1.引言
目前測(cè)量激光波長(zhǎng)參數(shù)的儀器大致分為三類,一類是波長(zhǎng)計(jì),功能簡(jiǎn)單,操作方便,精度也比較高,但是一般只能讀出波長(zhǎng)數(shù)據(jù),當(dāng)激光器是多波長(zhǎng)或者光譜較寬時(shí),測(cè)量有可能不準(zhǔn)確;一類是掃描F-P腔,主要是研究激光器的光譜形狀,一般不給出波長(zhǎng)的絕對(duì)數(shù)值;還有一類就是光譜儀,它給出激光的絕對(duì)波長(zhǎng)值也給出激光光譜的形狀。本文將以Avantes公司的微型光纖光譜儀AvaSpec-2048為例,介紹微型光譜儀在測(cè)量激光波長(zhǎng)方面的應(yīng)用。
2.1 儀器原理
荷蘭Avantes公司的AvaSpec-2048光纖光譜儀,采用對(duì)稱式光路設(shè)計(jì),焦距75mm,包括光纖接頭(標(biāo)準(zhǔn)SMA接口,也可以選擇其它類型的接口)、準(zhǔn)直鏡、衍射光柵、聚焦鏡和Sony ILX554B型2048像素線陣CCD探測(cè)器,測(cè)量波長(zhǎng)范圍200-1100nm,最高分辨率0.04nm,提供USB1.1或USB2.0接口、RS-232接口和I/O外觸發(fā)接口。
圖1 AvaSpec-2048FT光譜儀的光學(xué)平臺(tái)
2.2 性能介紹
2.2.1 外觸發(fā)功能
AvaSpec-2048FT型光譜儀可以工作在連續(xù)測(cè)量狀態(tài),也可以工作在外觸發(fā)模式下。當(dāng)時(shí)用外觸發(fā)模式時(shí),在接受外觸發(fā)信號(hào)之后1.3微秒開始測(cè)量。在開始測(cè)量的同時(shí),光譜儀還可以輸出一個(gè)TTL信號(hào)來(lái)觸發(fā)其他光源,比如脈沖激光器或者氙燈等。這一點(diǎn)在測(cè)量脈沖激光器波長(zhǎng)測(cè)量,尤其時(shí)激光重復(fù)頻率比較低時(shí)(比如每秒鐘1次)非常有用。此外,在AvaSoft-Full軟件還可以設(shè)置光譜儀輸出TTL信號(hào)與開始測(cè)量光譜之間的時(shí)間延遲,延遲時(shí)間從-42ns到2.7ms可調(diào)。
圖2 AvaSpec-2048FT光譜儀外觸發(fā)時(shí)序圖
t1= 從收到外觸發(fā)信號(hào)到發(fā)出TTL電平, 1.3us
t2=從發(fā)出TTL電平到開始測(cè)量, -42ns ?C 2.7ms可調(diào), 步長(zhǎng)42ns
tint= 積分時(shí)間, 2.0ms ?C 60sec可調(diào)
2.2.2 多通道間同步采樣
AvaSpec-2048光譜儀可以配置成雙通道或多通道(USB1.1平臺(tái)最多8個(gè)通道,USB2.0平臺(tái)最多128通道),整臺(tái)光譜儀采用主從電路板控制,各通道間可實(shí)現(xiàn)真正意義上的同步數(shù)據(jù)采集。
圖3 AvaSpec-2048FT-8 八通道光譜儀
由于每個(gè)通道均包括一個(gè)獨(dú)立的光學(xué)平臺(tái),各通道的光譜分辨率和光譜范圍都可以靈活選擇。我們既可以選擇多個(gè)通道覆蓋全部的200~1100nm波長(zhǎng)范圍,也可以只覆蓋紫外部分、可見或近紅外部分,如何選擇完全取決于用戶的興趣和需要。比如綠光激光器用戶可以選擇覆蓋532nm和1064nm兩個(gè)波長(zhǎng)附近的波段就足夠了。這樣就在很經(jīng)濟(jì)的成本下獲得了足夠的分辨率。
2.2.3 強(qiáng)大的歷史通道功能
在AvaSoft-FULL軟件中的History功能,使我們可以很方便的監(jiān)視激光波長(zhǎng)、幅值、波峰數(shù)目等參數(shù)隨時(shí)間的變化,甚至我們還可以自定義一些參量,并觀察它們隨時(shí)間的變化。同時(shí),USB2平臺(tái)的光譜儀還附帶了模擬和數(shù)字輸出,這些模擬和數(shù)字輸出口的值可以對(duì)應(yīng)于History中定義的函數(shù)。
2.3 測(cè)量方法
測(cè)量激光波長(zhǎng)是光譜儀最簡(jiǎn)單的一項(xiàng)應(yīng)用。使用時(shí)只要按照如下步驟即可:
1.安裝軟件AvaSoft-FULL
2.使用USB線或RS232線纜將光譜儀與計(jì)算機(jī)連接。
3.使用光纖將待測(cè)光信號(hào)耦合進(jìn)光譜儀,運(yùn)行軟件就可以得到光譜數(shù)據(jù)。
下面介紹不同類型激光器的測(cè)量方法。
2.3.1 連續(xù)激光器
對(duì)于連續(xù)激光器來(lái)說(shuō),測(cè)量尤為簡(jiǎn)單。運(yùn)行軟件后,設(shè)置合適的積分時(shí)間,如下圖所示,就可以得到一個(gè)合適的光譜圖。圖4是一個(gè)日光燈光譜。
圖4日光燈光譜
為了使測(cè)量的激光峰值波長(zhǎng)更為準(zhǔn)確,需要正確的設(shè)置Setup下的Smoothing and Spline參數(shù),具體可以按照軟件手冊(cè)中的說(shuō)明操作。在測(cè)量激光時(shí)應(yīng)該注意的是,由于激光功率都很強(qiáng),一般不直接把激光耦合進(jìn)光纖,而是將激光打在一個(gè)屏上,使用光纖接受從屏散射的一點(diǎn)光就可以了。
2.3.2脈沖激光器
對(duì)于重復(fù)頻率比較高(比如100Hz以上)的脈沖激光,可以使用把它當(dāng)成一個(gè)連續(xù)激光來(lái)測(cè)量。而重復(fù)頻率比較低,或者個(gè)別的需要測(cè)量單脈沖的情況下,為了準(zhǔn)確地和激光脈沖同步,光譜儀最好工作在外觸發(fā)模式下。如圖5所示。
在外觸發(fā)模式下,我們可以選擇上升沿觸發(fā)(Edge Triger),也可以選擇高電平觸發(fā)(Level Triger),在上升沿觸發(fā)模式下,只要光譜儀的觸發(fā)管腳(DB15的第4管腳或者DB26的第6管腳)接收到一個(gè)上升沿后1.3μs光譜儀開始一次測(cè)量;而使用高電平觸發(fā)則只要觸發(fā)管腳是高電平,光譜儀就一直不斷的測(cè)量。
圖5
2.3.3監(jiān)測(cè)激光波長(zhǎng)隨時(shí)間變化
要監(jiān)測(cè)激光波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化,需要首先在History->Function Entry中(如圖6)設(shè)置參數(shù)。然后選擇History->Start Measuring就可以看到激光波長(zhǎng)隨時(shí)間變化的曲線了。
圖6
3.結(jié)論
使用AvaSpec-2048光譜儀進(jìn)行激光波長(zhǎng)測(cè)量,具有功能強(qiáng)大,性價(jià)比高、測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn),而且體積小巧,方便集成到系統(tǒng)中進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。
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