(shè)置連續(xù)可調(diào)諧激光器(10)的掃描起始和終止波長(或者頻率)，并設(shè)定其掃描速率；其次，設(shè)置電控偏振控制器(12)的偏振態(tài)；最后，設(shè)置THz光源的掃描起始和終止頻率(或者波長)以及掃描速率和掃描模式參數(shù)。同時(shí)，設(shè)置數(shù)據(jù)采集速率和采集位數(shù)等參數(shù)。在開始執(zhí)行頻譜分析時(shí)，測(cè)量與控制單元(18)也需要嚴(yán)格同步連續(xù)可調(diào)諧激光器掃描過程，太赫茲光源掃描過程以及數(shù)據(jù)采集過程三者，通過使用同一時(shí)鐘脈沖信號(hào)的上升沿來觸發(fā)上述三過程的執(zhí)行，并在其之間建立起確定的邏輯聯(lián)系?；诖舜_定關(guān)系可以分析出所得的功率數(shù)據(jù)和頻率數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最后，依據(jù)此對(duì)應(yīng)關(guān)系所描繪出的待測(cè)信號(hào)的頻譜分布圖就是最終的測(cè)量結(jié)果。在上述設(shè)定參數(shù)和同步觸發(fā)之后，來自于TLS的輸出光，經(jīng)過電控偏振控制器后輸出了確定偏振態(tài)和波長以及功率的連續(xù)變化的窄線寬激光，此輸出激光與來自于外部的SUT光通過光纖波分復(fù)用器(13)相混頻；混頻后的光信號(hào)經(jīng)過太赫茲帶通濾波器(14)的濾波處理，濾除了 TLS輸出光，SUT光，上述兩光束的倍頻及和頻光，以及部分頻率落在上述濾波器(14)的通帶之外的拍頻信號(hào)光，最終只有頻率處于上述濾波器(14)的通帶之內(nèi)的拍頻信號(hào)光通過濾波器進(jìn)入后續(xù)設(shè)備。在之后的太赫茲耦合器(16)中，太赫茲光源(15)產(chǎn)生的太赫茲信號(hào)與上述濾波器(14)所濾出的信號(hào)相混頻，其混頻輸出光被太赫茲探測(cè)器(17)所接收并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號(hào)作為后一級(jí)測(cè)量與控制單元(18)的輸入信號(hào)。測(cè)量與控制單元(18)采集并存儲(chǔ)此電信號(hào)，在一次掃描過程完成后，其通過設(shè)置電控偏振控制器
(12)將TLS的輸出光的偏振態(tài)在經(jīng)過電控偏振控制器(12)后相對(duì)于剛完成的掃描過程的輸出光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90度角，然后使用所有其它參數(shù)與上次掃描過程相同的參數(shù)再次進(jìn)行掃描操作并采集存儲(chǔ)所得到的電信號(hào)。然后，測(cè)量與控制單元(18)將兩次測(cè)量所得到的電信號(hào)分別進(jìn)行濾波，放大及FFT變換等運(yùn)算操作，并基于觸發(fā)同步所確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系重構(gòu)出相應(yīng)偏振態(tài)的SUT信號(hào)的頻譜分布，上述兩頻譜分布基于正交矢量合成原理最終重構(gòu)出SUT信號(hào)的頻域分布情況。最后將此頻譜分布圖輸出到CTI單元(19)中，并顯示給操作用戶。在上述實(shí)施方案中，⑶I單元并不是單一功能模塊，其中包含了圖2中所示的組成功能模塊單元。在圖2中，顯示單元(21)是液晶顯示屏，其用于顯示最終所重構(gòu)的SUT信號(hào)的光學(xué)頻譜圖，及其參數(shù)特征；另外，也顯示光譜分析儀所設(shè)定的執(zhí)行參數(shù)等。而輸入單元(22)主要是機(jī)械按鍵以及旋鈕等參數(shù)輸入工具；最后微處理器單元(20)用于識(shí)別簡單的輸入按鍵操作或者控制液晶顯示屏的亮度，線條顏色等參數(shù)，其主要目的是為了減少測(cè)量與控制單元(18)對(duì)輸入和顯示單元的直接控制以減小其處理運(yùn)算工作量。但是，需要強(qiáng)調(diào)的是，微處理器單元(20)是可選的，并不是必需的。在圖1中的實(shí)施方案中，測(cè)量與控制單元(18)也不是獨(dú)立模塊單元，而是由分離功能模塊單元所組成，如在圖3中所示。在圖3中，信號(hào)采集與預(yù)處理單元(30)使用Verilog硬件描述語言開發(fā)的xilinx公司的Virtex-6系列FPGA芯片,執(zhí)行高速數(shù)據(jù)采集和所采集信號(hào)的快速濾波放大以及簡單運(yùn)算變換的操作。中央控制單元(31)是基于ARM公司的cortex-A9內(nèi)核的32位微處理器，其負(fù)責(zé)整個(gè)分析儀系統(tǒng)的控制設(shè)置及調(diào)度操作，是系統(tǒng)的核心。數(shù)字信號(hào)處理單元(32)是TI公司的TMS320C674X系列DSP芯片，其主要執(zhí)行采集信號(hào)的FFT變換等信號(hào)處理運(yùn)算操作并執(zhí)行信號(hào)的矢量合成重構(gòu)操作，是系統(tǒng)中主要的運(yùn)算處理單元。
權(quán)利要求
1.一種基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀，屬于高分辨率光學(xué)頻譜測(cè)量分析領(lǐng)域。具體包括:連續(xù)可調(diào)諧激光器(TLS)，電控偏振控制器(EC-PC)，光纖波分復(fù)用器，太赫茲帶通濾波器(THz-BPF)，太赫茲光源，太赫茲耦合器，太赫茲探測(cè)器(THz-D)，測(cè)量與控制單元，圖形化用戶接口單元以及在測(cè)量與控制單元中所執(zhí)行的控制及運(yùn)算處理軟件；其中，測(cè)量與控制單元由信號(hào)采集與預(yù)處理單元，中心控制單元以及數(shù)字信號(hào)處理單元三部分功能模塊組成，而且圖形化用戶接口單元由顯示單元，輸入單元和可選的微處理器三部分功能模塊組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀，其特征在于:所使用的連續(xù)可調(diào)諧激光器(TLS)在測(cè)量與控制單元的控制下其掃描波長范圍以及掃描速率等參數(shù)都可調(diào)，并且在設(shè)定的波長范圍內(nèi)波長連續(xù)變化；另外，TLS輸出光路使用熊貓型保偏光纖，所以此激光器的輸出光是偏振光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的，一種基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀，其特征在于:使用由測(cè)量與控制單元所控制的電控偏振控制器(EC-PC)來調(diào)節(jié)來自于權(quán)利要求2中所述的激光器的輸入光偏振態(tài)以得到所需偏振態(tài)的輸出光；隨后，來自外部的待測(cè)信號(hào)光(SUT)與其在光纖波分復(fù)用器中相混頻。光纖波分復(fù)用器的作用是混合不同波長的輸入光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的，一種基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀，其特征在于:從權(quán)利要求3所述的光纖波分復(fù)用器的輸出端所輸出的光信號(hào)經(jīng)過太赫茲帶通濾波器后濾除TLS輸出光，SUT光，上述兩光束的倍頻光以及和頻光，以及頻率落在上述濾波器的通帶之外部分的拍頻信號(hào)光，因而只有頻率處于上述濾波器的通帶之內(nèi)光通過太赫茲帶通濾波器并輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的，一種基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀，其特征在于:太赫茲光源是連續(xù)可調(diào)諧的，在測(cè)量與控制單元的控制下使太赫茲光源輸出光的頻率在特定頻率范圍內(nèi)連續(xù)掃描；并使用太赫茲耦合器來耦合太赫茲光源及權(quán)利要求4中太赫茲帶通濾波器的輸出光，并輸出耦合混頻后的光束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的，一種基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀，其特征在于=THz探測(cè)器用于探測(cè)從權(quán)利要求5所述的太赫茲耦合器輸出的太赫茲光信號(hào)。THz探測(cè)器能響應(yīng)THz頻段的頻率，并在探測(cè)器輸出端輸出與輸入THz光信號(hào)強(qiáng)度成比例關(guān)系的電信號(hào)，而且能響應(yīng)輸入THz光信號(hào)強(qiáng)度的低頻變化特性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的，一種基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀，其特征在于:測(cè)量與控制單元為整個(gè)光譜分析儀系統(tǒng)的核心單元，并且由負(fù)責(zé)相應(yīng)功能的多個(gè)專用功能模塊組成。測(cè)量與控制單元負(fù)責(zé)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集，濾波，放大，F(xiàn)FT變換和頻譜特性重構(gòu)等運(yùn)算處理操作；另外，執(zhí)行對(duì)權(quán)利要求2所述的連續(xù)可調(diào)諧激光器(TLS)，對(duì)權(quán)利要求3所述的電控偏振控制器(EC-PC)以及對(duì)權(quán)利要求5所述的太赫茲光源等的連續(xù)調(diào)節(jié)控制和參數(shù)設(shè)定等任務(wù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的，一種基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀，其特征在于:測(cè)量與控制單元由信號(hào)采集與預(yù)處理單元，中心控制單元和數(shù)字信號(hào)處理單元等三部分功能模塊組成。三功能模塊分別負(fù)責(zé)相應(yīng)功能的控制與運(yùn)算處理過程，并兩兩互聯(lián)以確保三模塊之間的高速數(shù)據(jù)傳輸和通訊:所述的信號(hào)采集與預(yù)處理單元使用Xilinx公司的Virtex-6系列FPGA芯片來實(shí)現(xiàn)。此模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電信號(hào)的高速采集以及簡單的濾波和放大運(yùn)算等功能； 所述的數(shù)字信號(hào)處理單元使用TI公司的TMS320C674X系列DSP芯片來實(shí)現(xiàn)。此模塊用于執(zhí)行信號(hào)采集與預(yù)處理單元所輸出信號(hào)的復(fù)雜濾波，放大以及FFT變換等操作，以及重構(gòu)來自外部的待測(cè)信號(hào)的頻譜圖； 所述的中心控制單元使用基于ARM公司的COrtex-A9內(nèi)核的32位微處理器來實(shí)現(xiàn)。此模塊負(fù)責(zé)控制信號(hào)以及設(shè)置參數(shù)等的調(diào)度和處理，并調(diào)度數(shù)據(jù)信號(hào)采集與預(yù)處理單元和數(shù)字信號(hào)處理單元之間的傳輸，以及執(zhí)行與權(quán)利要求9所述的圖像化用戶接口單元之間的數(shù)據(jù)交換等操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的，一種基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀，其特征在于:圖形化用戶接口單元用于與用戶進(jìn)行圖形化交互，由負(fù)責(zé)用戶設(shè)定參數(shù)和執(zhí)行測(cè)量的輸入模塊，負(fù)責(zé)顯示測(cè)量結(jié)果和所設(shè)定參數(shù)信息的顯示模塊以及調(diào)度管理輸入模塊和輸出模塊的微控制器單元三部分功能模塊所組成: 所述的輸入模塊由電子開關(guān)以及旋鈕等控件所組成，用于執(zhí)行用戶輸入的參數(shù)設(shè)定操作； 所述的顯示模塊由彩色液晶顯示屏組成，用于將測(cè)量與控制單元所得到的結(jié)果以及輸入模塊所設(shè)定的參數(shù)信息顯示并提供給分析儀用戶； 所述的微控制器單元使用Atmel公司的8位AVR系列單片機(jī)ATmegal6芯片來實(shí)現(xiàn)，且使用C語言實(shí)現(xiàn)此芯片的編程開發(fā)。此單元用于實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入模塊操作的讀取識(shí)別以及對(duì)顯示模塊的亮度和色彩參數(shù)的控制設(shè)定。
10.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的，一種基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀，其特征在于:在權(quán)利要求8所述的測(cè)量與控制單元中所執(zhí)行的控制及運(yùn)算處理軟件分布在三功能模塊之中，且各模塊使用相應(yīng)不同的編程開發(fā)語言來實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA芯片使用Verilog語言來編程開發(fā)，DSP芯片使用C/C++語言來編程實(shí)現(xiàn)而且ARM微處理器使用C語言來編程實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光纖中雙光束拍頻技術(shù)的偏振不敏感光譜分析儀，其具體實(shí)現(xiàn)為首先由測(cè)量與控制單元來驅(qū)動(dòng)掃描激光器，使其輸出光的頻率在特定波段連續(xù)掃描，并使用電控偏振控制器來調(diào)節(jié)此輸出光的偏振態(tài)保持不變，隨后使其與待測(cè)信號(hào)光進(jìn)行拍頻因而生成太赫茲波，此太赫茲波經(jīng)過太赫茲濾波器進(jìn)行濾波，并與太赫茲光源進(jìn)行差頻得到較低頻率信號(hào)，使用太赫茲探測(cè)器來接收此低頻信號(hào)，并使用測(cè)量與控制單元來采集處理太赫茲探測(cè)器輸出的電信號(hào)；隨后改變掃描激光器輸出光偏振態(tài)再次進(jìn)行上述測(cè)量以消除偏振態(tài)的影響并處理兩次測(cè)量所得電信號(hào)從而完整重構(gòu)出待測(cè)信號(hào)光頻譜，最后將所得結(jié)果傳輸?shù)綀D形化用戶接口單元。
文檔編號(hào)G01J3/427GK103196556SQ20131006008
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者李裔, 張震偉, 張彩霞 申請(qǐng)人:中國計(jì)量學(xué)院