光谱测量实验

光谱测量实验报告
专业：物理电子学
实验时间：2013.12
一、实验目的
1、通过实验学习了解光源、探测器与光纤间的耦合连接方法；
2、通过文献调研和学习，了解光谱测量方法，重点是光纤光谱仪
的工作原理、窄带激光带宽的零拍法和外差法；
3、通过光纤光谱仪测试实验，掌握利用光纤光谱仪测量光纤激光
器、SLD、LED、LD的线宽，中心波长；
4、通过对窄带（kHz带宽）激光带宽的测量学会激光带宽的外差
法；
5、学会独立用C或VC编程来处理外差法测试数据。

二、实验内容
1、学习光源与光纤连接耦合方法；
2、利用光纤光谱仪测量光纤激光器、SLD、LED、LD的线宽，中心
波长；
3、利用外差法测量超窄线宽激光带宽；
4、用C或VC编程获得外差法测量的频谱宽度。

三、实验原理
1、基本方法：光纤的处理
剥皮切割连接熔接
2、光源光谱测量方法
光源中心波长、带宽测量常用的四种方法：
1.传统的反射光栅型光谱分析仪，典型设备如Angilent 861242B
等系列产品,其最小分辨率带宽为0.06nm（约7GHz)。

2.扫描式（光纤）法布里—珀罗干涉仪（FP腔），典型设备如
Newport公司的“超腔”和Micron Optics公司提供的
FFP-TF ，其分辨率带宽难于做到小于1MHz 。

3.光纤环形腔。

4.Okoshi 1980年首先提出的自差法干涉仪 （1）超窄线宽激光带宽的拍频法：零拍法原理
单模激光可认为是一个有相位扰动振幅稳定的准单色电磁场
（1）
代表相位的随机波动,它导致谱线展宽。

当采用光纤延时的零拍法时,其合成场可表示为
ＥT (ｔ)=Ｅ(ｔ)+αＥ(ｔ+τ0) （2）
与激光线宽相联系,这里引进光电流自相关函数ＲＩ(τ),它取决于(2)式所决定的总合成场的强度相关函数。

如下式
Ｒ(τ)=ｅσＧ(2)E Ｔ(0)δ(τ)+σ2Ｇ(2)ET (τ) （3）
式中ｅ为电子电荷,σ为光电探测器灵敏度,δ即是δ函数,Ｇ(2)ＥＴ(τ)为二阶光电流强度相关函数：
Ｇ(2)ET (τ)=〈ＥＴ(ｔ)Ｅ Ｔ(ｔ)ＥＴ(ｔ+τ)Ｅ Ｔ(ｔ+τ)〉 （4） 根据著名的Wiener-Khintchine 公式,通过对自相关函数进行傅里叶变换，得到光电流的谱密度:
()
()
(
)
⎪⎭
⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+-+-+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-++=)exp(sin cos cos cos 11
exp 42exp cos 21)(00020020
22
02
4021θωπαωδτθαασωch E S 对光程差，
反映了两光路之间的相2代表了相对延迟，2式中00γττγττ==为单模激光角频率2差，而反映两束光之间的相位0000γτωτωθ==FWHM (
半
1.coupler,
2.fiber time delay line,
3.coupler
))]((exp[)(t t j E t E o o ϕω+=)(t ϕ
高全宽)。

上式可以看出,当延时时间变短时,能量就向体现相干特性的第一项δ函数集中;当延时时间变长时能量逐渐向第二项转移,光的相干特性将转化为光的相拍特征,第二项中表现为准
Lorentz 线形,其半高全宽(ＦＷＨＭ)为4γ,是被测激光线宽的两倍,
即
这就是用零拍法测量激光线宽工作原理;同时必须注意到
第二项大括号中的因子对光电流谱线的影响。

零拍谱线
（2）超窄线宽激光带宽的拍频法: 外差法原理
为了减小零拍法中1/f 等低频噪声影响，可采用外差法，即通过调制使两路光产生一个差频，然后相拍，使拍频信号被调制到一个较高的频率位置。

四、实验步骤
1、光纤光谱仪测量光源中心波长、带宽
实验装置：
（1）预处理光纤，光源与光纤耦合，光纤与FC连接器相连；（2）通过光功率计调整光源与光纤耦合输出功率适当大小；（3）按实验装置联接光路；
（4）设置光谱仪频率和强度范围参数；
（5）测试光源中心波长和频谱带宽。

（6）记录（打印）实验数据和测试曲线。

2、拍频法测量超窄线宽激光带宽
实验装置：
（1）预处理光纤，光源与光纤耦合，光纤与FC连接器相连；
（2）通过光功率计调整光源与光纤耦合输出功率适当大小；
（3）按实验装置联接光路，接收电路用电压；
（4）测试拍频信号频谱带宽。

开启示波器、信号源、频谱仪、直流稳压电源（5V）；选择信号源一定频率（30Hz~50Hz)和强度的正弦信号,从示波器上观察待接收系统输出拍频信号比较满意为止，此时频谱仪上将出现相应的拍频谱；不断调整频谱仪频率和强度范围参数，直到带宽能比较方便测量为止。

（5）分别保存示波器和频谱仪上的实验数据和测试曲线;
（6）用Origin软件对频谱数据进行平滑处理，得到带宽测量值; （7) 用C或VC编程：写出平滑滤波、快速傅里叶FFT、带宽求解和频谱图程序，对示波器上的输出数据进行处理，得到测试结果。

五、实验数据
1、光纤光谱仪测量光源中心波长、带宽
(a)
(b)
图1.光源光谱测量图由上图可得光源带宽为：16nm
中心波长为1.316µm
2、拍频法测量超窄线宽激光带宽
图2.光源频谱图
图（3）
中心频率为：52.1550041 kHz
带宽为：2*（52.7537313-52.1550041）=1.1974544kHz 六、实验心得
因为光路很简单，在原来光路的基础上微调下就可以做实验了，所以这个实验做起来很简单。

做实验前也认真地看了几遍实验报告，并且翻阅了相关书籍，但在实验时还是遇到了一些问题。

由此看来我对基本概念的理解，基本理论的掌握还不够完整，需要进一步加强基础知识的学习。

当然，通过这次实验也学到了很多东西，同时也开始接触和学习origin这种快捷、功能强大的数据分析软件。

自学软件开始会比较吃力，到现在我还是不能完全熟悉origin的全部功能，我会继续深入学习，直到能够灵活运用为止。