基于SIPM的旋光色散波長測量方法

沈新榮 賈宏志 楊曦靚 劉剛 姜士昕 涂建坤

摘要：提出了一種利用旋光色散進行波長測量的方法。采用高靈敏度的硅光電倍增管（SIPM）探測線偏振光通過旋光物質和無旋光物質時的輸出光強隨步進電機旋轉而發生的變化，由此測出旋光物質的比旋光度，從而根據比旋光度的色散特征方程求出對應光源波長。大量實驗證明，該波長測量裝置的精度為1 nm，標準差為0.06 nm，該波長檢測方法具有良好的可行性與穩定性，并且該測量裝置具有結構簡單、易于調節等特點。

關鍵詞：旋光色散； 波長檢測； 硅光電倍增管（SIPM）

中圖分類號： TH 741 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.03.004

Abstract： A method is proposed for wavelength measurement by optical rotatory dispersion.The silicon photomultiplier（SIPM）with extremely high sensitivity is used to detect the output light intensity with or without optical active substance which varies with the rotation of the stepping motor.Then，the specific rotation of the optical active substance can be measured.The wavelength of the corresponding light source is obtained by the specific rotation dispersion equation.In the experiments，the precision of the wavelength measurement setup is about 1 nm and the standard deviation is 0 . 06 nm，which prove the feasibility and stability of proposed method.The measurement setup also has the characteristics of simple structure and is easy to adjust.

Keywords：

optical rotatory dispersion； wavelength measurement； silicon photomultiplier（SIPM）

引 言

隨著光學技術的快速發展，波長測量技術也受到越來越多的關注[1]。由于許多物理參數的確定與所用光源波長有關，如位移、速度和角度等[2 4]，因此波長的精準測量顯得尤為重要。目前，波長計被廣泛用來測量波長值，根據測量原理，波長計主要可分為三類：斐索干涉型、法布里 珀羅干涉型和邁克爾遜干涉型[4 5]。其中：邁克爾遜干涉型波長計的測量精度相對高于另兩種干涉型波長計，但是由于溫度、振動等因素都會引起參考光和待測光的光程差產生偏差，導致測量結果誤差增大[6 7]；而斐索干涉型波長計和法布里 珀羅干涉型波長計為了提高測量精度均采用內置參考光源來進行校準，成本較高不利于維護[8 10]。因此本文提出了一種利用旋光色散測量波長的新方法，并利用步進電機、硅光電倍增管（SIPM）、數字信號處理器（DSP）等搭建了一套測量裝置。根據旋光色散效應，即不同波長下的線偏振光透過旋光物質后其偏振面有不同的偏轉角度，從而通過測量偏轉角度來實現對光源波長值的檢測。

1 檢測系統原理

波長檢測系統主要包括光路部分和電路部分，整個系統的結構示意圖如圖1所示。其中，光路部分由待測光源、孔徑光闌、起偏器、置物架（放置旋光物質）、檢偏器和凸透鏡組成，電路部分由SIPM、I/V轉換電路、放大電路以及濾波電路組成。

當待測光源發出一束單色光，由孔徑光闌限制入射光束的大小后入射到起偏器變為線偏振光，線偏振光通過置物架上放置的旋光物質后偏振態發生一定的偏轉，且不同波長下偏轉角度不同。線偏振光再經過檢偏器、凸透鏡以及光闌后由SIPM接收，光信號經過SIPM后轉化為電信號，再經過I/V轉換電路、放大電路以及濾波電路等一系列處理后傳入DSP的模/數轉換器（ADC采樣）模塊，最終數據保存在DSP的靜態隨機存儲器（SRAM）中。檢偏器固定在步進電機旋轉臺上，由DSP產生一組脈沖信號控制步進電機旋轉臺旋轉，先將步進電機旋轉臺調到某一位置，從而保證起偏器與檢偏器偏振方向的正交位置在測量范圍內，當步進電機由起始位置向正交位置旋轉90°時，每旋轉一步通過檢偏器的出射光都由SIPM探測并保存在DSP中。由此便可以得到步進電機旋轉步數與出射光強的對應關系，而步進電機旋轉的步數又可以轉化為檢偏器的旋轉角度，所以又可以得到出射光強與旋轉角度的對應關系。

根據以上理論分析和推導可知：當測得對應波長下旋光物質的旋光度，再由式（3）可得到比旋光度，因此若已知多組波長與比旋光度的對應值，便可求解出k1、k2、λ1、λ2和k這五個常數，則波長與比旋光度的關系式便建立了，只需得到物質的比旋光度，便可得知未知光源的波長。

2 實驗結果與分析

實驗采用白光LED加濾光片的形式產生單一波長的光源，白光LED是由科銳公司生產，光譜范圍為400～700 nm，最大輸出光功率為1 W且光功率可由驅動電路進行調節；濾光片是由Semrock公司生產的，型號分別為FF01 461/5 25、FF01 488/6 25、FF01 514/3 25、FF01 546/6 25、FF01 563/9 25、FF01 576/10 25、FF01 578/10 25、FF01 601/4 25和FF01 631/4 25，對應中心波長分別為461 nm、488 nm、514 nm、546 nm、563 nm、576 nm、578 nm、601 nm和631 nm，且透過率均高于90%；選用由曲阜師范大學激光研究所生產的格蘭 泰勒棱鏡作為起偏器和檢偏器，型號為LGP 4，消光比為1×10 5；旋光物質采用編號為No.005120038的標準石英管，其旋光度為5.165°（在溫度為20 ℃、光源波長為589.44 nm的情況下標定）；由于起偏器和檢偏器透光方向處于正交狀態時輸出光強十分微弱，屬于弱信號探測，因此采用FirstSensor生產的SIPM，并且將該SIPM測量效果與Hamamatsu所產的硅光電二極管（SPD）的測量效果進行比較與分析。

2.1 定 標

整個實驗過程中溫度始終維持在20 ℃，且依次使用FF01 461/5 25、 FF01 488/6 25、FF01 546/6 25、FF01 578/10 25、FF01 601/4 25和FF01 631/4 25這六塊濾光片進行實驗，從而對整套實驗裝置進行定標。實驗時先將起偏器與檢偏器的透振方向夾角調至45°，由調制頻率為1 kHz的白光LED發出一束復色光（該調制信號由DSP（TI F2812）產生），復色光經過某一型號的濾光片后變為單一波長光源，再經過起偏器后變為線偏振光。該波長下的線偏振光通過置物架上的標準石英管后偏轉特定的角度，DSP產生的脈沖信號控制步進電機旋轉臺帶動檢偏器旋轉，每旋轉一步所探測到的光信號均由SIPM接收并轉換為電信號，這些電信號經一系列電路處理后儲存在SRAM中。當置物架上無旋光管時，重復上述步驟。根據式（1）和式（2）求得對應波長下該標準石英管的旋光度，再根據式（3）便可知對應波長下的比旋光度，然后通過表1中測出的六組波長與比旋光度的數據和式（4）來進行曲線擬合，求得五個未知常數，從而得到波長與比旋光度的對應關系。圖2為擬合出的關系曲線，擬合度為0.999 9，圖中標注了六塊濾光片的中心波長值，對應縱坐標為測得的比旋光度，且擬合出的曲線方程為

2.2 實驗結果

當對整套測量裝置完成定標后，利用剩下的三塊濾光片（FF01 514/3 25、FF01 563/9 25、FF01 576/10 25） 進行多組實驗，從而驗證裝置的準確性和穩定性。表2中列出了三塊濾光片的實際中心波長和利用該 測量裝置得到的中心波長，由此可以看出測量值與真實值是比較一致的。表2還反映了三塊濾光片的測量值與真實值之間的絕對誤差和相對誤差，由此可以看出相對誤差穩定在0.12%～0.14%。

為了驗證系統的穩定性，利用三塊濾光片進行了30組重復性實驗，結果如圖3所示。圖3中（a）、（b）、（c）體現了利用SIPM作為探測器的30組測量結果與平均值之間的偏差值，除去個別測量點，偏差值基本穩定在±0.1 nm之內；（d）、（e）、（f）則為利用硅光電二極管（SPD）作為探測器的30組測量結果與平均值之間的偏差值。從圖中可以明顯看出，利用SIPM作為探測器的測量結果更加穩定，偏差值較小，這是由于SIPM內含雪崩光電二極管多路并聯結構，使其能夠檢測同一時刻的多個光子，因此相比硅光電二極管，SIPM對弱光檢測即本文中起偏器與檢偏器透振方向的正交位置檢測更為靈敏，能夠有效地提高整套測量裝置的穩定性。

3 結 論

本文提出了一種基于旋光色散的波長檢測方法，并搭建了一套光路簡單易于實現的測量裝置。實驗中采用白光LED加濾光片的形式來模擬單波長光源，采用SIPM作為光電探測器從而更精準地探測出正交位置光強，并利用六塊濾光片對裝置進行定標，通過對另外三塊濾光片進行測試可知該波長測量裝置的精度為1 nm，從30組重復性實驗結果能夠看出測量偏差大約在±0.1 nm內，標準差為0.06 nm。因此可以證明，本文提出的波長檢測方法具有結構簡單、易于調節、測量穩定等特點。

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（編輯：劉鐵英）