微型光谱仪在测量激光波长方面的应用分析

1.引言

目前测量激光波长参数的仪器大致分为三类，一类是波长计，功能简单，操作方便，精度也比较高，但是一般只能读出波长数据，当激光器是多波长或者光谱较宽时，测量有可能不准确；一类是扫描F-P腔，主要是研究激光器的光谱形状，一般不给出波长的绝对数值；还有一类就是光谱仪，它给出激光的绝对波长值也给出激光光谱的形状。本文将以Avantes公司的微型光纤光谱仪AvaSpec-2048为例，介绍微型光谱仪在测量激光波长方面的应用。

2.1 仪器原理

荷兰Avantes公司的AvaSpec-2048光纤光谱仪，采用对称式光路设计，焦距75mm，包括光纤接头（标准SMA接口，也可以选择其它类型的接口）、准直镜、衍射光栅、聚焦镜和Sony ILX554B型2048像素线阵CCD探测器，测量波长范围200-1100nm，最高分辨率0.04nm，提供USB1.1或USB2.0接口、RS-232接口和I/O外触发接口。

图1 AvaSpec-2048FT光谱仪的光学平台

2.2 性能介绍

2.2.1 外触发功能

AvaSpec-2048FT型光谱仪可以工作在连续测量状态，也可以工作在外触发模式下。当时用外触发模式时，在接受外触发信号之后1.3微秒开始测量。在开始测量的同时，光谱仪还可以输出一个TTL信号来触发其他光源，比如脉冲激光器或者氙灯等。这一点在测量脉冲激光器波长测量，尤其时激光重复频率比较低时（比如每秒钟1次）非常有用。此外，在AvaSoft-Full软件还可以设置光谱仪输出TTL信号与开始测量光谱之间的时间延迟，延迟时间从-42ns到2.7ms可调。

图2 AvaSpec-2048FT光谱仪外触发时序图

t1= 从收到外触发信号到发出TTL电平， 1.3us

t2=从发出TTL电平到开始测量, -42ns ?C 2.7ms可调, 步长42ns

tint= 积分时间, 2.0ms ?C 60sec可调

2.2.2 多通道间同步采样

AvaSpec-2048光谱仪可以配置成双通道或多通道（USB1.1平台最多8个通道，USB2.0平台最多128通道），整台光谱仪采用主从电路板控制，各通道间可实现真正意义上的同步数据采集。

图3 AvaSpec-2048FT-8 八通道光谱仪

由于每个通道均包括一个独立的光学平台，各通道的光谱分辨率和光谱范围都可以灵活选择。我们既可以选择多个通道覆盖全部的200～1100nm波长范围，也可以只覆盖紫外部分、可见或近红外部分，如何选择完全取决于用户的兴趣和需要。比如绿光激光器用户可以选择覆盖532nm和1064nm两个波长附近的波段就足够了。这样就在很经济的成本下获得了足够的分辨率。

2.2.3 强大的历史通道功能

在AvaSoft-FULL软件中的History功能，使我们可以很方便的监视激光波长、幅值、波峰数目等参数随时间的变化，甚至我们还可以自定义一些参量，并观察它们随时间的变化。同时，USB2平台的光谱仪还附带了模拟和数字输出，这些模拟和数字输出口的值可以对应于History中定义的函数。

2.3 测量方法

测量激光波长是光谱仪最简单的一项应用。使用时只要按照如下步骤即可：

1．安装软件AvaSoft-FULL

2．使用USB线或RS232线缆将光谱仪与计算机连接。

3．使用光纤将待测光信号耦合进光谱仪，运行软件就可以得到光谱数据。

下面介绍不同类型激光器的测量方法。

2.3.1 连续激光器

对于连续激光器来说，测量尤为简单。运行软件后，设置合适的积分时间，如下图所示，就可以得到一个合适的光谱图。图4是一个日光灯光谱。

图4　日光灯光谱

为了使测量的激光峰值波长更为准确，需要正确的设置Setup下的Smoothing and Spline参数，具体可以按照软件手册中的说明操作。在测量激光时应该注意的是，由于激光功率都很强，一般不直接把激光耦合进光纤，而是将激光打在一个屏上，使用光纤接受从屏散射的一点光就可以了。

2.3.2脉冲激光器

对于重复频率比较高（比如100Hz以上）的脉冲激光，可以使用把它当成一个连续激光来测量。而重复频率比较低，或者个别的需要测量单脉冲的情况下，为了准确地和激光脉冲同步，光谱仪最好工作在外触发模式下。如图5所示。

在外触发模式下，我们可以选择上升沿触发（Edge Triger），也可以选择高电平触发（Level Triger），在上升沿触发模式下，只要光谱仪的触发管脚（DB15的第4管脚或者DB26的第6管脚）接收到一个上升沿后1.3μs光谱仪开始一次测量；而使用高电平触发则只要触发管脚是高电平，光谱仪就一直不断的测量。

图5

2.3.3监测激光波长随时间变化

要监测激光波长随时间的变化，需要首先在History->Function Entry中(如图6)设置参数。然后选择History->Start Measuring就可以看到激光波长随时间变化的曲线了。

图6

3．结论

使用AvaSpec-2048光谱仪进行激光波长测量，具有功能强大，性价比高、测量精度高、测量速度快、操作简单等特点，而且体积小巧，方便集成到系统中进行在线监测。