一种高分辨率光栅光谱仪的光路设计

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1、第３１卷第５期四川理工学院学报（自然科学版）Ｖｏｌ３１Ｎｏ５２０１８年１０月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｏｃｔ２０１８文章编号：１６７３１５４９（２０１８）０５００６３０５ＤＯＩ：１０．１１８６３／ｊ．ｓｕｓｅ．２０１８．０５．１０一种高分辨率光栅光谱仪的光路设计１２１陈凯，庞亚军，周克燕（１．天津市德力电子仪器有限公司，天津３００３８０；２．天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津３０００７２）摘要：光谱仪在光纤通信系统中具有非常重要的作用，被用于探测光

2、源光谱辐射特征，测量光源波长、功率和信噪比等关键指标。传统光栅光谱仪通过增加光栅线数和准直光路系统焦距的办法来提高分辨率，却带来成本高、仪器体积大、调试困难等问题。为此，研究提出了基于光栅四次衍射的光谱仪光路设计，通过棱镜和平面镜的多次反射，使光信号经过四次衍射，这可极大提高分辨率并减小光路体积。研究分析了新设计的光路原理，建立了四次衍射中波长与色散率、分辨力之间的关系方程式，并使用Ｚｅｍａｘ软件进行了仿真模拟。仿真结果与理论计算一致，均表明新光路设计能够满足６００ｎｍ～１７００ｎｍ波段分光，分辨力Ｃ波段大于２０ｐｍ，１７００ｎｍ时的最高分辨力为１３ｐｍ。关键词：光谱仪；光学设计

3、；四次衍射；分辨率中图分类号：ＴＨ７４４１文献标志码：Ａ光栅分光在波长范围、分辨率和成本等方面能够满足光引言纤通信系统波段的测试需求。目前光纤通信所用光栅在光纤通信领域，各种半导体激光光源、光纤放大光谱仪主要采用双通结构，即两次衍射分光系统来达到器、滤波器等有源或无源器件的应用日益广泛，而波分较高的分辨率，通过旋转光栅进行波长扫描，典型的如复用技术的发展使得光信道间隔越来越密集，这就导致安捷伦公司的双通光路结构和中国电子科技集团４１所［１３］［９１２］光信号在信道中传输的情况更加复杂。因此，无论的准Ｌｉｔｔｒｏｗ光路系统等，见表１。是光纤通信系统研究机构、器件生产厂家还是运

4、营维护表１国内外光纤通信光栅光谱仪现状机构，都需要对光信号的光谱进行探测，充分了解光源波长范围最高ＦＷＨＭ厂商／型号光路类型／ｎｍ／ｐｍ质量和经过光纤通信系统后的光信号品质，以保证光纤中电４１所准Ｌｉｔｔｒｏｗ６００－１７００５０［４５］通信系统的性能。测量光谱最理想的仪器是光谱安捷伦／８６１４２Ｂ双通６００－１７００６０［６８］仪，但是，目前国内光纤通信系统领域使用的光谱仪横河／ＡＱ６３７０Ｃ—６００－１７００２０被国外垄断，其主要厂家有美国ＥＸＦＯ、安捷伦、日本横ＥＸＦＯ／ＦＴＢ－５２４０Ｂ四通１２５０－１６５０３３河等，无国产商业化产品。ＪＤＳＵ／ＯＳＡ－５００—１２５

5、０－１６５０３５光栅光谱仪是光纤通信系统测试的主流光谱仪，其从表１可知，目前国内外光纤通信光栅光谱仪的光收稿日期：２０１８０４０８基金项目：科技部国家重大科学仪器设备开发专项（２０１４ＹＱ５１０４０３）作者简介：陈凯（１９８５），男，四川自贡人，助理工程师，主要从事光通信测试仪表与光谱仪器设计方面的研究，（Ｅｍａｉｌ）ｃｈｅｎｋａｉ＠ｄｅｖｉｓｅｒ．ｃｏｍ．ｃｎ６４四川理工学院学报（自然科学版）２０１８年１０月谱分辨率（ＦＷＨＭ）在６０ｐｍ～２０ｐｍ之间，光路中准直纤芯层直径，约９μｍ；ＬＥＮ为消色差透镜（Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ系统采用焦距为百毫米级别的球面镜，因此设备结构

6、复Ｌｅｎ），焦距５０ｍｍ；ＡＤ为消色差消偏器（ＡｃｈｒｏｍａｔｉｃＤｅｐｏ［１３１４］杂，体积大，成本高，对调试要求很高。另外，大焦ｌａｒｉｚｅｒ），可消除偏振对光栅衍射效率的影响；Ｇ为全息平距的准直系统会因振动或者温度变化而引起接收光斑面光栅（Ｇｒａｔｉｎｇ），光栅常数为９００ｇ／ｍｍ；Ｐ为直角棱镜位置漂移，使得接收狭缝需要有机械对准系统，这再次（ＲｉｇｈｔＡｎｇｌｅＰｒｉｓｍ），系统设置１７００ｎｍ时入射角为７５°，增加了系统复杂性和成本。此时衍射光宽度最宽，因此直角棱镜应固定于长边垂直于针对这一现状，本文设计了一种新型光栅光谱仪结１７００ｎｍ衍射光的位置；Ｍ为平面反射镜

7、（Ｍｉｒｒｏｒ）。构，其特点是使用直角棱镜和平面镜对衍射光束进行多新型光路的工作原理是：待测信号通过ＦＡ的一根次反射，使光束四次达到光栅表面进行衍射，得到了高纤芯（入射狭缝）导入，经过消色差透镜变为平行光，使于双通光路的分辨率效果。该光路设计采用了常见的得光信号偏振度降低，同时光束第一次入射到光栅上，光学器件，准直器件的焦距更短，调试部件少，得到了性被衍射分光；垂直入射棱镜的衍射光被棱镜折反后第二能优良、成本低的良好效果。新设计为国内高分辨率光次入射到光栅上，第二次衍射光照射到平