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English| 發(fā)布日期：2023-03-13 |
實(shí)驗(yàn)背景
隨著激光器的制作工藝的完善和成本的降低，激光器已被廣泛應(yīng)用于光纖通信、測(cè)量技術(shù)、醫(yī)療、生物工程等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中，使用者對(duì)激光器的各項(xiàng)性能指標(biāo)越來越關(guān)注。
激光器的中心波長(zhǎng)、半高寬和功率大小是其重要的性能指標(biāo)。由于半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的激光具有一定的發(fā)散角，故需采用積分球結(jié)合光譜儀和功率計(jì)的方式去測(cè)量。積分球具有獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)，激光在積分球內(nèi)經(jīng)過多次漫反射后可以形成均勻的光強(qiáng)分布，激光束功率的測(cè)量則不受激光束偏振及校準(zhǔn)的影響。
光源在植物照明、生物醫(yī)療成像、人體健康等方面應(yīng)用廣泛，光源的光譜是決定該光源使用特性的重要參數(shù)。LED植物照明光源，光譜對(duì)植物光合作用和形態(tài)建成的影響以及光照強(qiáng)度對(duì)植物生長(zhǎng)情況的影響。分析太陽光譜的變化情況、不同光譜波段對(duì)人體生理健康的影響，以及光照對(duì)一些疾病的治療作用。分析光照對(duì)人類睡眠的影響，引導(dǎo)人們合理選擇人造光源，確保睡眠健康。
采用光纖光譜儀對(duì)激光/光源可進(jìn)行精確、快速的波長(zhǎng)和半峰寬的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，相較于通常用來測(cè)量激光參數(shù)的波長(zhǎng)計(jì)和掃描F-P腔方法，使用光纖光譜儀得到的信息更為完整，能同時(shí)測(cè)得激光的絕對(duì)波長(zhǎng)和激光光譜的形狀，并且儀器體積小巧，易集成到系統(tǒng)中，在生產(chǎn)線上操作；相較于傳統(tǒng)的光譜儀，MS11639光纖光譜儀相較于傳統(tǒng)光譜儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，測(cè)量更加精確，并且可以脫離樣品池的限制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)實(shí)地測(cè)量。
實(shí)驗(yàn)原理
光譜儀一般由分光系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，其工作原理是將光源發(fā)出的復(fù)色光按照不同的波長(zhǎng)分離出來，配合各種光電探測(cè)器件對(duì)譜線強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，獲得光譜強(qiáng)度（輻射）分布，半峰寬等光色性能參數(shù)。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備
測(cè)量方法
光源測(cè)量方法一：光譜儀+光纖+積分球+采樣支架
1、連接系統(tǒng)如圖2所示：激光器連接5V電源適配器，用光纖一端連接激光器，另一端連接到積分球上端光纖接口處。另一根光纖把積分球側(cè)面接收端口與光譜儀MS11639相連接。用USB數(shù)據(jù)線將光譜儀與電腦相連。
圖2.激光測(cè)量系統(tǒng)裝置搭建
2、打開光譜采集軟件，選擇僅光譜儀模式。
3、點(diǎn)擊“單次”按鈕采集暗光譜，后點(diǎn)擊“保存暗光譜”以扣除暗背景。
4、打開激光器，點(diǎn)擊“連續(xù)”測(cè)量按鈕使激光常亮，調(diào)節(jié)積分球上端激光發(fā)射口與積分球的距離、激光器的功率、積分時(shí)間與平均次數(shù)等條件使得軟件上呈現(xiàn)較好的激光特性譜圖，并讀取譜圖中數(shù)據(jù)。
圖3.785nm激光器測(cè)試參數(shù)圖
從圖中可以得出激光器的中心波長(zhǎng)位于784.639 nm處，激光呈現(xiàn)出較好的單一性，其半峰寬為1.970 nm。
光源測(cè)量方法二：光譜儀+光纖+可調(diào)光衰器
1、連接系統(tǒng)如圖4所示：用光纖一端連接氘鎢燈DH2000-Mini，另一端接到可調(diào)光衰器處，再用另一根光纖連接可調(diào)光衰器與光譜儀，用USB數(shù)據(jù)線將光譜儀HS4096與電腦相連。
圖4.光源測(cè)量系統(tǒng)裝置搭建
2、打開氘鎢燈DH2000-Mini，預(yù)熱5分鐘。
3、打開光譜采集軟件，選擇僅光譜儀模式。
4、點(diǎn)擊“單次”按鈕采集暗光譜，后點(diǎn)擊“保存暗光譜”以扣除暗背景。
5、點(diǎn)擊“連續(xù)”測(cè)量按鈕，通過可調(diào)光衰器調(diào)節(jié)光源強(qiáng)弱，調(diào)整積分時(shí)間與平均次數(shù)等條件使得軟件上呈現(xiàn)較好的光源特性譜圖，并讀取譜圖中數(shù)據(jù)。
圖5.DH2000-Mini測(cè)試參數(shù)圖
選用HS4096 200-850nm的光譜儀測(cè)試氘鎢燈的光譜，靈敏度高。快速獲取氘鎢燈的光譜特性，以便指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。
光源測(cè)量方法三：光譜儀+光纖
1、連接系統(tǒng)如圖6所示：用光纖一端連接532nm可調(diào)激光器，另一端光纖連接光譜儀HS4096，用USB線將光譜儀與電腦相連。
圖6.光譜測(cè)量系統(tǒng)裝置搭建
2、打開光譜采集軟件，選擇僅光譜儀模式。
3、點(diǎn)擊“單次”按鈕采集暗光譜，后點(diǎn)擊“保存暗光譜”以扣除暗背景。
4、打開532nm可調(diào)激光器，點(diǎn)擊“連續(xù)”測(cè)量按鈕，通過旋鈕調(diào)節(jié)功率大小，調(diào)整積分時(shí)間與平均次數(shù)等條件使得軟件上呈現(xiàn)較好的激光器光譜圖，并讀取譜圖中數(shù)據(jù)。
從圖中可以得出激光器的中心波長(zhǎng)位于531.955nm處，激光呈現(xiàn)出較好的單一性，其半峰寬為0.705nm。
光源測(cè)量方法四：光譜儀+光纖+積分球
1、連接系統(tǒng)如圖7所示：用光纖一端連接積分球，另一端連接光譜儀，用USB線將光譜儀XS11639與電腦相連。
2、打開待測(cè)光源，預(yù)熱3-5分鐘。
3、打開光譜采集軟件，選擇僅光譜儀模式。
4、點(diǎn)擊“單次”按鈕采集暗光譜，后點(diǎn)擊“保存暗光譜”以扣除暗背景。
5、積分球接收端對(duì)準(zhǔn)待測(cè)光源，點(diǎn)擊“連續(xù)”測(cè)量按鈕，調(diào)整積分時(shí)間與平均次數(shù)等條件使得軟件上呈現(xiàn)較好的光源特性譜圖，并讀取譜圖中數(shù)據(jù)。
圖7. 光源測(cè)量系統(tǒng)裝置搭建
光源測(cè)量方法五：光譜儀+光纖+余弦校準(zhǔn)器
1、連接系統(tǒng)如圖9所示：用光纖一端連接余弦校準(zhǔn)器，另一端連接光譜儀，用USB數(shù)據(jù)線將光譜儀MS11639與電腦相連，余弦校準(zhǔn)器對(duì)準(zhǔn)待測(cè)光源。
圖9.光源測(cè)量搭建系統(tǒng)
2、打開光源，預(yù)熱3-5分鐘。
3、打開光譜采集軟件，選擇僅光譜儀模式。
4、點(diǎn)擊“單次”按鈕采集暗光譜，后點(diǎn)擊“保存暗光譜”以扣除暗背景。
5、余弦校準(zhǔn)器對(duì)準(zhǔn)待測(cè)光源。點(diǎn)擊“連續(xù)”測(cè)量按鈕，通過旋鈕調(diào)節(jié)光源強(qiáng)弱，調(diào)整積分時(shí)間與平均次數(shù)等條件使得軟件上呈現(xiàn)較好的光源光譜圖，并讀取譜圖中數(shù)據(jù)。
光源測(cè)量方法六：光譜儀直接對(duì)光源
1、如圖所示，光譜儀取下SMA905保護(hù)帽，直接測(cè)試光源。
圖10. 532nm激光器測(cè)量光譜
2、打開光譜采集軟件，選擇僅光譜儀模式。
3、點(diǎn)擊“單次”按鈕采集暗光譜，后點(diǎn)擊“保存暗光譜”以扣除暗背景。
4、打開激光器，光譜儀SMA905接口處對(duì)準(zhǔn)待測(cè)激光器。點(diǎn)擊“連續(xù)”測(cè)量按鈕，調(diào)整積分時(shí)間與平均次數(shù)等條件使得軟件上呈現(xiàn)較好的激光器光譜圖，并讀取譜圖中數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
通過利用積分球、光譜儀與光纖搭建的激光光學(xué)參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)可以準(zhǔn)確簡(jiǎn)單、快速方便地測(cè)量出激光器的中心波長(zhǎng)與半峰寬等信息；光源和光譜儀耦合，獲取光源的光譜特性。
配件推薦
如海光電余弦校正器可分別與光譜儀或光纖耦合，接口為標(biāo)準(zhǔn)SMA905，是用于光譜輻射（200-2500nm）取樣的光學(xué)元件，用于收集180°立體角內(nèi)的輻射（光線），從而消除了其它取樣裝置中由于光線收集取樣幾何結(jié)構(gòu)限制所導(dǎo)致的光學(xué)耦合問題。適用于測(cè)量太陽輻射、LED光、激光、環(huán)境光和其它發(fā)光光源。
如海設(shè)計(jì)的積分球通過9.5mm入光口來接收光能量（波長(zhǎng)范圍200~2500nm），再經(jīng)過內(nèi)部漫反射后，將均勻的光能量傳送到輸出端口。輸入端口采用SMA905連接器，可直接耦合到光譜儀中，方便使用。
積分球采用卜型設(shè)計(jì)，內(nèi)膽采用聚四氟乙烯（PTFE）材質(zhì)，不會(huì)因?yàn)榕c空氣發(fā)生氧化反應(yīng)而發(fā)黃變質(zhì)；內(nèi)膽尺寸可選25mm、38mm及50mm直徑，該產(chǎn)品可用于測(cè)量發(fā)光二極管等光源的光譜特性，光通量，色溫，光譜分布等參數(shù)，也可以輔助水果、葉片、紡織品等樣品的反射光譜測(cè)量。
