基于SIPM的旋光色散波长测量方法

沈新荣 贾宏志 杨曦靓 刘刚 姜士昕 涂建坤

摘要：提出了一种利用旋光色散进行波长测量的方法。采用高灵敏度的硅光电倍增管（SIPM）探测线偏振光通过旋光物质和无旋光物质时的输出光强随步进电机旋转而发生的变化，由此测出旋光物质的比旋光度，从而根据比旋光度的色散特征方程求出对应光源波长。大量实验证明，该波长测量装置的精度为1 nm，标准差为0.06 nm，该波长检测方法具有良好的可行性与稳定性，并且该测量装置具有结构简单、易于调节等特点。

关键词：旋光色散； 波长检测； 硅光电倍增管（SIPM）

中图分类号： TH 741 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.03.004

Abstract： A method is proposed for wavelength measurement by optical rotatory dispersion.The silicon photomultiplier（SIPM）with extremely high sensitivity is used to detect the output light intensity with or without optical active substance which varies with the rotation of the stepping motor.Then，the specific rotation of the optical active substance can be measured.The wavelength of the corresponding light source is obtained by the specific rotation dispersion equation.In the experiments，the precision of the wavelength measurement setup is about 1 nm and the standard deviation is 0 . 06 nm，which prove the feasibility and stability of proposed method.The measurement setup also has the characteristics of simple structure and is easy to adjust.

Keywords：

optical rotatory dispersion； wavelength measurement； silicon photomultiplier（SIPM）

引 言

随着光学技术的快速发展，波长测量技术也受到越来越多的关注[1]。由于许多物理参数的确定与所用光源波长有关，如位移、速度和角度等[2 4]，因此波长的精准测量显得尤为重要。目前，波长计被广泛用来测量波长值，根据测量原理，波长计主要可分为三类：斐索干涉型、法布里 珀罗干涉型和迈克尔逊干涉型[4 5]。其中：迈克尔逊干涉型波长计的测量精度相对高于另两种干涉型波长计，但是由于温度、振动等因素都会引起参考光和待测光的光程差产生偏差，导致测量结果误差增大[6 7]；而斐索干涉型波长计和法布里 珀罗干涉型波长计为了提高测量精度均采用内置参考光源来进行校准，成本较高不利于维护[8 10]。因此本文提出了一种利用旋光色散测量波长的新方法，并利用步进电机、硅光电倍增管（SIPM）、数字信号处理器（DSP）等搭建了一套测量装置。根据旋光色散效应，即不同波长下的线偏振光透过旋光物质后其偏振面有不同的偏转角度，从而通过测量偏转角度来实现对光源波长值的检测。

1 检测系统原理

波长检测系统主要包括光路部分和电路部分，整个系统的结构示意图如图1所示。其中，光路部分由待测光源、孔径光阑、起偏器、置物架（放置旋光物质）、检偏器和凸透镜组成，电路部分由SIPM、I/V转换电路、放大电路以及滤波电路组成。

当待测光源发出一束单色光，由孔径光阑限制入射光束的大小后入射到起偏器变为线偏振光，线偏振光通过置物架上放置的旋光物质后偏振态发生一定的偏转，且不同波长下偏转角度不同。线偏振光再经过检偏器、凸透镜以及光阑后由SIPM接收，光信号经过SIPM后转化为电信号，再经過I/V转换电路、放大电路以及滤波电路等一系列处理后传入DSP的模/数转换器（ADC采样）模块，最终数据保存在DSP的静态随机存储器（SRAM）中。检偏器固定在步进电机旋转台上，由DSP产生一组脉冲信号控制步进电机旋转台旋转，先将步进电机旋转台调到某一位置，从而保证起偏器与检偏器偏振方向的正交位置在测量范围内，当步进电机由起始位置向正交位置旋转90°时，每旋转一步通过检偏器的出射光都由SIPM探测并保存在DSP中。由此便可以得到步进电机旋转步数与出射光强的对应关系，而步进电机旋转的步数又可以转化为检偏器的旋转角度，所以又可以得到出射光强与旋转角度的对应关系。

根据以上理论分析和推导可知：当测得对应波长下旋光物质的旋光度，再由式（3）可得到比旋光度，因此若已知多组波长与比旋光度的对应值，便可求解出k1、k2、λ1、λ2和k这五个常数，则波长与比旋光度的关系式便建立了，只需得到物质的比旋光度，便可得知未知光源的波长。

2 实验结果与分析

实验采用白光LED加滤光片的形式产生单一波长的光源，白光LED是由科锐公司生产，光谱范围为400～700 nm，最大输出光功率为1 W且光功率可由驱动电路进行调节；滤光片是由Semrock公司生产的，型号分别为FF01 461/5 25、FF01 488/6 25、FF01 514/3 25、FF01 546/6 25、FF01 563/9 25、FF01 576/10 25、FF01 578/10 25、FF01 601/4 25和FF01 631/4 25，对应中心波长分别为461 nm、488 nm、514 nm、546 nm、563 nm、576 nm、578 nm、601 nm和631 nm，且透过率均高于90%；选用由曲阜师范大学激光研究所生产的格兰 泰勒棱镜作为起偏器和检偏器，型号为LGP 4，消光比为1×10 5；旋光物质采用编号为No.005120038的标准石英管，其旋光度为5.165°（在温度为20 ℃、光源波长为589.44 nm的情况下标定）；由于起偏器和检偏器透光方向处于正交状态时输出光强十分微弱，属于弱信号探测，因此采用FirstSensor生产的SIPM，并且将该SIPM测量效果与Hamamatsu所产的硅光电二极管（SPD）的测量效果进行比较与分析。

2.1 定 标

整个实验过程中温度始终维持在20 ℃，且依次使用FF01 461/5 25、 FF01 488/6 25、FF01 546/6 25、FF01 578/10 25、FF01 601/4 25和FF01 631/4 25这六块滤光片进行实验，从而对整套实验装置进行定标。实验时先将起偏器与检偏器的透振方向夹角调至45°，由调制频率为1 kHz的白光LED发出一束复色光（该调制信号由DSP（TI F2812）产生），复色光经过某一型号的滤光片后变为单一波长光源，再经过起偏器后变为线偏振光。该波长下的线偏振光通过置物架上的标准石英管后偏转特定的角度，DSP产生的脉冲信号控制步进电机旋转台带动检偏器旋转，每旋转一步所探测到的光信号均由SIPM接收并转换为电信号，这些电信号经一系列电路处理后储存在SRAM中。当置物架上无旋光管时，重复上述步骤。根据式（1）和式（2）求得对应波长下该标准石英管的旋光度，再根据式（3）便可知对应波长下的比旋光度，然后通过表1中测出的六组波长与比旋光度的数据和式（4）来进行曲线拟合，求得五个未知常数，从而得到波长与比旋光度的对应关系。图2为拟合出的关系曲线，拟合度为0.999 9，图中标注了六块滤光片的中心波长值，对应纵坐标为测得的比旋光度，且拟合出的曲线方程为

2.2 实验结果

当对整套测量装置完成定标后，利用剩下的三块滤光片（FF01 514/3 25、FF01 563/9 25、FF01 576/10 25） 进行多组实验，从而验证装置的准确性和稳定性。表2中列出了三块滤光片的实际中心波长和利用该 测量装置得到的中心波长，由此可以看出测量值与真实值是比较一致的。表2还反映了三块滤光片的测量值与真实值之间的绝对误差和相对误差，由此可以看出相对误差稳定在0.12%～0.14%。

为了验证系统的稳定性，利用三块滤光片进行了30组重复性实验，结果如图3所示。图3中（a）、（b）、（c）体现了利用SIPM作为探测器的30组测量结果与平均值之间的偏差值，除去个别测量点，偏差值基本稳定在±0.1 nm之内；（d）、（e）、（f）则为利用硅光电二极管（SPD）作为探测器的30组测量结果与平均值之间的偏差值。从图中可以明显看出，利用SIPM作为探测器的测量结果更加稳定，偏差值较小，这是由于SIPM内含雪崩光电二极管多路并联结构，使其能够检测同一时刻的多个光子，因此相比硅光电二极管，SIPM对弱光检测即本文中起偏器与检偏器透振方向的正交位置检测更为灵敏，能够有效地提高整套测量装置的稳定性。

3 结 论

本文提出了一种基于旋光色散的波长检测方法，并搭建了一套光路简单易于实现的测量装置。实验中采用白光LED加滤光片的形式来模拟单波长光源，采用SIPM作为光电探测器从而更精准地探测出正交位置光强，并利用六块滤光片对装置进行定标，通过对另外三块滤光片进行测试可知该波长测量装置的精度为1 nm，从30组重复性实验结果能够看出测量偏差大约在±0.1 nm内，标准差为0.06 nm。因此可以证明，本文提出的波长检测方法具有结构简单、易于调节、测量稳定等特点。

参考文献：

[1] SKRZECZANOWSKI W，ZYCZKOWSKI M，DLUGASZEK A.Laser wavelength meter：analysis of measurement uncertainties[C]∥Proceedings of the SPIE volume 3745，interferometry99：applications；event：international conference on optical metrology.Pultusk Castle，Poland：SPIE，1999，3745：182 188.

[2] YAN L P，CHEN B Y，YANG W F，et al.A novel laser wavelength meter based on the measurement of synthetic wavelength[J].Reviewof Scientific Instruments，2010，81（11）：115104.

[3] LIN J Y，CHEN K H，CHEN J H.Simple method for measuring small wavelength differences[J].Optical Engineering，2007，46（11）：113605.

[4] 陳本永，杨万福，严利平.激光频率（波长）测量技术研究现状及发展[J].激光杂志，2009，30（2）：1 3.

[5] 王利强，左爱斌，彭月祥.光波长测量仪器的分类、原理及研究进展[J].科技导报，2005，23（6）：31 33.

[6] MONCHALIN J P，KELLY M J，THOMAS J E，et al.Accurate laser wavelength measurement with a precision two beam scanning Michelson interferometer[J].Applied Optics，1981，20（5）：736 757.

[7] 徐毓光，余勤跃，吕波，等.麦克尔逊干涉仪型激光波长计[J].应用激光，1993，13（2）：85 86.

[8] SINGH N，VORA H S.The spectral measurement of a high repetition rate tunable dye laser output using Fabry Perot fringe[J].Optics & Laser Technology，2007，39（4）：733 737.

[9] KEDZIERSKI W，BERENDS R W，ATKINSON J B，et al.A Fizeau wavemeter with single mode optical fibre coupling[J].Journal of Physics E：Scientific Instruments，1988，21（8）：796 798.

[10] SHAN E M，LI Y，XU B，et al.All fiber real time laser wavelength measurement method based on Faraday rotation effect[J].IEEE Photonics Technology Letters，2015，27（21）：2246 2249.

[11] LOWRY T M，COODE ADAMS W R C.Optical rotatory dispersion.Part III：the rotatory dispersion of quartz in the infra red，visible and ultra violet regions of the spectrum[J].Philosophical Transactions of the Royal Society A：Mathematical，Physical and Engineering Sciences，1927，226：391 466.

（编辑：刘铁英）