【摘要】：隨著光學(xué)回音壁模式傳感器、高頻譜純凈度激光器、高速光纖通訊等領(lǐng)域的發(fā)展,急需一種高分辨力、大動(dòng)態(tài)范圍、低波長(zhǎng)不確定度的光譜分析方法。相干光譜分析方法已被證明是一種可同時(shí)兼顧上述三個(gè)指標(biāo)的光譜分析方法,但目前國(guó)內(nèi)已報(bào)道的相干光譜分析方法分辨力為48fm、動(dòng)態(tài)范圍為38d B、波長(zhǎng)不確定度為0.8pm,與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍有差距。本文針對(duì)上述問題,就如何提高相干光譜分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍、分辨力以及降低波長(zhǎng)不確定度分別展開研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:1.相干光譜分析系統(tǒng)的噪聲分析及電路設(shè)計(jì)。針對(duì)現(xiàn)階段相干光譜分析系統(tǒng)噪聲過大,動(dòng)態(tài)范圍不足的缺點(diǎn),建立系統(tǒng)完整信號(hào)鏈模型,并在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各模塊進(jìn)行噪聲分析及電路設(shè)計(jì)。首先根據(jù)系統(tǒng)要求的動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo),計(jì)算出系統(tǒng)硬件電路部分可接受的總噪聲上限,然后分析了各模塊噪聲來源并量化了各模塊噪聲大小,設(shè)計(jì)結(jié)果小于系統(tǒng)所能接受的總噪聲量值上限,驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。2.光譜解卷積方法的研究。為了進(jìn)一步提取待測(cè)光譜的完整信息,實(shí)現(xiàn)光譜信號(hào)復(fù)原,本文對(duì)限制相干光譜分析系統(tǒng)分辨力的因素進(jìn)行分析,研究了光譜卷積退化的過程,并根據(jù)光譜卷積退化所導(dǎo)致的頻譜展寬特點(diǎn),利用維納解卷積算法,恢復(fù)出原始信號(hào),從而進(jìn)一步提高相干光譜分析系統(tǒng)的分辨力。3.實(shí)時(shí)波長(zhǎng)標(biāo)定模塊的設(shè)計(jì)。針對(duì)可調(diào)諧激光器掃描非線性現(xiàn)象所導(dǎo)致的輸出波長(zhǎng)不確定度增大的問題,本文首先分析了現(xiàn)有基于HCN氣體和F-P標(biāo)準(zhǔn)器相結(jié)合的實(shí)時(shí)波長(zhǎng)標(biāo)定系統(tǒng)存在的缺陷。接下來,利用輔助干涉儀,通過希爾伯特變換,將輔助干涉儀輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為掃描激光器輸出信號(hào)的瞬時(shí)頻率,建立光譜采樣點(diǎn)與波長(zhǎng)的關(guān)系,從而降低系統(tǒng)的波長(zhǎng)不確定度。4.搭建相干光譜分析系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)系統(tǒng)硬件電路各模塊的噪聲進(jìn)行測(cè)試;利用解卷積算法,對(duì)系統(tǒng)的輸出光譜信號(hào)進(jìn)行解卷積,分析其結(jié)果;搭建實(shí)時(shí)波長(zhǎng)標(biāo)定系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)的波長(zhǎng)不確定度進(jìn)行測(cè)試;搭建完整實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)的分辨力、動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行測(cè)試;實(shí)驗(yàn)表明,相干光譜分析系統(tǒng)最終可實(shí)現(xiàn)40fm分辨力、45d B動(dòng)態(tài)范圍及0.44pm的波長(zhǎng)不確定度。最后,用相干光譜分析系統(tǒng)對(duì)光學(xué)頻率梳、馬赫曾德爾干涉儀輸出光譜信號(hào)進(jìn)行測(cè)試,與普通光譜儀相比具有更高的分辨力及性能優(yōu)勢(shì)。
【圖文】：

技術(shù)作為一種重要的分析手段，被廣泛應(yīng)用于光傳11]等領(lǐng)域之中。在這些應(yīng)用中，光譜分析技術(shù)的光長(zhǎng)不確定度等指標(biāo)將直接決定光通信、光傳感以及，特別是隨著光學(xué)回音壁模式傳感器[1-4]、高頻譜純通訊[8-11]等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于光譜分析技術(shù)的技術(shù)現(xiàn)在：感方面，光學(xué)回音壁模式（Whispering gallery mo共振腔內(nèi)回音壁光譜特性的微弱變化，實(shí)現(xiàn)快速、生物小分子，大至癌癥細(xì)胞的生化樣本[1-3]。2008ollmer 等人利用如圖 1-1 所示的實(shí)驗(yàn)裝置，通過光對(duì)最小厚度為 0.5pm 的生物分子的檢測(cè)[4]。在該系微腔的頻譜位置的移動(dòng)量約為 2pm，因此要求光譜，而現(xiàn)階段商業(yè)光譜儀如 Anritsu 公司推出的 MS9波長(zhǎng)精度只為 20pm，，難以滿足亞皮米分辨力量級(jí)測(cè)量。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文的光譜分析方法迅速發(fā)展，并逐漸成為光譜分析的主流柵分光元件的不同可以分為透射式[12]和反射式[13]兩種-2(a)、(b)所示。其中透射式衍射光柵光譜分析方法受透，光譜分析結(jié)果精度較低，因此不利于光譜分辨力的進(jìn)射光柵光譜分析方法雖然無需考慮透射介質(zhì)材料色散所，但是這種方法通常需要在解調(diào)過程中轉(zhuǎn)動(dòng)光柵以增大會(huì)影響光譜分析系統(tǒng)的響應(yīng)速度。此外，不論是透射式析方法，受原理制約，光譜分辨力和光譜測(cè)量范圍不能限制了光柵光譜分析方法的進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)前，基于這高可達(dá)到 10pm 的光譜分辨力且波長(zhǎng)不確定度為 0.2nm。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN713;O657.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2680568