%28380-1100%29nm自由空间输入式激光波长计校准方法研究.pdf

书书书基金项目：江苏省市场监管局科技计划项目资助（项目编号：）（）自由空间输入式激光波长计校准方法研究李凤娇黄万明郭 鑫唐小聪陈?尧丁建一张佳瑶（南京市计量监督检测院）摘要：目前，针对可见光及近红外波长范围（）激光波长计的全参数校准尚未有相关的技术规范。因此，本文对激光波长计的波长准确性、频谱分析模块（纵模分辨力、相对强度）以及波长计对脉冲激光的响应宽度进行全参数校准方法研究，并搭建标准装置进行实验。结果表明：该校准方法具有可行性。关键词：波长；相对强度；分辨力 ：（）：，（），（，），：；引言光波长计是用于测量激光的波长值。干涉型光波长计的工作原理是通过将光接收器得到的干涉信号转换成光谱波形后，分析输出输入信号的波长和功率数据，可在测量输入信号和参考波长干涉信号的同时修正测量误差。按照其测量原理可分为斐索型、迈克尔逊型和法布里 珀罗型 。其中，迈克尔逊型光波长计可用于测量非单色光源的光谱，类比光谱仪；而静态斐索型光波长计适用于快速单波长测量。因此，越来越多的波长计可同时测量波长和线宽。查现有技术规范，频谱分析仪校准规范 是针对测量电信号频谱结构的仪器。目前，除 通信用光波长计 提出采用 稳频激光器校准通信用光波长计外，未见更近一步对波长计可见光范围的其他波长进行校准的方法。由于该规程已被 替代，且删除了对 处激光波长准确性的校准，只保留了（）通信用光波段。因此，可见光到近红外范围的光波长计的溯源技术规范暂时处于空白状态。本文提出一种可见光近红外波段激光波长及频谱李凤娇等：（）自由空间输入式激光波长计校准方法研究分析模块的校准方法，从波长、相对强度、分辨力等多参数维度，实现对自由空间输入式激光波长计的校准。工作原理 校准参数的确定将一台具有频谱分析功能的激光波长计（横坐标为波长 频率值，纵坐标为相对强度）类比于光谱仪。对于光谱仪，最直观的校准方案是对其横、纵坐标的准确性，以及光谱分辨力进行校准。如光纤光谱仪通常采用低压原子谱线灯作为自然基准进行波长准确性（横坐标）校准和分辨力校准，用光谱辐照照度标准灯进行相对强度（纵坐标）校准；中曼光谱仪采用频移标准物质校准频移（横坐标）示值，拉曼强度标准物质校准相对强度示值（纵坐标），低压原子谱线灯校准波长分辨力。因此，对激光波长计进行分析时，校准参数为波长、纵模分辨力、相对强度。此外，由于市场上的激光波长计多采用激光干涉原理，对脉冲激光的响应不同，因此，波长计对脉冲激光的响应宽度被列为校准参数之一。校准方法（）激光波长的多点校准激光波长即激光频率。由于 （）范围波长准确性的校准仅涉及 一个校准点。因此，本文采用二向色镜作为两路光源的波长合束器件，将（）范围内两个到多个不同波长（如常见的 、等）的激光进行合束 ，实现多点的波长准确性同步校准，如图 所示，且该方法适用于迈克尔逊干涉型波长计的波长校准 。?图 激光合束示意图（）纵模分辨力校准激光线宽是指激光光源发射光谱的半高宽，即达到峰值一半高度（有时也取 ）时所对应的两个频率中间的宽度。光从激光器中射出，激光起振后，会产生一个或多个纵模，每个纵模的频率的范围即为激光的线宽，如图 所示。它是由谐振腔的品质因数决定，即腔的品质因数越高，激光线宽越窄。采用单纵模稳频氦氖激光器（线宽为 量级），对激光波长计的纵模宽度分辨力进行校准，并将纵模宽度示值作为分辨力的校准结果 。?图 纵模线宽示意图（）相对强度校准将光路合束后，首先用滤光片和激光功率计标定各激光源的输出功率值并形成数据表，再按功率最大点进行归一化，作为光谱强度的一组标准值；然后，将激光波长计的相对强度示值进行归一化，与标准值进行比较。以 台激光器合束为例，激光源功率分别为，且 最大，则标准值为（，），（，），（，）。（）响应脉冲激光的最小脉冲宽度使用准连续激光器连续调节脉宽，确定响应脉冲激光的最小脉冲宽度。在该激光器的不可调节范围，可选用激光快门调节激光脉宽，或更换适当的激光器。实验过程及结果分析 标准装置构成根据本文提出的方法，搭建标准装置的构成及参数指标如图 、表 所示。?图 实验搭建的标准装置表 标准装置构成及技术参数名称测量范围技术参数稳频氦氖激光器 （）（）（）计量与测试技术 年第 卷第 期续表固体激光器 、功率可调固体激光器 、功率可调准连续光纤激光器 功率、脉宽可调激光衰减组件、二向色镜、快门及光学支架等 实验数据及不确定度评定选用进口和国产自主研发的光波长计各一台，分别进行校准。（）美国 激光波长计（迈克尔逊干涉型）校准结果如图 、表 所示。?图 进口迈克尔逊型波长计实验过程图表 进口光波长计校准结果校准参数校准结果标准值（）示值（）波长 纵模分辨力 ，相对强度（，）（，）（，）响应脉冲激光的最小脉冲宽度 （）针对国产自主研发的斐索型波长计（型号未定，研发过程中测试数据），校准结果如图 、表 所示。?图 国产斐索型波长计及实验过程图表 国产光波长计校准结果校准参数校准结果标准值（）示值（）波长 响应脉冲激光的最小脉冲宽度 （）不确定度评定 针对 型号波长计，对波长和相对强度校准结果的不确定度分析如表 所示。表 不确定度评定表校准项目波长 其他校准点相对强度标准器溯源相对标准不确定度 测量重复性引入的标准不确定度分量 合成标准不确定度 槡 扩展不确定度 （）结语综上所术，本文方法适用（）可见光近红外范围的激光波长计的校准，尤其是具有频谱分析功能的波长计。由于该合束方法在实际操作中难以实现非可见光范围，因此，可采用可调谐激光源代替，但设备价格较高。据了解，所测斐索型波长计虽为产仪器，但并未实现完全自主可控，其近红外探测器所用的砷化镓材料仍依赖进口，且国产率较低。因此，本文校准方法仅为计量测试方面的拓展，可在一定程度上有助于国产激光设备的性能提升。参考文献 段密克，徐迎春 基于激光干涉仪的定位误差补偿实验研究 计量与测试技术，（）：拉曼光谱仪通用规范 李高生，徐新行，安振杰，等 可见光多波段激光合束系统设计 激光与红外，（）：陈昌博多波长激光合束系统中光束监测装置的设计 长春：中国科学院大学（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所），郭媛，郑刚，盛启明，等 一种调频连续波干涉仪激光波长稳定性测量方法 中国激光，（）：刘若男，王建波，殷聪，等 便携式 激光波长评价系统研究 光学技术，（）：王建波，殷聪，石春英，等 高功率碘稳频 激光波长参考源 红外与激光工程，（）：韩玉龙，吴佩，朱小宝，等 迈克尔孙干涉仪测量 激光波长的不确定度计算 物理通报，（）：李凤娇等：（）自由空间输入式激光波长计校准方法研究