【摘要】：隨著光學回音壁模式傳感器、高頻譜純凈度激光器、高速光纖通訊等領域的發(fā)展,急需一種高分辨力、大動態(tài)范圍、低波長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兼顧上述三個指標的光譜分析方法,但目前國內(nèi)已報道的相干光譜分析方法分辨力為48fm、動態(tài)范圍為38d B、波長不確定度為0.8pm,與國外先進水平相比仍有差距。本文針對上述問題,就如何提高相干光譜分析系統(tǒng)的動態(tài)范圍、分辨力以及降低波長不確定度分別展開研究。本文的主要研究內(nèi)容如下:1.相干光譜分析系統(tǒng)的噪聲分析及電路設計。針對現(xiàn)階段相干光譜分析系統(tǒng)噪聲過大,動態(tài)范圍不足的缺點,建立系統(tǒng)完整信號鏈模型,并在此基礎上對系統(tǒng)內(nèi)各模塊進行噪聲分析及電路設計。首先根據(jù)系統(tǒng)要求的動態(tài)范圍指標,計算出系統(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,設計結(jié)果小于系統(tǒng)所能接受的總噪聲量值上限,驗證系統(tǒng)設計的合理性。2.光譜解卷積方法的研究。為了進一步提取待測光譜的完整信息,實現(xiàn)光譜信號復原,本文對限制相干光譜分析系統(tǒng)分辨力的因素進行分析,研究了光譜卷積退化的過程,并根據(jù)光譜卷積退化所導致的頻譜展寬特點,利用維納解卷積算法,恢復出原始信號,從而進一步提高相干光譜分析系統(tǒng)的分辨力。3.實時波長標定模塊的設計。針對可調(diào)諧激光器掃描非線性現(xiàn)象所導致的輸出波長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標準器相結(jié)合的實時波長標定系統(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轉(zhuǎn)換為掃描激光器輸出信號的瞬時頻率,建立光譜采樣點與波長的關系,從而降低系統(tǒng)的波長不確定度。4.搭建相干光譜分析系統(tǒng)性能測試實驗。首先對系統(tǒng)硬件電路各模塊的噪聲進行測試;利用解卷積算法,對系統(tǒng)的輸出光譜信號進行解卷積,分析其結(jié)果;搭建實時波長標定系統(tǒng),對系統(tǒng)的波長不確定度進行測試;搭建完整實驗系統(tǒng),對系統(tǒng)的分辨力、動態(tài)范圍進行測試;實驗表明,相干光譜分析系統(tǒng)最終可實現(xiàn)40fm分辨力、45d B動態(tài)范圍及0.44pm的波長不確定度。最后,用相干光譜分析系統(tǒng)對光學頻率梳、馬赫曾德爾干涉儀輸出光譜信號進行測試,與普通光譜儀相比具有更高的分辨力及性能優(yōu)勢。
【圖文】：

技術作為一種重要的分析手段，被廣泛應用于光傳11]等領域之中。在這些應用中，光譜分析技術的光長不確定度等指標將直接決定光通信、光傳感以及，特別是隨著光學回音壁模式傳感器[1-4]、高頻譜純通訊[8-11]等技術的發(fā)展，對于光譜分析技術的技術現(xiàn)在：感方面，光學回音壁模式（Whispering gallery mo共振腔內(nèi)回音壁光譜特性的微弱變化，實現(xiàn)快速、生物小分子，大至癌癥細胞的生化樣本[1-3]。2008ollmer 等人利用如圖 1-1 所示的實驗裝置，通過光對最小厚度為 0.5pm 的生物分子的檢測[4]。在該系微腔的頻譜位置的移動量約為 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波長精度只為 20pm，，難以滿足亞皮米分辨力量級測量。

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學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)動光柵以增大會影響光譜分析系統(tǒng)的響應速度。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量范圍不能限制了光柵光譜分析方法的進一步發(fā)展，當前，基于這高可達到 10pm 的光譜分辨力且波長不確定度為 0.2nm。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN713;O657.3

【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

1 代永紅;劉彥飛;周浩天;單欣;艾勇;;空間相干光通信中平衡探測器靈敏度測試實驗[J];紅外與激光工程;2015年10期

2 代永紅;艾勇;肖偉;周浩天;單欣;;高速相干光通信平衡探測器研究[J];光子學報;2015年01期

3 楊懷棟;徐立;陳科新;黃星月;何慶聲;譚峭峰;金國藩;;盲目反卷積光譜圖超分辨復原算法[J];光譜學與光譜分析;2007年07期

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1 趙金龍;皮米分辨力激光外差干涉測量中信號處理的關鍵技術研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

2 姜雪林;基于外差干涉的超高分辨力相干光譜分析系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

3 姜桃飛;基于布里淵動態(tài)光柵的超高精度光譜分析技術研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2014年

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5 趙凌輝;基于FPGA的激光波長查詢儀研究[D];大連理工大學;2013年

6 郝糧寧;基于體光柵的頻譜組束研究[D];華中科技大學;2013年

本文編號：2680568