一種基于硅基液晶的波長分辨監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于硅基液晶的波長分辨監(jiān)測方法?；诠杌壕г谕瑯拥钠秒妷合?，對不同波長入射光有不同的相位調(diào)制的特性，對在硅基液晶波長工作范圍內(nèi)的光信號實現(xiàn)分析與監(jiān)測，并能在入射光波長未知的條件下，對該波長進(jìn)行測量，并能隨著相位調(diào)制精度的提高，提高波長的分辨精度。本發(fā)明元件少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，對光路的準(zhǔn)直要求不高，無需苛刻光路的耦合與復(fù)雜操作就能進(jìn)行波長的分辨，并且有著與入射光偏振態(tài)無關(guān)的特性，在分辨出波長的同時，還能對入射光束的偏振態(tài)進(jìn)行測量，適用范圍更廣。
【專利說明】
一種基于硅基液晶的波長分辨監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于波長分辨與監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于硅基液晶的波長 分辨監(jiān)測方法，能根據(jù)所使用的硅基液晶的工作波段(可見光波段420~650nm，近紅外光波 段650~llOOnm，以及通信波段1400~1700nm等），對硅基液晶工作波段下的光信號進(jìn)行波 長分辨及監(jiān)測。
【背景技術(shù)】
[0002] 波長是光的基本特征之一，而波長分辨技術(shù)在許多場合下有很重要的應(yīng)用。在氣 象學(xué)領(lǐng)域，根據(jù)霧與霾對可見光不一樣的散射和吸收性質(zhì)，通過分辨出具體波長，能將霧和 霾進(jìn)行區(qū)分;在生物科學(xué)領(lǐng)域，通常需要檢測物體反射光的波長大小來確定具體波長，分析 物質(zhì)成分;在光纖通信領(lǐng)域，通過具體的波長分析，在波長復(fù)用裝置中，能識別發(fā)生故障波 長的具體位置。在光通信領(lǐng)域，波長分析和監(jiān)測的應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)的測量、分析波長 的方法包括使用牛頓環(huán)法，雙縫衍射法，體光柵等進(jìn)行測量。然而這些方法對光路的準(zhǔn)直要 求較高，并且都需要通過手動或是機械控制，每測量一個波長都要進(jìn)行一次調(diào)整，步驟繁 瑣，測試時間長，同時裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于硅基液晶的波長分 辨監(jiān)測方法，基于硅基液晶在同樣的偏置電壓下，對不同波長入射光有不同的相位調(diào)制的 特性，對在硅基液晶波長工作范圍內(nèi)的光信號實現(xiàn)分析與監(jiān)測，并能在入射光波長未知的 條件下，對該波長進(jìn)行測量。
[0004] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于硅基液晶的波長分辨監(jiān)測方法，其特征 在于，包括如下步驟：
[0005] (1)利用硅基液晶接收波長在其工作波長范圍內(nèi)的已知信號光；
[0006] (2)在硅基液晶的輸出光路上設(shè)置檢偏器，探測由檢偏器輸出的光信號強度I;
[0007] (3)調(diào)整硅基液晶的相位調(diào)制值γ，使其在0到2JT范圍內(nèi)變化，得到多組與γ對應(yīng) 的光信號強度；
[0008] (4)根據(jù)這多組與γ對應(yīng)的光信號強度，找出I的最大值點與最小值點對應(yīng)的γ， 得到其對應(yīng)的灰度電平值，進(jìn)而計算得到這兩個點的灰度電平差；
[0009] (5)在硅基液晶的工作波長范圍內(nèi)，調(diào)整已知信號光的波長，重復(fù)執(zhí)行步驟(3)和 (4)，得到不同波長下的灰度電平差；
[0010] (6)利用硅基液晶接收波長在其工作波長范圍內(nèi)的未知信號光，重復(fù)執(zhí)行步驟(3) 和(4)，得到未知信號光波長下的灰度電平差，對照步驟(5)得到的不同波長下的灰度電平 差，得到未知信號光的波長，達(dá)到波長檢測的目的。
[0011]優(yōu)選地，所述步驟(3)中，得到三組與γ對應(yīng)的光信號強度;所述步驟(4)中，利用
R解得到信號光P方向的振幅a和s方向的振幅b，以及P方向和s方 向的相位差Φ，進(jìn)而得到I的最大值點與最小值點對應(yīng)的γ。
[0012] 優(yōu)選地，所述步驟(4)中，根據(jù)這多組與γ對應(yīng)的光信號強度，繪制出信號光波長 下的γ-I曲線，找出I的最大值點與最小值點對應(yīng)的γ。
[0013] 優(yōu)選地，所述硅基液晶，反射式或透射式硅基液晶都適用于該系統(tǒng)。
[0014] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效 果：
[0015] 1、根據(jù)硅基液晶的工作波長范圍，能完成相應(yīng)范圍內(nèi)待測光的波長分辨任務(wù)，即 能分辨紫外波段、可見光波段、紅外波段甚至通信波段，并能隨著相位調(diào)制精度的提高，提 高波長的分辨精度。
[0016] 2、與其他分辨波長的技術(shù)相比，本發(fā)明元件少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，并且有著與入 射光偏振態(tài)無關(guān)的特性，適用范圍更廣。
[0017] 3、本發(fā)明中所使用的硅基液晶（LCOS)，是一個波長相關(guān)的空間相位調(diào)制器件，硅 基液晶的相位控制由計算機程序執(zhí)行，精度高并且容易控制，自動化數(shù)據(jù)采集處理準(zhǔn)確可 {目。
[0018] 4、在進(jìn)行波長分辨和監(jiān)測的過程中能定量地求出入射光的振幅與相位值，所以在 分辨出波長的同時，還能對入射光束的偏振態(tài)進(jìn)行測量。
[0019] 5、引入的元件少，對光路的準(zhǔn)直要求不高，無需苛刻光路的耦合與復(fù)雜操作就能 進(jìn)行波長的分辨，簡單實用，并且光路一旦搭建好就不需要進(jìn)行手動調(diào)整，實施起來非常方 便。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明實施例的基于硅基液晶的波長分辨監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0021 ]圖2是本發(fā)明實施例的基于硅基液晶的波長分辨監(jiān)測方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0023] 如圖1所示，本發(fā)明實施例的基于硅基液晶的波長分辨監(jiān)測系統(tǒng)包括:硅基液晶、 檢偏器和光探測器，其中，硅基液晶由計算機控制下的液晶驅(qū)動模塊驅(qū)動。
[0024] 某波長A1下的光由光源發(fā)出后，經(jīng)過硅基液晶的調(diào)制作用，改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)。 在實施過程中，以最小的相位調(diào)制精度(普通的LCOS均可以達(dá)到1°以下），由0到2JI連續(xù)調(diào)制 某個方向上的分量(此處為沿豎直方向偏振，定義為P偏振光），經(jīng)探測器得到一系列的光強 度值I，從而繪制出γ-ι曲線;根據(jù)繪制出的γ-ι曲線，找到光強最大值與最小值點，進(jìn)而分 別根據(jù)光強值找出其對應(yīng)的調(diào)制γ，并找出所對應(yīng)的灰度電平值，計算出兩個點的灰度電 平差。
[0025] 由液晶的工作原理可知，液晶器件是波長敏感器件，即同一個加載相位值對不同 的波長可產(chǎn)生不同的相位調(diào)制。在硅基液晶的工作波長范圍內(nèi)，改變?nèi)肷涔獠ㄩL為λ 2，重復(fù) 上述操作，能繪制出另一條對應(yīng)的γ-I曲線，并同時找出該波長下的灰度電平差，由此得到 一些列曲線，達(dá)到波長監(jiān)測的效果。
[0026] 在硅基液晶的工作范圍內(nèi)，以最小波長間隔確定出一系列波長曲線后并得到各個 波長下的灰度電平差，此時再以未知波長入射，經(jīng)過同樣操作后獲得γ-I曲線，與已經(jīng)得到 的曲線族進(jìn)行對照(實際為灰度電平差的比對），找到所對應(yīng)的波長值，也就是入射光的波 長值，達(dá)到分辨波長的效果。
[0027] 與此相對應(yīng)地，本發(fā)明實施例的基于硅基液晶的波長分辨監(jiān)測方法包括如下步 驟：
[0028] (1)利用硅基液晶接收波長在其工作波長范圍內(nèi)的已知信號光；
[0029] (2)在硅基液晶的輸出光路上設(shè)置檢偏器，利用光探測器(PD)探測由檢偏器輸出 的光信號強度I;
[0030] (3)調(diào)整硅基液晶的相位調(diào)制值γ，使其在0到231范圍內(nèi)連續(xù)變化，得到多組與γ 對應(yīng)的光信號強度；
[0031] (4)根據(jù)這多組與γ對應(yīng)的光信號強度，繪制出信號光波長下的γ-I曲線，找出I 的最大值點與最小值點對應(yīng)的γ，得到其對應(yīng)的灰度電平值，進(jìn)而計算得到這兩個點的灰 度電平差；
[0032] (5)在硅基液晶的工作波長范圍內(nèi)，調(diào)整已知信號光的波長，重復(fù)執(zhí)行步驟(3)和 (4)，得到不同波長下的灰度電平差；
[0033] (6)利用硅基液晶接收波長在其工作波長范圍內(nèi)的未知信號光，重復(fù)執(zhí)行步驟(3) 和(4)，得到未知信號光波長下的灰度電平差，對照步驟(5)得到的不同波長下的灰度電平 差，得到未知信號光的波長，達(dá)到波長檢測的目的。
[0034]下面對上述方法的工作原理進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0035] 利用斯托克斯矢量開展分析，設(shè)定原入射光ρ和s方向振幅分別為a和b，相位差為 Φ，則入射光的斯托克斯矢量可以表示如下：
[0036]
[0037] 經(jīng)過一個空間相位調(diào)制器。此處我們使用硅基液晶，由于它是一個偏振敏感型器 件，只能對某一特定方向上的線偏振光產(chǎn)生相位調(diào)制的效果，即液晶分子的慢軸方向（定義 為P方向偏振光）。對P光產(chǎn)生Y的相位延遲，娃基液晶的穆勒矩陣可表不為：
[0038]
(2) 12 其中，所加載的相位γ與驅(qū)動電壓和待測波長有關(guān)。 2 在LCOS和光探測器之間放置一個逆時針偏轉(zhuǎn)Θ角的檢偏器，其穆勒矩陣可以表示 成：
[0041]
[0042] 經(jīng)過上述光學(xué)元件的傳輸后，輸出光強可以表示為：[0043] S〇ut = Tp〇larizar(0)MLCOs( T ) Sin (4)[0044] 將各個部分代入，得到具體表達(dá)式為：
[0048]因為檢偏器的放置角度是固定的，即Θ是已知，為了簡化計算便于理論分析，令Θ = 45°，故光強表達(dá)式可以簡化為：
[0045]
[0046]
[0047]
[0049]
[0050] 對于中心波長為λ〇的硅基液晶，當(dāng)驅(qū)動電壓為U，液晶分子的厚度為D時，所對應(yīng)的 相位調(diào)制值為：
[0051]
[0052] 根據(jù)柯西色散公式，在某一特定驅(qū)動電壓下折射率與波長的關(guān)系式為：
[0053]
[0054] 因此相位調(diào)制值γ與加載電壓U和波長λ都有關(guān)(此處作為分析，可將波長的平方 項省略，做近似計算），即：
[0055]
[0056]
[0057]
[0058] 式（11)的意義在于，這是一條余弦曲線，當(dāng)LCOS每加載一個相位調(diào)制值γ，光探測 器就會探測到一個對應(yīng)的光強度。因此，至少通過三個不同的γ，和相對應(yīng)的光強度Idet，可 通過解方程組，求出三個表示入射光偏振狀態(tài)的未知量:振幅a，b和相位差φ。得到光強值 最大或最小時對應(yīng)的γ，據(jù)此算出灰度電平差值。更為準(zhǔn)確的計算方式是，利用相位掃描程 序施加的相位調(diào)制值，獲得不同的波長λ下與其一一對應(yīng)的光強度值，根據(jù)所施加的相位以 及相對應(yīng)的強度，獲得一條?-γ曲線，再通過計算機程序進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，即可算出此時的灰 度電平差。通過改變波長，則可得到另一條不同波長處的的?-γ曲線。利用自動反饋輸入計 算機的相位調(diào)制值和光強探測值，通過數(shù)據(jù)分析軟件，如Matlab等，就可以實現(xiàn)對各個不同 波長的灰度電平差的記錄。由于在同一個驅(qū)動電壓下，LCOS對不同波長光信號產(chǎn)生不同的 相位調(diào)制效果。
[0059] 對于式（11)要使各個波長曲線間獲得區(qū)分度，則要使不同波長所對應(yīng)的灰度電平 差互不相等。下面討論這套裝置可獲得的波長分辨精度。
[0060] 對于工作中心波長為λ〇的硅基液晶，其相位調(diào)制值對著驅(qū)動加載電壓呈線性變 化。設(shè)定入射波范圍為硅基液晶的工作波長，入射中心波長為λο,達(dá)到最大調(diào)制相位時所對 應(yīng)的灰度電平為m(若加載的相位模板信號為b位數(shù)字信號，則m = 2b)，當(dāng)LCOS未上電（未加 載電壓)時，對入射來的波長沒有調(diào)制作用，因此，波長間隔與灰度值的關(guān)系可寫成(12)
[0061]
[0062] 可以得出中心波長分辨率Δ λ〇與灰度值m的關(guān)系式為（13)
[0063]
[0064]由上式可知，當(dāng)選用中心波長為1550nm的硅基液晶，9位的輸入相位模板數(shù)字信 號，則可以獲得A λ〇 = 3ηπι的分辨精度。
[0065] 當(dāng)選用的硅基液晶工作波長范圍為[Amin，Amax]，中心波長為λ〇，中心波長處的最大 調(diào)制相位為Φ，采用9位相位模板數(shù)字信號，則最大灰度值為m=2 9 = 512,由上述推導(dǎo)可知在 中心波長處的分辨率由式（13)表不，當(dāng)遠(yuǎn)尚中心波長時，設(shè)在中心波長λ〇處的最大相位調(diào) 制值為φ，對應(yīng)灰度值為512，則在當(dāng)在λ 〇處的調(diào)制值為2 π時所對應(yīng)的灰度值為m:，
在遠(yuǎn)離中心波長的Amax處，達(dá)到2JT的相位調(diào)制值所對應(yīng)的灰 度值
則有以下關(guān)系（15):
[0066]
[0067] 故邊緣波長的分辨_
%中心波長處的最大相位 調(diào)制值，nu表達(dá)的意義為中心波長的相位調(diào)制值為231時所對應(yīng)的灰度值。
[0068] 因此可以獲得不同波長下的灰度電平差對照表，在入射未知波長的情況下，根據(jù) 對照表，可以查找出所對應(yīng)的波長值。
[0069] 這套測試裝置的一個突出的特點是，由于硅基液晶的驅(qū)動電壓是可通過編程控制 精確調(diào)整的，數(shù)據(jù)也通過軟件采集處理，所以這套裝置結(jié)果采集自動化，無需人工干預(yù)就可 以進(jìn)行準(zhǔn)實時控制。
[0070] 硅基液晶的響應(yīng)速度一般為50ms，市場化成熟的高速硅基液晶相位調(diào)制的響應(yīng)時 間可以低至7ms，相比于光柵，其響應(yīng)時間得到顯著的優(yōu)化。同時，由于相位調(diào)節(jié)是由程序控 制實現(xiàn)而不是機械控制或者手動控制，其分析測量的精度也得到極大提升。此外，本發(fā)明 中，用于相位調(diào)制的硅基液晶是商用空間相位調(diào)制器，相應(yīng)波長的檢偏器與光探測器也容 易采購。不需要其它波長敏感器件，如光柵等。同時，在實際操作過程中，硅基液晶可以使用 反射式的，也可以使用透射式的，這對于本發(fā)明所涉及的理論分析模型不會產(chǎn)生本質(zhì)影響。
[0071]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于娃基液晶的波長分辨監(jiān)測方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 利用娃基液晶接收波長在其工作波長范圍內(nèi)的已知信號光； (2) 在娃基液晶的輸出光路上設(shè)置檢偏器，探測由檢偏器輸出的光信號強度I; (3) 調(diào)整娃基液晶的相位調(diào)制值丫，使其在0到如范圍內(nèi)變化，得到多組與丫對應(yīng)的光 信號強度； (4) 根據(jù)運多組與γ對應(yīng)的光信號強度，找出I的最大值點與最小值點對應(yīng)的γ，得到 其對應(yīng)的灰度電平值，進(jìn)而計算得到運兩個點的灰度電平差； (5) 在娃基液晶的工作波長范圍內(nèi)，調(diào)整已知信號光的波長，重復(fù)執(zhí)行步驟(3)和(4)， 得到不同波長下的灰度電平差； (6) 利用娃基液晶接收波長在其工作波長范圍內(nèi)的未知信號光，重復(fù)執(zhí)行步驟（3)和 (4)，得到未知信號光波長下的灰度電平差，對照步驟(5)得到的不同波長下的灰度電平差， 得到未知信號光的波長，達(dá)到波長檢測的目的。2. 如權(quán)利要求1所述的基于娃基液晶的波長分辨監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟(3) 中，得到Ξ組與丫對應(yīng)的光信號強度;所述步驟(4)中，利用良解 得到信號光Ρ方向的振幅a和S方向的振幅b，W及Ρ方向和S方向的相位差φ，進(jìn)而得到I的最 大值點與最小值點對應(yīng)的丫。3. 如權(quán)利要求1所述的基于娃基液晶的波長分辨監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟(4) 中，根據(jù)運多組與丫對應(yīng)的光信號強度，繪制出信號光波長下的丫-I曲線，找出I的最大值 點與最小值點對應(yīng)的γ。4. 如權(quán)利要求1至3中任一項所述的基于娃基液晶的波長分辨監(jiān)測方法，其特征在于， 所述娃基液晶，反射式或透射式娃基液晶都適用于該系統(tǒng)。
【文檔編號】G01J9/00GK105841825SQ201610145861
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月15日
【發(fā)明人】付松年, 崔靜嫻, 洪志坤, 劉德明
【申請人】華中科技大學(xué)