光谱分析仪实验指导书用.docx
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光谱分析仪实验指导书用.docx
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光谱分析仪实验指导书用
综合性实验指导书
实验名称:
光谱分析仪的了解及使用
实验项目性质:
综合性实验
涉及课程和知识点:
涉及到《物理光学》课程中光的相关知识,《光纤通信》课程中光纤、有源器件、无源器件等光纤通信的基本理论。
计划学时:
4学时
一、实验目的
1理解光谱分析仪的基本工作原理和性能特点。
2了解光谱分析仪的基本功能操作方法。
3掌握运用光谱分析仪测量LD光源参数的使用方法。
4了解FBG温度传感器的传感特性,并结合光谱分析仪测量温度。
二、实验内容
使用的光谱分析仪(OSA–OpticalSpectrumAnalyzer)购买于上海横河国际贸易有限公司,型号为AQ6317C。
该仪器可用来测量LD、LED等光源的频谱,以及光缆、滤光器等的损耗波长特征及传输特征。
它可以进行近红外线区的光谱分析,测量波长范围为600nm到1750nm。
该仪器不仅具有高分辨率、高灵敏度、高精确度、宽动态范围以及精确的线性等基本性能,而且还拥有许多其它功能,如三维显示、各种数据加工功能及程序测量功能。
在数据输出方面,该仪器能够通过内置的高速打印机将屏幕内容做成硬拷贝,并通过内置软盘读/写波形及程序。
另外,它还装有标准配置GP-IB以进行充分的远程控制。
该仪器的安全运行温度范围为+5°C到+40°C。
1光谱分析仪的基本工作原理
光谱分析仪是基于光分散的基本原理,这主要是通过其内部单色仪来实现的。
光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器,它可以从发出复合光的光源(即不同波长的混合光的光源)中得到单色光,并且可以通过光栅一定的偏转角度得到某个波长的光,它的基本结构如右图所示。
从输入光阑进入的光经准直镜反射后变成平行光,然后进入光栅,构成光栅的扁平镜表面有许多凹槽,它使不同波长的光产生不同角度的反射。
因此,我们调整聚焦镜使它只能接收特定角度的反射光。
调整输出光阑到某一确定位置,使聚焦镜的光聚焦到这一位置,这样就只能使某些特定波长成分的光通过输出光阑。
通过旋转光栅(单色仪光栅的角度由一台步进电机控制),可以改变通过光阑的光波波长,同时通过改变输入光阑和输出光阑的宽度可以改变波
长分辨率。
除此之外,该仪器还具有一个特点,即在不使用输入光阑时光纤的纤芯可以起到光阑的功能。
对于准直镜和聚集镜而言,远离轴线的轴线抛物面镜都用来抑制色散。
输入部分的去极化部件将输入光转换成自由偏振状态,因此降低了对偏振的依靠。
光谱分析仪的电路结构如下图所示。
从光输入连接器进入的所有光中,只有处在单色仪测量范围之内的波长成分才能通过,并且被光接收器转换为电信号,然后放大电路将它放大到适合A/D变换的能级,通过A/D变换电路将放大的电信号变换成数字信号。
控制电路由一个32位的CPU和一个16位CPU组成,CPU1对所有部件进行控制,包括键盘输入,GP-IB端口,显示部件和打印机,同时CPU2控制单色仪、光接收机、放大电路和A/D转换电路。
2AQ6317C光谱分析仪的性能特点
◆测量波长范围:
600nm到1750nm;
◆波长分辨率:
最大0.015nm以上;
◆动态范围:
60dB(peak±0.2nm)70dB(peak±0.4nm);
◆波长精确度:
±0.02nm;
◆偏振相关性:
±0.05dB;
◆功率测量精确度:
±0.3dB;
◆功率线性精确度:
±0.05dB(-50到+10dBm)。
3AQ6317C光谱分析仪面板名称及功能
AQ6317C光谱分析仪前面板和后面板的结构分别如下图所示,功能描述如下表。
面板功能介绍
号码
名称
功能描述
1
LCD显示
显示测量波形、测量条件、测量值等
2
软控键开关
用来执行各开关的功能
3
[FUNCTION](功能)区
用来对测量的各个方面进行设定(扫描、测量条件、数据分析及各种功能)
4
[DATAENTRY](数据输入)区
用来输入测量条件参数及标签
5
远程灯
当该仪器处于远程状态时启动
6
[COPY](打印)
用来执行打印功能
7
[FEED](添加)
用于添加纪录纸
8
[HELP](帮助)
用于检查屏幕显示的软控键菜单的内容
9
[POWER](电源)
电源开关
10
[BRIGHT](亮度)
LCD亮度调节控制
11
软盘驱动器(3.5英寸)
用于存储波形数据及程序等
12
[OPTICALINPUT](光输入)
光输入连接器
13
[CALIBRATIONOUTPUT](校准输出)
用于进行波长校准的标准光源的光输出连接器
14
[GP-IB1]
GP-IP端口,用于该仪器与外部计算机的控制
15
[GP-IB2]
GP-IP端口,当该仪器在GP-IB总线上执行系统控制器功能时,GP-IB端口用于控制外部组件(波长可变光源等)
16
[VIDEOOUT(VGA)]
连接器,用于输出模拟RGB视频信号(遵循VGA)
17
[SWPTRGIN]
连接器,用于输入扫描触发信号
18
[EXTTRGIN]
连接器,用于输入与来自外部的测量光线同步的控制信号,还可用于使波长可变光源与之同步
19
[SMPLTRGOUT]
连接器,用于输出测量启动信号
20
[TLSSYNCOUT]
连接器,用于输出可变波长光源同步扫描的同步信号
21
[ANALOGOUT]
连接器,用于输出与测量能级成比例的电信号
22
AC电源连接器
通过连接的电源线输入交流电
4功能键简介
[FUNCTION](功能)区进行与测量各个方面(扫描、测量条件、数据分析以及各种功能)相关的设定,如下图。
各功能键描述如下:
CENTER:
设置中心波长;SPAN:
设置扫描波长范围;
LEVEL:
功率相关设置;SWEEP:
设置测量扫描的开始/停止等功能;
SETUP:
进行分辨率及灵敏度等测量条件的设置;DISPLAY:
显示设置;
TRACE:
轨迹A、B、C设置及每个轨迹上的相应设置;
MARKER:
设置标记;PEAKSEARCH:
自动检测峰值或波谷波长;
ANALYSIS:
对波形进行分析;USER:
用户设置键;
MEMORY:
内部存储器中数据存储及恢复;
FLOPPY:
在软盘中存储或从软盘中恢复数据;
PROGRAM:
编程及程序的执行;ADVANCE:
特殊功能键(如光功率计);
SYSTEM:
系统相关设置。
5实验内容
5.1开机校准
AQ6317C光谱分析仪内部有一个波长为1530nm的标准光源,用于校准波长。
当使用该光源校准时,用一根单模光纤把光输入连接器和标准光源光输出连接器连接起来,使标准光源发出的光进入光输入接口。
(1)打开电源后,进行光路校准。
按下[SYSTEM](系统)功能键,显示软控键菜单。
按下软控键菜单中的〈MORE1/3〉键,显示一级软控键子菜单。
按下此键,显示二级软控键子菜单。
按下
在执行期间,窗口处于持续打开状态,此键反白显示;波长校准完后,窗口消失,重新显示一级软控键子菜单。
(2)波长校准。
一级软控键子菜单中的
按下此键时,屏幕上就会出现一个包含信息的窗口,同时显示二级软控键子菜单。
按
在校准期间,窗口处于持续打开状态,此键反白显示。
完成波长校准后,窗口消失,重新显示一级软控键子菜单。
此时,屏幕上显示按下
5.2基本测量
5.2.1用[SWEEP]功能键和
在不知道波长和输入光的能级时,使用
(1)将待测量光源连到[OPTICALINPUT]连接器上。
(2)按下[SWEEP]功能键,显示软控键菜单。
按下
按下此键,屏幕将反向显示软键,并获得适合测量输入光的最佳条件(中心波长、扫描宽度、参考能级以及分辨率)。
之后,继续反向显示
(3)停止扫描,按下
5.2.2用手动操作测量
如果用
以LD(激光二极管)光源(波长:
约1310nm,能级:
约-10dBm)测量为例,步骤如下:
(1)将待测LD光源连到[OPTICALINPUT]连接器上。
(2)按下[CENTER]功能键,显示软控键菜单。
按下
在本例中,将平均波长设为1310nm。
对于该设置,可以在十键区输入[1][3][1][0][nm/ENTER]。
(3)按下[SPAN]功能键,显示软控键菜单。
按下键,在中断区用旋钮或步进键设置一个比LD光源谱宽更宽的扫描宽度。
在本例中,将扫描宽度设为5nm。
可以在十键区输入[5][nm/ENTER]。
(4)按下[LEVEL]功能键,显示软控键菜单。
按下
在本例中,在参照能级中设–10dBm。
可以在十键区输入[–][1][0][nm/ENTER]或[mm/ENTER]。
(5)按下[LEVEL]功能键,显示软控键菜单。
按下
可以在十键区输入[5][nm/ENTER]或[mm/ENTER]。
(6)按下[SETUP]功能键,显示软控键菜单。
按下
可以用十键区输入[0][.][0][1][nm/ENTER]。
(7)按下[SETUP]功能键,显示软控键菜单。
按下
可以用十键区输入[1][nm/ENTER]或[mm/ENTER]。
(8)按下[SETUP]功能键,显示软控键菜单。
按下
(9)按下[SWEEP]功能键,显示软控键菜单。
按下
(10)观察测量结果(波形),反复选择步骤(3)到(8)的每一测量条件,直到为合适的值。
(11)若要停止扫描操作,可按下[SWEEP]功能键,再按
设置标准如下:
·中心波长设为波形的峰值波长。
·扫描宽度设为整个波形可见的范围。
·参考能级设为波形的峰值能级。
·分辨率设为波形不变化的水平。
5.3测量LD光源谱宽
实验分别测量波长为1310nm和1550nm的LD光源的谱宽。
(1)自动扫描LD谱线。
(2)按下[ANALYSIS]功能键,显示软控键菜单。
按下
同时,数据区显示出谱宽△λ值和谱宽△λ的中心λc值。
(4)设定谱宽测量的阈值。
在软控键菜单中,按下
同时,在当前阈值的基础上测量谱宽,并显示数据区。
5.4用FBG温度传感器测量温度
5.4.1FBG传感原理
光纤Bragg光栅(FBG)是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成的全新光纤型光栅,成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg光栅效应。
其结构下图所示。
这种光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器,它满足如下光学方程:
式中λB为Bragg波长,即后向反射波长;neff为光纤模式的有效折射率;Λ为光栅栅距或光栅周期。
FBG反射谱主要由其带宽和峰值反射率决定,而这些参数又是光栅长度、折射率调制系数和Bragg波长的函数。
FBG的反射谱特性如下图所示。
由图可见,均匀FBG在其谐振波长较宽的范围内具有较高的反射率,而在远离谐振波长处,反射率急剧下降,因此,均匀Bragg波长具有优良的反射谱特性。
当光栅受到外部物理场(如应力、应变温度等)的作用时,其栅距Λ随之发生变化,从而改变了后向反射光的波长λB,这就是FBG的传感原理。
5.4.2FBG测温方案
使用以下主要器件,运用FBG温度传感器进行水温测量,并运用回归分析方法总结出回归方程,并进行显著性检验。
1FBG温度传感器:
当光栅周围的温度发生变化时,将导致光栅周期或纤芯折射率的变化,从而产生光栅Bragg信号的波长位移,通过监测Bragg波长位移情况,即可获得待测物理量的温度变化情况。
本系统FBG为1550nm,作为水温测量传感元件。
2光谱分析仪:
测量波长范围为600nm~1750nm的光源频谱,以及光缆、滤光器等的损耗波长特征及传输特征。
本系统用于测量FBG温度传感器反射波长。
3ASE宽带光源:
作为FBG传感系统光源,工作波长为1525nm~1565nm,输出功率为12.5dBm。
4光衰减器:
工作波长1310nm和1550nm,衰减范围0~60dB。
5光隔离器:
光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件,用于阻止反射光通过光源、光放大器等器件。
62×1光纤耦合器:
光纤耦合器是用于传递和分配光信号的一种无源器件,本系统所用波长为1550nm,将FBG温度传感器的入射光、反射光分离。
7法兰:
法兰是连接两根跳线的接头,本系统采用FC/PC接口。
8加热器:
用水浴法改变FBG温度传感器外围温度。
9水银温度计:
测量水温变化,精度为0.15摄氏度,长度为50cm。
5.4.2求解FBG温度传感器测温回归方程
(1)自动扫描FBG反射谱线。
(2)按下[PEAKSEARCH](峰值搜索)功能键,显示软控键菜单。
按下软控键菜单中的〈PEAKSEARCH〉键,检测能级最大值并设定移动标志,就可将当前FBG反射波长峰值显示在数据区。
(3)通过温度和FBG反射波长对应关系,画出曲线,利用回归分析求解方程并进行显著性分析。
三、实验仪器设备和材料清单
光谱分析仪一台、双波长台式光源一台(波长为1310nm和1550nm)、FBG温度传感器一根、ASE宽带光源一台、光衰减器一台、光隔离器一根、2×1光纤耦合器一根、法兰一个、加热器一台、水银温度计一根、跳线。
四、实验要求
1预习实验指导书,了解光栅分光原理。
2了解光谱分析基本操作步骤及常用键使用。
3认真记录实验数据,提交实验报告。
五、实验步骤、现象描述及结果分析
1开机校准
AQ6317C光谱分析仪内部有一个波长为1530nm的标准光源,用于校准波长。
当使用该光源校准时,用一根单模光纤跳线把[OPTICALINPUT](光输入)连接器和[CALIBRATIONOUTPUT](校准输出)连接器相连接,使标准光源发出的光进入光输入接口。
校准步骤如下:
(1)按下[POWER]开关。
(2)光路校准。
按下[SYSTEM](系统)功能键,显示软控键菜单→按下〈MORE1/3〉键,显示软控键菜单→按下
在执行期间,窗口处于持续打开状态,此键反白显示;波长校准完后,窗口消失。
(3)波长校准。
按下[SYSTEM](系统)功能键,显示软控键菜单→按下〈MORE1/3〉键,显示软控键菜单→按下
屏幕出现一个包含信息的窗口,同时显示软控键菜单→按下
在校准期间,窗口处于持续打开状态,此键反白显示;完成波长校准后,窗口消失,屏幕上显示按下
2基本测量
2.1用[SWEEP]功能键和
在不知道波长和输入光的能级时,使用
测量步骤如下:
将待测量光源连到[OPTICALINPUT]连接器→按下[SWEEP]功能键,显示软控件菜单→按下
自动设置完成后,软键选择状态从
纪录下待测光源的中心波长、扫描宽度、参考能级、能级标尺、分辨率及灵敏度参数值。
2.2用手动操作测量
如果用
实验中选用LD光源,波长为1310nm,能级约为-10dBm。
测量步骤如下:
(1)将待测LD光源连到[OPTICALINPUT]连接器。
(2)设定光源的中心波长为1310nm。
按下[CENTER]功能键,显示软控件菜单→按下
(3)设定扫描宽度为5nm。
按下[SPAN]功能键,显示软控件菜单→按下键→十键区输入[5][nm/ENTER]。
(4)设定参考能级为-10dB。
按下[LEVEL]功能键,显示软控件菜单→按下
(5)设定能级标尺为5dB/VID。
按下[LEVEL]功能键,显示软控件菜单→按下
(6)设定分辨率为0.01nm。
按下[SETUP]功能键,显示软控件菜单→按下
(7)设定平均次数为1。
按下[SETUP]功能键,显示软控件菜单→按下
(8)设定灵敏度为NORMRANGEHOLD。
按下[SETUP]功能键,显示软控件菜单→按下
(9)扫描。
按下[SWEEP]功能键,显示软控件菜单→按下
(10)观察扫描波形,反复调节步骤(3)到(8)测量条件,并进行重复扫描,直到显示比较完整的波形。
(11)停止扫描。
按下[SWEEP]功能键,显示软控件菜单→按下
记录下最终设定的各参数值。
3测量LD光源谱线
实验分别测量波长为1310nm和1550nmLD光源的谱宽。
测量步骤如下:
(1)将LD光源连到[OPTICALINPUT]连接器。
(2)自动扫描LD谱线。
按下[SWEEP]功能键,显示软控件菜单→按下
自动设置完成后,软键选择状态从
(3)测量LD光源谱宽。
(ⅰ)按下[ANALYSIS]功能键,显示软控件菜单→通过旋钮或步进键选择ENVELOPE法测量谱宽,数据区显示相应的3dB谱宽△λ和谱宽△λ的中心λc;
(ⅱ)按下[ANALYSIS]功能键,显示软控件菜单→通过旋钮或步进键选择THRESH法测量谱宽,数据区显示相应的3dB谱宽△λ和谱宽△λ的中心λc;
(ⅲ)按下[ANALYSIS]功能键,显示软控件菜单→通过旋钮或步进键选择RMS法测量谱宽,数据区显示相应的20dB谱宽△λ和谱宽△λ的中心λc。
分别记录下三种不同测量方法的谱宽阈值,及对应的谱宽△λ和谱宽△λ的中心λc。
4用FBG温度传感器测量温度
实验通过光谱分析仪测量FBG反射波长峰值,再根据温度与FBG反射波长的对应关系得到回归方程,并进行显著性检验。
测量步骤如下:
(1)ASE宽带光源作为系统光源,发出的光功率为12.5dBm,波长为1525nm~1565nm,与调节到示值为7db的光衰减器相连,降低光功率,适合光谱分析仪测量范围。
(2)连接光隔离器,阻止FBG反射光波对ASE光源的影响。
(3)光隔离器送出的光经过2*1的3dB光纤耦合器进入FBG温度传感器。
(4)满足光纤Bragg光栅反射条件的光波,反射回来经过光纤耦合器进入AQ6317C光谱分析仪。
(5)连接好光路,打开电源,对光谱分析仪进行开机校准,即光路校准和波长校准。
(6)将FBG温度传感器放入加热器中,用水浴法通过水银温度计测量实际水温。
(7)当水温发生改变时,FBG温度传感器反射波长会发生相应的变化。
通过光谱分析仪可以读出反射光波的波长峰值,而其余波长的光透射过FBG输出。
A自动扫描FBG反射谱线。
B测量FBG反射波长峰值。
按下[PEAKSEARCH]功能键,显示软控件菜单→按下
通过加热器,每隔5℃记一次数据。
(8)根据回归分析方法,分别确定升温与降温过程中温度与FBG反射波长关系,得到回归方程,并进行显著性检验。
六、考核形式
1.纪律考核:
学生组织出勤情况和工作态度等;
2.书面考核:
实验报告的完成质量、撰写水平等;
3.现场考核:
实验过程的操作熟练程度。
七、实验报告要求
1实验目的。
2光谱分析仪的基本原理。
3实验内容。
(1)写出用标准光源进行开机校准的实验步骤。
(2)写出自动扫描待测光源的实验步骤,并记录待测光源的中心波长、扫描宽度、参考能级、能级标尺、分辨率及灵敏度参数值。
(3)写出测量波长为1310nm和1550nmLD光源谱宽的实验步骤,并分别记录三种不同测量方法的谱宽阈值,及对应的谱宽△λ和谱宽△λ的中心λc。
(4)写出用FBG温度传感器测量温度的方案,实验步骤,并每5℃记一次FBG反射波长峰值,得出温度与反射波长回归方程,并进行显著性检验。
4思考题。
八、思考题
1FBG温度传感原理是什么?
2除以上实验外,列举出1—2个使用光谱分析仪的例子,并简单加以介绍。
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- 光谱分析 实验 指导书