高分辨力相干光谱分析方法研究

发布时间：2020-05-25 18:31

【摘要】：随着光学回音壁模式传感器、高频谱纯净度激光器、高速光纤通讯等领域的发展,急需一种高分辨力、大动态范围、低波长不确定度的光谱分析方法。相干光谱分析方法已被证明是一种可同时兼顾上述三个指标的光谱分析方法,但目前国内已报道的相干光谱分析方法分辨力为48fm、动态范围为38d B、波长不确定度为0.8pm,与国外先进水平相比仍有差距。本文针对上述问题,就如何提高相干光谱分析系统的动态范围、分辨力以及降低波长不确定度分别展开研究。本文的主要研究内容如下:1.相干光谱分析系统的噪声分析及电路设计。针对现阶段相干光谱分析系统噪声过大,动态范围不足的缺点,建立系统完整信号链模型,并在此基础上对系统内各模块进行噪声分析及电路设计。首先根据系统要求的动态范围指标,计算出系统硬件电路部分可接受的总噪声上限,然后分析了各模块噪声来源并量化了各模块噪声大小,设计结果小于系统所能接受的总噪声量值上限,验证系统设计的合理性。2.光谱解卷积方法的研究。为了进一步提取待测光谱的完整信息,实现光谱信号复原,本文对限制相干光谱分析系统分辨力的因素进行分析,研究了光谱卷积退化的过程,并根据光谱卷积退化所导致的频谱展宽特点,利用维纳解卷积算法,恢复出原始信号,从而进一步提高相干光谱分析系统的分辨力。3.实时波长标定模块的设计。针对可调谐激光器扫描非线性现象所导致的输出波长不确定度增大的问题,本文首先分析了现有基于HCN气体和F-P标准器相结合的实时波长标定系统存在的缺陷。接下来,利用辅助干涉仪,通过希尔伯特变换,将辅助干涉仪输出的信号转换为扫描激光器输出信号的瞬时频率,建立光谱采样点与波长的关系,从而降低系统的波长不确定度。4.搭建相干光谱分析系统性能测试实验。首先对系统硬件电路各模块的噪声进行测试;利用解卷积算法,对系统的输出光谱信号进行解卷积,分析其结果;搭建实时波长标定系统,对系统的波长不确定度进行测试;搭建完整实验系统,对系统的分辨力、动态范围进行测试;实验表明,相干光谱分析系统最终可实现40fm分辨力、45d B动态范围及0.44pm的波长不确定度。最后,用相干光谱分析系统对光学频率梳、马赫曾德尔干涉仪输出光谱信号进行测试,与普通光谱仪相比具有更高的分辨力及性能优势。
【图文】：

频谱,回音壁模式,高频谱,微腔

技术作为一种重要的分析手段，被广泛应用于光传11]等领域之中。在这些应用中，光谱分析技术的光长不确定度等指标将直接决定光通信、光传感以及，特别是随着光学回音壁模式传感器[1-4]、高频谱纯通讯[8-11]等技术的发展，对于光谱分析技术的技术现在：感方面，光学回音壁模式（Whispering gallery mo共振腔内回音壁光谱特性的微弱变化，实现快速、生物小分子，大至癌症细胞的生化样本[1-3]。2008ollmer 等人利用如图 1-1 所示的实验装置，通过光对最小厚度为 0.5pm 的生物分子的检测[4]。在该系微腔的频谱位置的移动量约为 2pm，因此要求光谱，而现阶段商业光谱仪如 Anritsu 公司推出的 MS9波长精度只为 20pm，，难以满足亚皮米分辨力量级测量。

光谱分析,衍射光栅,方法,光谱分辨力

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的光谱分析方法迅速发展，并逐渐成为光谱分析的主流栅分光元件的不同可以分为透射式[12]和反射式[13]两种-2(a)、(b)所示。其中透射式衍射光栅光谱分析方法受透，光谱分析结果精度较低，因此不利于光谱分辨力的进射光栅光谱分析方法虽然无需考虑透射介质材料色散所，但是这种方法通常需要在解调过程中转动光栅以增大会影响光谱分析系统的响应速度。此外，不论是透射式析方法，受原理制约，光谱分辨力和光谱测量范围不能限制了光栅光谱分析方法的进一步发展，当前，基于这高可达到 10pm 的光谱分辨力且波长不确定度为 0.2nm。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN713;O657.3

【参考文献】