李建征 曾昕 胡婉君

分辨率帶寬對(duì)光柵型光譜儀功率和波長(zhǎng)測(cè)量的影響

李建征 曾昕 胡婉君

（廣州廣電計(jì)量檢測(cè)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(duì)其光源功率和波長(zhǎng)測(cè)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(zhǎng)

0　引言

光譜儀因具有響應(yīng)速度快、測(cè)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(duì)光源功率和波長(zhǎng)測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)準(zhǔn)光鏡M1后變成平行光到達(dá)色散光柵；通過(guò)色散光柵G色散作用后，入射光在空間上變成不同波長(zhǎng)的單色光并通過(guò)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(cè)器檢測(cè)出射狹縫S2的出射光并記錄該波長(zhǎng)的光強(qiáng)信號(hào)。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(cè)器即可接收到所對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的光強(qiáng)信號(hào)。

目前，還有部分光譜儀采用雙通過(guò)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(cè)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(kāi)波長(zhǎng)接近的2條譜線的能力，即光譜儀能夠區(qū)分的最小波長(zhǎng)差；在此過(guò)程中，光譜儀需要將2個(gè)臨近波長(zhǎng)的譜線分別成像到探測(cè)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(duì)式(1)兩邊入射角求導(dǎo)，化簡(jiǎn)可得

由式(2)可知，所測(cè)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(cè)量的光信號(hào)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(cè)量準(zhǔn)確度。

同樣以狹縫S2為例，狹縫長(zhǎng)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(duì)于給定波長(zhǎng)，縫寬越小，對(duì)光束限制越大，衍射效果越明顯，反之亦然。

光譜儀對(duì)光信號(hào)的測(cè)量主要是指對(duì)光源功率和波長(zhǎng)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(cè)器上的光斑質(zhì)量，從而降低功率和波長(zhǎng)測(cè)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(cè)到光譜輻射能量的最小波長(zhǎng)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(guò)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(guò)單色儀設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量。

2.2　結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.2.1分辨率帶寬對(duì)功率測(cè)量的影響

將光譜儀測(cè)得的光源功率值與標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)（EXFO，81634B）測(cè)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(duì)功率測(cè)量的影響

由圖2可知，無(wú)論是測(cè)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(cè)得的光源光功率越來(lái)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(cè)得的光源光功率波動(dòng)越來(lái)越大，逐漸偏離標(biāo)準(zhǔn)值，且分辨率帶寬越小，測(cè)量值波動(dòng)程度越來(lái)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(jí)亮紋投射在光譜儀光電探測(cè)器上，從而影響光譜儀對(duì)光功率測(cè)量的準(zhǔn)確度。這種影響對(duì)波長(zhǎng)較大的光源測(cè)量尤為明顯。

日常使用或校準(zhǔn)光譜儀光功率測(cè)量功能時(shí)，應(yīng)選擇適中的分辨率帶寬，以提高光譜儀對(duì)光源功率測(cè)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(duì)波長(zhǎng)測(cè)量的影響

將光譜儀測(cè)得的光源波長(zhǎng)與標(biāo)準(zhǔn)光波長(zhǎng)計(jì)（Agilent，86120）測(cè)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(duì)波長(zhǎng)測(cè)量的影響

根據(jù)圖3可知，無(wú)論是測(cè)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(cè)得的波長(zhǎng)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(cè)得的光波長(zhǎng)越來(lái)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(jí)亮紋投射在光譜儀光電探測(cè)器上，然而前幾級(jí)亮紋依然保證了光波長(zhǎng)準(zhǔn)確度，所以降低光譜分辨率帶寬并未對(duì)光譜儀波長(zhǎng)測(cè)量帶來(lái)影響。

分辨率提高會(huì)提高波長(zhǎng)測(cè)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(zhǎng)測(cè)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(guò)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(zhǎng)測(cè)量帶來(lái)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(hào)測(cè)量準(zhǔn)確度，尤其是波長(zhǎng)測(cè)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(guò)低，發(fā)生衍射效應(yīng)而降低光功率測(cè)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(guò)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(cè)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(guó)光學(xué),2014,7(3):483-490.

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

[3] 全國(guó)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(guó)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