分辨率帶寬對光柵型光譜儀功率和波長測量的影響

李建征 曾昕 胡婉君

分辨率帶寬對光柵型光譜儀功率和波長測量的影響

李建征 曾昕 胡婉君

（廣州廣電計(jì)量檢測股份有限公司）

在研究光柵型光譜儀工作原理的基礎(chǔ)上，分析光譜儀不同分辨率帶寬對其光源功率和波長測量的影響，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為光譜儀的使用以及計(jì)量校準(zhǔn)工作提供參考。

光柵型光譜儀；分辨率帶寬；功率；波長

0　引言

光譜儀因具有響應(yīng)速度快、測量精度高、不損傷器件和樣品等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于光通信與光傳感領(lǐng)域。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力發(fā)展，光譜儀用途被推廣到各行各業(yè)。本文根據(jù)光柵型光譜儀的使用和校準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)對光源功率和波長測量特性進(jìn)行探討。

1　光譜儀工作原理

光譜儀是一種特殊的分光儀。典型光譜儀主要由光學(xué)分光平臺(tái)和光電檢測系統(tǒng)組成，一般包括入射狹縫、準(zhǔn)直器件、色散原件（通常是光柵）、出射狹縫和探測器陣列[1]，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖

光譜儀工作時(shí)，外界光由入射狹縫S1進(jìn)入儀器，通過準(zhǔn)光鏡M1后變成平行光到達(dá)色散光柵；通過色散光柵G色散作用后，入射光在空間上變成不同波長的單色光并通過不同衍射角輸出；準(zhǔn)光鏡M2將輸出光線聚焦到出射狹縫S2上；光電探測器檢測出射狹縫S2的出射光并記錄該波長的光強(qiáng)信號。若將色散光柵G安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，當(dāng)光柵角度變化時(shí)，光電探測器即可接收到所對應(yīng)不同波長的光強(qiáng)信號。

目前，還有部分光譜儀采用雙通過單色儀設(shè)計(jì)，具有光束匯聚作用，因而可以使用較小的狹縫和光電探測器，有效降低暗電流，在實(shí)現(xiàn)快速掃描的同時(shí)得到高靈敏度和大動(dòng)態(tài)范圍。

影響光譜儀性能的參數(shù)主要有分辨率、光譜范圍和響應(yīng)靈敏度等[2]。分辨率是光譜儀的重要性能，是指光譜儀分開波長接近的2條譜線的能力，即光譜儀能夠區(qū)分的最小波長差；在此過程中，光譜儀需要將2個(gè)臨近波長的譜線分別成像到探測器不同像元上。在色散光柵固定情況下，光譜儀分辨率很大程度取決于狹縫寬度。

其中，為入射角；為準(zhǔn)光鏡M2焦距。

對式(1)兩邊入射角求導(dǎo)，化簡可得

由式(2)可知，所測譜線寬度和狹縫寬度成正比，狹縫寬度越小，分辨率越高，但同時(shí)掃描速度也會(huì)降低。一般認(rèn)為，分辨率越高，光譜儀測量的光信號準(zhǔn)確率越高；然而隨著狹縫寬度逐漸降低，光衍射效應(yīng)逐漸變得明顯，從而影響光譜儀的測量準(zhǔn)確度。

同樣以狹縫S2為例，狹縫長為；寬為，設(shè)>>；衍射角為，則光強(qiáng)在軸上分布為

中央亮紋半寬度為

角半寬度是衍射效應(yīng)強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，對于給定波長，縫寬越小，對光束限制越大，衍射效果越明顯，反之亦然。

光譜儀對光信號的測量主要是指對光源功率和波長準(zhǔn)確的表征[3]。由以上分析可知，當(dāng)光譜儀分辨率增高，可能會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，而衍射將會(huì)影響投射在探測器上的光斑質(zhì)量，從而降低功率和波長測量的準(zhǔn)確度。

2　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

光譜儀分辨率在本文是指該儀器探測到光譜輻射能量的最小波長間隔；分辨率帶寬是指從單色器射出的單色光譜線強(qiáng)度輪廓曲線二分之一高度處的譜帶寬度。分辨率帶寬用于表征儀器的光譜分辨率，因此，可通過設(shè)置光譜儀分辨率帶寬而達(dá)到改變其分辨率的目的。

實(shí)驗(yàn)選用Agilent 86142B光柵型光譜儀，其內(nèi)部采用雙通過單色儀設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍測量。

2.2　結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.2.1分辨率帶寬對功率測量的影響

將光譜儀測得的光源功率值與標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)（EXFO，81634B）測得的標(biāo)準(zhǔn)值比較，可得數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2　分辨率帶寬對功率測量的影響

由圖2可知，無論是測量1310 nm還是1550 nm的DFB光源，當(dāng)光譜儀分辨率帶寬為10 nm且不斷降低時(shí)，測得的光源光功率越來越接近標(biāo)準(zhǔn)值；然而，當(dāng)分辨率帶寬降低到0.2 nm以下時(shí)，測得的光源光功率波動(dòng)越來越大，逐漸偏離標(biāo)準(zhǔn)值，且分辨率帶寬越小，測量值波動(dòng)程度越來越大。

這是因?yàn)楫?dāng)光譜儀分辨率帶寬降低時(shí)，入射和出射狹縫縫寬也會(huì)調(diào)小。當(dāng)狹縫寬度小到一定值時(shí)（?≈），滿足衍射條件。狹縫這一不連續(xù)性條件引起波改變傳播方向的現(xiàn)象，導(dǎo)致只有前幾級亮紋投射在光譜儀光電探測器上，從而影響光譜儀對光功率測量的準(zhǔn)確度。這種影響對波長較大的光源測量尤為明顯。

日常使用或校準(zhǔn)光譜儀光功率測量功能時(shí)，應(yīng)選擇適中的分辨率帶寬，以提高光譜儀對光源功率測量的準(zhǔn)確度，更好地發(fā)揮光譜儀的性能。

2.2.2分辨率帶寬對波長測量的影響

將光譜儀測得的光源波長與標(biāo)準(zhǔn)光波長計(jì)（Agilent，86120）測得的標(biāo)準(zhǔn)值比較，可得數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 分辨率帶寬對波長測量的影響

根據(jù)圖3可知，無論是測量1310 nm還是1550 nm的DFB光源，當(dāng)光譜儀的分辨率帶寬較大時(shí)，測得的波長值波動(dòng)較大。但隨著分辨率帶寬逐漸減小至0.5 nm，波動(dòng)減少，且測得的光波長越來越接近標(biāo)準(zhǔn)值。由前面分析可知，當(dāng)狹縫寬度小到一定值時(shí)（△≈），滿足衍射條件，導(dǎo)致只有前幾級亮紋投射在光譜儀光電探測器上，然而前幾級亮紋依然保證了光波長準(zhǔn)確度，所以降低光譜分辨率帶寬并未對光譜儀波長測量帶來影響。

分辨率提高會(huì)提高波長測量準(zhǔn)確度；同時(shí)會(huì)降低光譜儀掃描速度。因此，日常使用光譜儀進(jìn)行光波長測量時(shí)，應(yīng)選擇合適的分辨率帶寬。而在校準(zhǔn)該功能時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇光譜儀常用分辨率帶寬值。

3　結(jié)論

本文通過研究光譜儀工作原理，分析不同分辨率帶寬可能給光源功率和波長測量帶來的影響，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)分辨率帶寬較高時(shí)，減小光譜儀分辨率帶寬有利于提高光譜儀光信號測量準(zhǔn)確度，尤其是波長測量準(zhǔn)確度；但是隨著分辨率帶寬下降到較低值，狹縫寬度過低，發(fā)生衍射效應(yīng)而降低光功率測量準(zhǔn)確度。因此，在光譜儀使用或校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)確保狹縫寬度不會(huì)過低而產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，同時(shí)選擇較低分辨率帶寬以提高光譜儀測量準(zhǔn)確度。

[1] 施建華,伏思華,謝文科.光柵光譜儀光譜響應(yīng)誤差校正[J].中國光學(xué),2014,7(3):483-490.

[2] 張玲,王堃,梁士利.光柵光譜儀探測本領(lǐng)的綜合分析[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,32(3):362-365.

[3] 全國光學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 1035—2008通信用光譜分析儀檢定規(guī)程[S].北京:中國計(jì)量出版社,2008.

Effect of Resolution Bandwidth on Power and Wavelength Measurement of Grating Spectrometer

Li Jianzheng Zeng Xin Hu Wanjun

(Guangzhou GRG Metrology & Test Co., Ltd.)

This paper discusses the operating principle of optical spectrum analyzer (OSA) and indicates that resolution bandwidth of grating spectrometer may has an effect on the measurement accuracy, as relative experiments provide references to the use and the calibration of OSA.

Grating Spectrometer; Resolution Bandwidth; Power; Wavelength

李建征，男，1979年生，本科，工程師，主要研究方向：計(jì)量技術(shù)。E-mail：ljianzheng@grgtest.com