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一种测量Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的系统及方法

阅读：1017发布：2020-08-10

专利汇可以提供一种测量Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种测量Fabry‑Perot标准具自由光谱范围FSR的系统及方法，利用Fabry‑Perot标准具的滤波特性，将宽光谱非相干光源的连续光谱转化为光频率差为一个自由光谱范围 FSR的等间隔梳状频谱，Fabry‑Perot标准具透射光强信号与频率近似等于自由光谱范围的参考信号混频滤波后，通过示波器观察计算Fabry‑Perot标准具的自由光谱范围FSR。本发明采用宽光谱非相干光源，利用Fabry‑Perot标准具自身对光频选择滤波的特性，将连续的光谱转化为频率间隔为一个自由光谱范围FSR的梳状光谱，而自由光谱范围FSR该参数则包含在光强信号I(t)中，通过与参考信号IS(t)混频滤波，转化为一个可被示波器检测到的低频信号fd。该方法简化了测量系统的复杂性，减小了系统的成本，而且操作步骤简单，可以很快地完成对法布里‑珀罗标准具的测量。，下面是一种测量Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种测量Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的方法，其特征在于，包括：
利用Fabry-Perot标准具的滤波特性，将宽光谱非相干光源的连续光谱转化为光频率差为一个自由光谱范围FSR的等间隔梳状频谱，Fabry-Perot标准具透射光强信号与频率等于自由光谱范围的参考信号混频滤波后，通过示波器观察计算Fabry-Perot标准具的自由光谱范围FSR；具体步骤如下：
1)采用宽光谱非相干光源(10)作为测量系统光源，调整准直后的出射光束与Fabry-Perot标准具(11)轴线重合，采用高速探测器(12)接收Fabry-Perot标准具的透射光束，将透射光强信号转化为电信号Im(t)；
2)设置信号发生器(14)输出参考正弦信号IS(t)的频率fS等于Fabry-Perot标准具(11)的标称自由光谱范围参数值；
3)将测量信号Im(t)和参考正弦信号IS(t)经过乘法器(13)，乘法器的输出信号再经过低通滤波器(15)，低通滤波器(15)的低通截止频率设置为fS/2；
4)采用示波器(16)测量低通滤波器(15)的输出信号频率值fd；
5)连续增大或者减小信号发生器(14)输出参考信号IS(t)的频率fS，观察示波器(16)检测得到的频率的变化方向；如果频率fd随参考信号频率fS的增大而增大或者减小而减小，则Fabry-Perot标准具(11)的自由光谱范围FSR等于fS-fd；如果频率fd随参考考信号频率fS的增大而减小或者减小而增大，则Fabry-Perot标准具的自由光谱范围FSR等于fS+fd。
2.根据权利要求1所述一种测量Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的方法，其特征在于，步骤5)中，连续增大或者减小信号发生器(14)输出参考信号IS(t)的频率fS的幅度为
0.1MHz。
3.根据权利要求1所述一种测量Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的方法，其特征在于，重复步骤5)，多次测量求平均值，以提高Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的测量精度。
4.一种测量Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的系统，其特征在于，该系统采用权利要求1所述一种测量Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的方法，包括宽光谱非相干光源(10)、高速光电探测器、信号发生器(14)和示波器(16)；其中，宽光谱非相干光源(10)发射光束进入待测Fabry-Perot标准具(11)，其透射光束光强被高速探测器接收转化为电压信号，该电压信号与信号发生器(14)输出的参考电压信号混频滤波后输入示波器(16)。

说明书全文

一种测量Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的系统及方法

技术领域：

[0001] 本发明属于光学精密测量技术领域，具体涉及一种测量Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的系统及方法。背景技术：

[0002] Fabry-Perot标准具是实现多光束等倾干涉的重要仪器，不仅在高分辨光谱学中用来研究光谱线的超精细结构，而且广泛用于激光器及激光波长稳定，测量长度，波长和折射率等领域。自由光谱范围FSR作为表征Fabry-Perot标准具的一个重要特征参数，在很多使用场合下需要精确确定，特别是对于空气隙的Fabry-Perot标准具，即使出厂时经过精确标定，但是当空气环境发生改变时，Fabry-Perot标准具的自由光谱范围FSR就会发生变化，因此在很多光学精密测量实验中需要重新测量。

[0003] 现有的标定方法，需要将一台可调谐激光器的波长连续锁定到Fabry-Perot标准具的不同阶次谐振频率下，并通过波长计标定。除了可调谐激光器和高精度波长计价格昂贵外，这种方法精度还受限于锁定波长的稳定度，而且操作步骤复杂，对操作人员的专业技术要求较高。发明内容：

[0004] 本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供了一种测量Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的系统及方法。

[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现的：

[0006] 一种测量Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的系统，包括宽光谱非相干光源、高速光电探测器、信号发生器和示波器；其中，宽光谱非相干光源发射光束进入待测Fabry-Perot标准具，其透射光束光强被高速探测器接收转化为电压信号，该电压信号与信号发生器输出的参考电压信号混频滤波后输入示波器。

[0007] 一种测量Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的方法，包括：

[0008] 利用Fabry-Perot标准具的滤波特性，将宽光谱非相干光源的连续光谱转化为光频率差为一个自由光谱范围FSR的等间隔梳状频谱，Fabry-Perot标准具透射光强信号与频率近似等于自由光谱范围的参考信号混频滤波后，通过示波器观察计算Fabry-Perot标准具的自由光谱范围FSR。

[0009] 本发明进一步的改进在于，具体步骤如下：

[0010] 1)采用宽光谱非相干光源作为测量系统光源，调整准直后的出射光束与Fabry-Perot标准具轴线重合，采用高速探测器接收Fabry-Perot标准具的透射光束，将透射光强信号转化为电信号Im(t)；

[0011] 2)设置信号发生器输出参考正弦信号IS(t)的频率fS等于Fabry-Perot标准具的标称自由光谱范围参数值；

[0012] 3)将测量信号Im(t)和参考正弦信号IS(t)经过乘法器，乘法器的输出信号再经过低通滤波器，低通滤波器的低通截止频率设置为fS/2；

[0013] 4)采用示波器测量低通滤波器的输出信号频率值fd；

[0014] 5)连续增大或者减小信号发生器输出参考信号IS(t)的频率fS，观察示波器检测得到的频率的变化方向；如果频率fd随参考信号频率fS的增大而增大或者减小而减小，则Fabry-Perot标准具的自由光谱范围FSR等于fS-fd；如果频率fd随参考考信号频率fS的增大而减小或者减小而增大，则Fabry-Perot标准具的自由光谱范围FSR等于fS+fd。

[0015] 本发明进一步的改进在于，步骤5)中，连续增大或者减小信号发生器输出参考信号IS(t)的频率fS的幅度为0.1MHz。

[0016] 本发明进一步的改进在于，重复步骤5)，多次测量求平均值，以提高Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的测量精度。

[0017] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0018] 本发明采用一个价格低廉的宽光谱非相干光源，利用Fabry-Perot标准具自身对光频选择滤波的特性，将连续的光谱转化为频率间隔为一个自由光谱范围FSR的梳状光谱，而自由光谱范围FSR该参数则包含在光强信号Im(t)中，通过与参考信号IS(t)混频滤波，转化为一个可被示波器检测到的低频信号fd。该方法简化了测量系统的复杂性，减小了系统的成本，而且操作步骤简单，可以很快地完成对Fabry-Perot具的测量。附图说明：

[0019] 图1为本发明的测量系统硬件示意图；

[0020] 图2为连续光谱的光束通过Fabry-Perot标准具后，其透射光束变为离散的梳状光谱示意图；其中，图2(a)为宽光谱非相干光源的连续光谱；图2(b)表示光谱连续的光束进入Fabry-Perot标准具后，其透射光束为一梳状光谱。具体实施方式：

[0021] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

[0022] 本发明一种测量Fabry-Perot标准具自由光谱范围FSR的方法，利用Fabry-Perot标准具的滤波特性，将宽光谱非相干光源的连续光谱转化为光频率差为一个自由光谱范围FSR的等间隔梳状频谱，Fabry-Perot标准具透射光强信号与频率近似等于自由光谱范围的参考信号混频滤波后，通过示波器观察计算Fabry-Perot标准具的自由光谱范围FSR。

[0023] 本发明的测量原理如下：

[0024] 根据多光束原理，Fabry-Perot标准具具有对光频选频滤波的特性，只有满足v＝m×FSR(v为光频，m为正整数)的光波才能透射出Fabry-Perot标准具。因此准直后射入Fabry-Perot标准具的宽光谱非相干光源(10)的投射光谱变为频率间隔为一个自由光谱范围的梳状光谱，如图2所示。该透射光被高速探测器(12)接收后，产生多个外差拍频波信号[0025] Im(t)＝A1cos(ωt)+A2cos(2ωt)+A3cos(3ωt)+…

[0026] 式中Ai为信号幅值，ω＝2π·FSR。

[0027] 引入一个频率fS等于Fabry-Perot标准具标称自由光谱范围FSR的参考正弦信号[0028] IS(t)＝sin(ω′t)

[0029] 式中ω′≈2πFSR。

[0030] 该信号与上述外差拍频波信号相乘后为

[0031]

[0032] 对上述混频信号I低通滤波后，得到可被示波器(16)检测到的低频信号I′＝A1sin((ω-ω′)t)/2，该信号的频率为fd＝|ω-ω′|/(2π)。单向改变参考信号的频率值fS，观察频率fd的变化方向，确定fS与FSR的大小关系，然后可根据参考信号频率fS和测量得到的低频信号频率fd计算Fabry-Perot标准具的自由光谱范围FSR。

[0033] 实施例：

[0034] 1)参见附图1，本发明中采用中心波长为633nm的准直红光LED作为测量系统光源10，,其光谱范围为600nm至650nm调整准直后的出射光束与Fabry-Perot标准具11轴线重合，采用12GHz高速探测器12接收Fabry-Perot标准具的投射光束，将透射光强信号转化为电信号Im(t)。

[0035] 2)根据待测Fabry-Perot标准具11的标称自由光谱范围FSR＝1.5GHz，设置信号发生器14的输出正弦信号IS(t)的频率为fS＝1.5GHz。

[0036] 3)将测量信号Im(t)和参考信号IS(t)经过乘法器13，乘法器的输出信号再经过低通滤波器15，低通滤波器15的低通截止频率设置为fS/2＝0.75GHz。

[0037] 4)采用示波器16测量低通滤波器15的输出信号频率值fd＝1,467,015Hz。

[0038] 5)增大信号发生器14输出参考信号IS(t)的频率到fS＝1,500,100,000Hz，观察示波器16检测得到的低通滤波后的信号频率增大到fd＝1,567,015Hz；继续增大参考信号IS(t)的频率到fS＝1,500,200,000Hz，此时示波器16检测得到的频率增大到fd＝1,667,015Hz，则可判定频率fd随参考信号频率fS的增大而增大，该待测Fabry-Perot标准具的自由光谱范围为FSR＝fS-fd＝1,498,532,985Hz。

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