光谱分析仪 Optical spectrum analyzers

2022-11-03 14:04:11 浏览:399

定义

测量光谱的仪器。

光谱分析仪(OSA)是用于测量光谱的精密仪器,在此基础上通常可以进行进一步分析。 一些典型的应用是:

  • 激光和发光二极管 (LED) 等光源的表征
  • 测试光学系统,例如光纤通信网络中的波分复用系统,其中可能需要测试不同波长通道的光功率并测量信噪比。
  • 通过比较有和没有设备的光谱来测量光学系统或设备的波长相关透射率或反射率
  • 根据波长相关增益和噪声系数表征光纤放大器(例如电信掺铒光纤放大器)

专用和通用频谱分析仪

一些频谱分析仪专门用于某些应用:

  • 有些设备用于光通信,仅限于一个或多个电信波段(例如C波段,或从1250到1700nm的全范围)。
  • 一些高分辨率光谱分析仪是为光谱学中的特定应用而设计的,例如拉曼光谱和荧光光谱。 其中一些在红外光谱区域工作得很远。
  • 其他仪器主要用于可见光,例如波长范围从400到1000nm。

其他频谱分析仪是多功能实验室仪器;此类设备可以提供许多功能:

通用光谱分析仪在波长范围、分辨率、灵敏度设置等方面具有极大的灵活性,是多功能的实验室仪器。

  • 它们可以覆盖很宽的波长范围,可能使用不同的光电探测器。
  • 它们通常提供可变波长分辨率(RBW = 分辨率带宽),例如在 0.1 nm 和 5 nm 之间。
  • 扫描速率可以根据扫描波长范围的宽度、分辨率和可能的附加灵敏度设置自动确定。
  • 频谱分析仪可以进行单波长扫描,例如每次接收到一些外部触发信号时,也可以连续进行扫描,定期更新显示(例如使用滚动平均值)。
  • 分析仪的操作参数通过前面板上的控件进行设置。 可以选择保存设备设置,以便使用单个按钮检索它们。
  • 通常有一个内置的数字显示,可以选择不同的显示模式 - 例如,功率谱密度的线性或对数刻度(见下文)。
  • OSA 与计算机的接口,例如通过 USB、GPIB 或网络连接,也很有用。 可以将您测量的光谱传输到计算机,以便在那里存储,处理和显示它们。 此外,人们可以通过计算机自动测量,该计算机也可以控制其他设备。

独立和计算机连接的仪器

使用独立仪器还是与实验室计算机配合使用的仪器?

在某些情况下,仪器控制和显示仅在计算机上完成,例如在普通的个人计算机上。 即使计算计算机的额外费用,此类产品也可以便宜得多。 这种解决方案完全适用于实验室中的固定设置,在那里人们可以从大型计算机屏幕中受益,并通过改进的控制软件进行潜在的良好处理。 如果需要移动设备,例如在现场使用,独立仪器通常更合适。

光输入

输入光可以以不同的方式注入,具体取决于要分析的光源:

  • 许多光谱分析仪具有光纤输入,通常带有某种光纤连接器(例如PC/PC,SC或ST)用于连接光纤跳线。 根据设备的不同,可以使用单模或多模光纤的电缆,有时甚至可以使用光纤束。
  • 在其他情况下,存在自由空间光输入。 通常需要将输入光聚焦到光学狭缝,光束方向大致垂直于狭缝表面。

光纤输入通常是更方便的解决方案。 然后,频谱分析仪可能不会占用光学工作台上的宝贵空间;它可以放置在某个架子或移动机架中。 这种类型的仪器特别适用于光已经通过光纤发送的应用领域。 但是,在某些情况下,人们可以方便地使用光纤束收集光,例如使用大的圆形输入孔径,其中分析仪中的输出光纤可以重新排列,例如沿着适合单色器输入狭缝的线。

即使对于自由空间光学设置,也可以方便地将光发射到合适的光纤中,以便将其传输到频谱分析仪。 当耦合效率不能被认为在相关光谱范围内是恒定的时,可能会出现问题,因为这显然会导致记录的光谱失真。 但请注意,自由空间光束在某种程度上也会出现同样的问题。

光功率和功率光谱密度

从理论上讲,光谱应将功率谱密度(PSD)显示为波长或光频率的函数。 然而,光谱分析仪显示器的垂直轴通常显示光功率而不是PSD。 后者可以通过将该功率除以所选的检测带宽来获得。 然而,由于与电子频谱分析仪类似的原因,这种功率谱密度可能不准确。 校准通常是针对准单色光进行的。 此外,如果带宽是通过其半最大值全宽(FWHM)定义的,则取决于滤波器形状,功率除以带宽与功率谱密度的吻合程度。

为了进行准确的功率测量,最好使用功率计!

请注意,频谱分析仪通常不是最适合光功率测量的设备 - 远远低于功率计。 在许多情况下,还有一个额外的问题,即光传输路径中的耦合效率不精确。 人们可以在外部使用总光功率(用功率计测量)来校准垂直缩放。

频谱分析仪通常使用对数显示刻度来测量光功率,其中可以覆盖较大的动态范围。 通常显示dBm值,这意味着分贝相对于1 mW。 例如,20 dBm 对应于 100 mW。

操作原则

有根本不同的操作原理!

频谱分析仪可以基于非常不同的工作原理,如以下各节所述。 其中一些利用波长相关的衍射角,而另一些则包含某种类型的干涉仪。 使用此类设备实现的性能数据可能大不相同。

基于衍射光栅的光谱分析仪

摄谱仪

一些光谱分析仪基于光谱仪,其中多色光通过衍射光栅在空间上分散,然后发送到某种多通道光电探测器,例如以光电二极管阵列或一维CCD传感器的形式。 有了这个概念,波长分辨率通常由所使用的光电探测器决定。 但是,对于不同的波长范围和分辨率,可以使用不同的光栅。

光谱仪是许多应用的合适解决方案,特别是它们的高采集速度可能非常有利。 但是,它们的工作原理具有一定的局限性:

  • 所需的空间分辨类型的光电探测器只能在有限的波长区域工作,通常不会跨越大部分红外区域。
  • 由于杂散光效应的抑制不完全,动态范围通常非常有限。

因此,高性能频谱分析仪大多设计为扫描仪器 - 请参阅下一节。

扫描仪器

在扫描光谱分析仪(见图1)中,输入光通过可调谐带通滤光片发送,单个高动态范围光电探测器检测透射光功率。 控制电子设备系统地通过要求的波长范围调整传输波长,以便将发射功率记录为波长的函数。 然后将结果显示在数字屏幕上 - 分析仪前面板的屏幕或连接的计算机的屏幕。 波长分辨率由单色器决定。

图1:扫描光谱分析仪的基本设置。

可调谐带通滤光片(单色器)通常基于一个或多个衍射光栅实现。 例如,可以使用Czerny-Turner型单色器,或按顺序使用两个这样的设备,以实现更陡峭的滤波功能,从而将一个波长的强信号对其他波长的读数的影响(例如通过杂散光)最小化。 然后可以通过用精确的电动机旋转光栅来调整所选波长。 还可以在一个旋转盘上安装多个光栅,以便具有不同行距的光栅可用于不同的光谱分辨率,或针对不同光谱区域优化的光栅。

基于光栅的光谱分析仪需要精确的光学机械结构。

用于光栅旋转的电动光机械驱动器应该相当快,但也需要高度精确:它不仅应该能够以非常精细的步长旋转光栅,而且还应该能够以高精度再现任何位置。 老化或机械冲击造成的一些偏差可以通过软件偶尔使用某种光学频率标准进行校准运行来补偿。

波长分辨率可以通过单色器的狭缝宽度来修改,也可以通过使用具有不同线间距的光栅来修改。

动态范围受到单色器质量的限制。

如果使用简单类型的单色器,则动态范围可能限制在30 dB左右,远小于光电探测器通常可以提供的范围。 这主要是因为一个波长的强光可以通过单色器内的杂散光影响其他波长的读数。 因此,人们经常使用双单色器设置,其中两个单色器串联在一起,这些单色器始终需要精确调谐到相同的波长。 这样,可以实现超过70 dB的动态范围。 或者,可以采用双通道通过一个单色器,达到更便宜和更紧凑的设置,但暂定动态范围较小。

当要求更高的波长分辨率时,每个波长扫描的持续时间通常会增加,当要求通过为每个波长箱留出更多时间来提高灵敏度时,可能会进一步增加。 在后一种情况下,检测器信号在较长时间内的平均化(即,应用较低的视频带宽)可减少噪声的影响。 与电子频谱分析仪相比,每个数据点所需的时间实际上不受带通滤波器建立时间的限制,而受噪声平均考虑的限制,如果不是光机械限制的话。

对于特别高的灵敏度,某些设备使用斩波器模式。 在这里,光输入信号用光斩波器调制,并使用锁相检测。 这样,可以大大降低光电探测器低频噪声的影响,但代价是更长的测量时间。

小心随时间变化的输入信号!

扫描光谱分析仪的原理基于以下假设:光输入的特性在扫描期间保持近似恒定。 例如,连续波激光器很可能就是这种情况,但脉冲激光器则不是这种情况,这种仪器可能完全无法使用。 对于从锁模激光器获得的非常高的脉冲重复率,通常不会出现该问题。

一些设备还可以在光栅滤光片的恒定设置下运行,因此可以简单地测量一个特定波长的功率。

当衍射光栅用于波长判别时,可能会引入偏振依赖性。 然而,可以获得与偏振无关的操作,例如通过使用双单色器或双通道设置,其中偏振状态在两个阶段或通道之间旋转90°。

主要是由于需要精确的光机械,因此应非常小心地处理此类精密仪器。 它们有时可能需要一些服务,例如准确的波长重新校准。 仪器也可能具有或多或少方便的校准程序,由用户自己执行,可能需要一些准确的波长标准。

基于法布里-佩罗干涉仪的光谱分析仪

通过使用法布里-佩罗干涉仪作为波长可调带通滤光片,可以实现特别精细的波长分辨率。 在这里,人们使用共振时的高透射率,可以通过用压电换能器微调谐振器长度来调谐。 可以使用带有平面镜的真法布里-佩罗,其中高阶模态的共振频率与基波模大致相同,并且不需要模态匹配,或者使用带有曲面镜的谐振器,其模态与基波模匹配(与通过单模光纤的光传输兼容)。 另一种不需要模式匹配的方法是使用共聚焦谐振器设计,其中横向模式间距是自由频谱范围的一半。

法布里-佩罗的一个基本限制是它们的自由光谱范围非常有限。 因此,此类设备不适合作为通用光谱分析仪,而仅适用于需要在窄波长范围内高分辨率的特定高精度应用。 例如,可以在电信应用中使用此类仪器来跟踪信号的光带宽;带宽越高,它们就越容易受到色散的影响。

作为数值示例,距离较窄的10 mm的空气间隔法布里-佩罗是≈15 GHz的自由光谱范围。 例如,如果其精细度为 1000,则频率分辨率为 15 MHz。 这比本文所述的其他类型的频谱分析仪所能实现的要好得多。 人们也可以获得更大的自由频谱范围和更紧凑的腔体,但对于给定的技巧,同时会降低频率分辨率。 请注意,原则上,使用具有非常高反射率的超级反射镜可以实现更高的技巧,但是对于不需要模式匹配的设计,对齐也变得相当关键。

基于迈克尔逊干涉仪的光谱分析仪

还可以实现基于迈克尔逊干涉仪的光谱分析仪,其工作原理(傅里叶变换光谱)与上述其他原理完全不同。 它不涉及可调谐带通滤波器。 相反,它的工作原理如下:

  • 一个记录干涉仪的输出功率作为臂长差ΔL的函数。 对于单色光输入,这将是正弦振荡,其空间周期可用于计算光波长。 (这是波长计的工作原理;因此这种设备也称为多波长计。
  • 结果(函数P(ΔL),可解释为干涉自相关函数)使用带有微处理器的 FFT 算法进行傅里叶变换。 通过适当的缩放,可提供光输入的光谱。

了解扫描和光电探测器参数与性能参数之间的关系非常重要:

  • 最高可检测光学频率(最小光波长)不仅受所用光电探测器的限制,还受P(ΔL)测量的空间分辨率的限制。 每个振荡周期应该有两个以上的数据点。
  • 最长的可检测波长仅受光电探测器(或可能受光学器件)的限制。
  • 波长分辨率受到测量中扫描的臂长差异范围的限制。 更具体地说,频率分辨率是光速除以臂长差异范围的两倍。 例如,如果扫描超过 15 毫米,则频率分辨率约为 10 GHz,在 1 μm(例如)的波长下对应于 ≈0.03 nm。 最简单的关系实际上是为光谱波数(反波长)得到的:波数分辨率只是路径长度差异范围的倒数。 对于迈克尔逊干涉仪,后者是臂长差异范围的两倍。 在我们的示例中,波数分辨率为 1 / (2 · 1.5 cm) ≈ 0.33 cm−1.

为了获得具有足够高精度的自相关函数,同时记录稳定频率参考激光器(只有轻微位移的光束路径)的自相关函数。 因此,甚至不需要保证精确的线性运动;软件可以通过比较观测光的干涉条纹和参考激光的干涉条纹来检索自相关函数。 因此,甚至可以使用一种简单的音圈电机,例如,它不适合准确到达并保持某个位置。 只有保持准确的对齐,确保两个干涉图彼此精确地相关。

动态范围非常有限!

虽然傅里叶变换测量原理允许人们以相当高的分辨率覆盖长范围,但它在动态范围和灵敏度方面非常有限。 这是因为它的噪声特性。 例如,强单色光输入信号不会精确地导致记录信号的正弦振荡;由于信号的强度噪声或来自光电探测器和电子设备的噪声,会产生所获得光谱的一些宽背景,这限制了对其他波长的微弱信号的灵敏度。 有趣的是,在存在其他强信号的情况下,灵敏度会变得更糟。 因此,我们需要将该动态范围理解为两个光功率的比值:强信号除以另一个波长的弱信号的功率。 仅凭一个微弱的信号就不是一个挑战。

此类系统通常可实现的动态范围约为 30 至 40 dB。 这对于某些应用程序来说已经足够了,但对于其他应用程序则不然。

所解释的问题也不能通过更长的扫描范围来提高波长分辨率来解决。 因此,这样的光谱分析仪几乎不适合拉曼光谱,例如,除非人们能够在进入光谱分析仪之前有效地过滤掉激光。

光谱分析仪的重要性能数据

虽然上面已经提到了各个方面,但最重要的性能数据在下面简要描述:

波长范围

每个光谱分析仪都限制在一定的光波长范围内。 在某些情况下,由于需要更换衍射光栅或光电探测器,因此无法在单个光谱中访问整个波长范围。

波长分辨率和滤光片形状

对于简单的频谱分析仪,波长分辨率可以是固定值,而对于其他仪器,波长分辨率可以修改。

通用光谱分析仪(通常基于光栅)通常提供波长分辨率,例如在0.1 nm和5 nm之间。 高性能器件甚至可以达到0.01纳米(= 10 pm)的分辨率。 例如,低波长分辨率的测量对于提高采集速度是明智的。

不仅半最大值全宽的波长分辨率很重要,而且滤光片的形状也很重要,特别是滤光片功能随着波长偏移的增加而下降的陡峭程度和距离。 这也可能会影响动态范围(见下文)。

专门的高分辨率光谱分析仪,例如基于法布里-珀罗干涉仪的光谱分析仪,可以提供更高的波长分辨率,但由于其自由光谱范围小,只能在非常有限的波长范围内。

波长精度

波长分辨率不应与波长精度混淆。 例如,长期在恶劣环境中使用的仪器可能已经失去了波长校准,因此波长测定总是有一定程度的错误。 如果合适的光学频率标准可用,则用户甚至可以重新校准某些仪器。

动态范围和灵敏度

仪器具有有限的动态范围,即光功率或功率谱密度的范围有限。 该限制不一定由使用的光电探测器设置。 它还可能产生于强波长分量会影响其他波长的读数的问题,例如,通过光栅单色器内的光散射或通过干涉光谱分析仪中的噪声问题。 因此,动态范围和灵敏度规格可能涉及不同的限制:

  • 它可以简单地指示可以合理地检测到的最小光输入功率量(例如,比噪声水平高出几个分贝)。
  • 它可以指示可检测到的微弱信号与另一个强信号相比可能弱多少。 该数量也可能取决于两个信号之间的波长间隔。

还有一个最大光输入功率,设备可以承受而不会损坏。 一些频谱分析仪具有可选的输入衰减器,可用于在更高的功率水平下运行。

功率精度

如上所述,光谱分析仪对于光功率的测量通常不是特别准确。 然而,一些仪器可以预期具有合理的校准 - 特别是用于单模光纤的光纤耦合设备。 例如,在光纤通信网络中,可能需要准确确定信道功率。

采集速度

特别是对于扫描仪器,采集速度可能是一个重要因素。 它通常在很大程度上取决于所选的器件设置,包括波长范围、波长分辨率和灵敏度。 为了在不同设备之间进行公平比较,需要考虑此类设置。

光学测量

作          者: 泮桥成像光电商城

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