微型光譜儀在測量激光波長方面的應(yīng)用分析

1.引言

目前測量激光波長參數(shù)的儀器大致分為三類，一類是波長計，功能簡單，操作方便，精度也比較高，但是一般只能讀出波長數(shù)據(jù)，當激光器是多波長或者光譜較寬時，測量有可能不準確；一類是掃描F-P腔，主要是研究激光器的光譜形狀，一般不給出波長的絕對數(shù)值；還有一類就是光譜儀，它給出激光的絕對波長值也給出激光光譜的形狀。本文將以Avantes公司的微型光纖光譜儀AvaSpec-2048為例，介紹微型光譜儀在測量激光波長方面的應(yīng)用。

2.1 儀器原理

荷蘭Avantes公司的AvaSpec-2048光纖光譜儀，采用對稱式光路設(shè)計，焦距75mm，包括光纖接頭（標準SMA接口，也可以選擇其它類型的接口）、準直鏡、衍射光柵、聚焦鏡和Sony ILX554B型2048像素線陣CCD探測器，測量波長范圍200-1100nm，最高分辨率0.04nm，提供USB1.1或USB2.0接口、RS-232接口和I/O外觸發(fā)接口。

圖1 AvaSpec-2048FT光譜儀的光學(xué)平臺

2.2 性能介紹

2.2.1 外觸發(fā)功能

AvaSpec-2048FT型光譜儀可以工作在連續(xù)測量狀態(tài)，也可以工作在外觸發(fā)模式下。當時用外觸發(fā)模式時，在接受外觸發(fā)信號之后1.3微秒開始測量。在開始測量的同時，光譜儀還可以輸出一個TTL信號來觸發(fā)其他光源，比如脈沖激光器或者氙燈等。這一點在測量脈沖激光器波長測量，尤其時激光重復(fù)頻率比較低時（比如每秒鐘1次）非常有用。此外，在AvaSoft-Full軟件還可以設(shè)置光譜儀輸出TTL信號與開始測量光譜之間的時間延遲，延遲時間從-42ns到2.7ms可調(diào)。

圖2 AvaSpec-2048FT光譜儀外觸發(fā)時序圖

t1= 從收到外觸發(fā)信號到發(fā)出TTL電平， 1.3us

t2=從發(fā)出TTL電平到開始測量, -42ns ?C 2.7ms可調(diào), 步長42ns

tint= 積分時間, 2.0ms ?C 60sec可調(diào)

2.2.2 多通道間同步采樣

AvaSpec-2048光譜儀可以配置成雙通道或多通道（USB1.1平臺最多8個通道，USB2.0平臺最多128通道），整臺光譜儀采用主從電路板控制，各通道間可實現(xiàn)真正意義上的同步數(shù)據(jù)采集。

圖3 AvaSpec-2048FT-8 八通道光譜儀

由于每個通道均包括一個獨立的光學(xué)平臺，各通道的光譜分辨率和光譜范圍都可以靈活選擇。我們既可以選擇多個通道覆蓋全部的200～1100nm波長范圍，也可以只覆蓋紫外部分、可見或近紅外部分，如何選擇完全取決于用戶的興趣和需要。比如綠光激光器用戶可以選擇覆蓋532nm和1064nm兩個波長附近的波段就足夠了。這樣就在很經(jīng)濟的成本下獲得了足夠的分辨率。

2.2.3 強大的歷史通道功能

在AvaSoft-FULL軟件中的History功能，使我們可以很方便的監(jiān)視激光波長、幅值、波峰數(shù)目等參數(shù)隨時間的變化，甚至我們還可以自定義一些參量，并觀察它們隨時間的變化。同時，USB2平臺的光譜儀還附帶了模擬和數(shù)字輸出，這些模擬和數(shù)字輸出口的值可以對應(yīng)于History中定義的函數(shù)。

2.3 測量方法

測量激光波長是光譜儀最簡單的一項應(yīng)用。使用時只要按照如下步驟即可：

1．安裝軟件AvaSoft-FULL

2．使用USB線或RS232線纜將光譜儀與計算機連接。

3．使用光纖將待測光信號耦合進光譜儀，運行軟件就可以得到光譜數(shù)據(jù)。

下面介紹不同類型激光器的測量方法。

2.3.1 連續(xù)激光器

對于連續(xù)激光器來說，測量尤為簡單。運行軟件后，設(shè)置合適的積分時間，如下圖所示，就可以得到一個合適的光譜圖。圖4是一個日光燈光譜。

圖4日光燈光譜

為了使測量的激光峰值波長更為準確，需要正確的設(shè)置Setup下的Smoothing and Spline參數(shù)，具體可以按照軟件手冊中的說明操作。在測量激光時應(yīng)該注意的是，由于激光功率都很強，一般不直接把激光耦合進光纖，而是將激光打在一個屏上，使用光纖接受從屏散射的一點光就可以了。

2.3.2脈沖激光器

對于重復(fù)頻率比較高（比如100Hz以上）的脈沖激光，可以使用把它當成一個連續(xù)激光來測量。而重復(fù)頻率比較低，或者個別的需要測量單脈沖的情況下，為了準確地和激光脈沖同步，光譜儀最好工作在外觸發(fā)模式下。如圖5所示。

在外觸發(fā)模式下，我們可以選擇上升沿觸發(fā)（Edge Triger），也可以選擇高電平觸發(fā)（Level Triger），在上升沿觸發(fā)模式下，只要光譜儀的觸發(fā)管腳（DB15的第4管腳或者DB26的第6管腳）接收到一個上升沿后1.3μs光譜儀開始一次測量；而使用高電平觸發(fā)則只要觸發(fā)管腳是高電平，光譜儀就一直不斷的測量。

圖5

2.3.3監(jiān)測激光波長隨時間變化

要監(jiān)測激光波長隨時間的變化，需要首先在History->Function Entry中(如圖6)設(shè)置參數(shù)。然后選擇History->Start Measuring就可以看到激光波長隨時間變化的曲線了。

圖6

3．結(jié)論

使用AvaSpec-2048光譜儀進行激光波長測量，具有功能強大，性價比高、測量精度高、測量速度快、操作簡單等特點，而且體積小巧，方便集成到系統(tǒng)中進行在線監(jiān)測。