基于干涉散斑图的多模光纤光谱仪

摘要

光谱仪是光学仪器的重要组成部分。它是利用光学原理进行测量、分析，并且是对加工材料的结构和成分分析的基本设备，具有精度高，测量范围广，速度快的优点。广泛应用于冶金、地质、石油、化工、医药卫生、环境保护以及资源和水文勘探等。现代光谱技术开始于第二次世界大战的工业应用，今天光谱学和相关的光学传感技术已经发展成为上百亿美元的产业，光谱技术的应用几乎涵盖了所有科学领域。 经典光谱仪是一种基于空间色散原理的仪器。根据色散原理可分为棱镜光谱仪、衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪。它的核心部件包括：准直元件、色散元件、聚焦元件、探测器阵列等，具有很大的重量。但棱镜光谱仪的分辨率较低；衍射光栅光谱仪需要通过旋转光栅扫描整个频谱，测量速度慢，对一些样品需要通过特定的预处理，并应放在固定的仪器样品室进行；傅里叶变换光谱仪由于反射镜的动态干涉，其在线可靠性有限，尤其是对仪器的地方使用环境有严格的要求，如温度、湿度、振动等。在紫外波段存在着技术瓶颈，上述光谱仪系统或体积和功耗过大，或仪器的稳定性和重复性不够。 为了解决这一系列问题，研究者提出了一种分辨率高、重量轻、便于携带和使用的光谱仪。它的重量很轻，可以利用不同几何特性的光纤在分辨率和光谱带宽之间进行选择设计。 多模光纤支持许多不同相速度的传输模式[2]。从几何光学的观点出发（对于多模光纤来说，具有合理的精度），不同的光波模式以不同的角度穿过光纤轴线（子午光线而言）。由于光线的传输角度不同，因此传输距离也不同。其结果是，它们从光纤输入到输出将拥有不同的相位延迟。更精确的光波导电磁场分布的分析表明，有许多不同的可能传播模式，这些不同模式拥有不同的相速度。无论是哪一种观点都认为，对任意的光纤输出端的一个点，如果这些模式的相位有超过2π的延迟，并且光源足够相干，通过大量单个模式的叠加，在输出端的光强分布将看到明显的干涉现象。 多模光纤光谱仪是根据多模光纤输出端面干涉散斑构成的，根据不同光谱的不同干涉散斑图的分布对应关系，干涉散斑图中包含的光谱信息可以被恢复。利用光谱与干涉散斑图空间的二维分布对应关系，将不同波长光波的空间强度分布存储在矩阵中。光谱恢复算法可以利用存储的空间强度分布信息恢复未知的任意输入光谱。 与传统的光谱仪相比，多模光纤干涉光谱仪体积小、重量轻，可在分辨率与光谱仪带宽之间方便地选择，而其核心部件采用多模光纤，价格低廉。因此，多模光纤光谱仪具有很大的优势。实验中，该光谱仪的最高分辨率可以达到2 pm。

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