Способ измерения спектра излучения
METHOD FOR MEASURING THE EMISSION SPECTRUM

Предлагаемое изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для измерения параметров спектров излучения лазера.
42
Известен способ обработки спектров (A. Destrez, Z. Toffano, I. Joindot, C. Birocheau, and L. Hassine // IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, 1993, , 304), являющийся аналогом предложенного способа, в котором для измерения спектра излучения лазера при обратной связи, когда рассматриваются N мод, используют свертку суперпозиции лоренцевых линий и пропускания интерферометра Фабри-Перо. Полученный результат достигается изменением коэффициентов в функции Лоренца и сравнением суммы данных функций с экспериментально полученным спектром, записанным с помощью сканируемого интерферометра Фабри-Перо.
Однако в указанном способе для описания формы линии лазера используют форму линии Лоренца, хотя в общем случае форма линии лазера существенно отличается от Лоренца, что приводит к увеличению погрешности измерения спектров.
8992
Кроме того, известен способ (U.  A. Varpula, T. Antila, C. Holmlund, J.  A.  R. Mannila, A. Rissanen, J. Antila, R. Disch, T. Waldmann // Proc. of SPIE, 2014, , 1), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в том, что излучение широкополосного источника пропускают через интерферометр Фабри-Перо, который вырезает узкую часть спектра. При изменении длины интерферометра изменяют длину волны максимума его пропускания. При обработке результатов используют формулу Эйри
где  - воздушный зазор между зеркалами,
λ - длина волны излучения,
θ - угол падения,
F - коэффициент остроты, определяемый как
где R - коэффициент отражения зеркал.
Однако, указанный способ можно использовать только для интерферометров с короткой базой (2-5 мкм), когда кривизна волнового фронта практически не меняется за достаточно большое число проходов. Для интерферометров с большой базой, используемых для повышения разрешающей способности, наблюдается существенное различие амплитуд расчетной и экспериментальной кривой пропускания интерферометра, что приводит к существенным погрешностям при обработке спектров излучения.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение точности измерения спектральных компонент излучения для интерферометра Фабри-Перо с высокой разрешающей способностью.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что для измерения сложных спектров излучения полупроводникового лазера при сверхвысокочастотной модуляции тока инжекции излучении через оптический изолятор подают на интерферометр Фабри-Перо, длину базы которого сканируют пилообразным напряжением от генератора, сигнал с которого подают на пьзокерамический преобразователь; затем излучение подают на фотоприемник, сигнал с которого подают на цифровой осциллограф; затем с помощью цифрового осциллографа записывают сложный спектр, обработку которого необходимо произвести, и отличающийся тем, что при обработке спектров используют предварительно полученную экспериментально форму пропускания интерферометра Фабри-Перо, амплитуда и положение которой затем по методу наименьших квадратов подбирают под обрабатываемые спектры, при этом под каждый из наблюдаемых пиков в обрабатываемом спектре подбирают свои значения амплитуды и положения максимума экспериментально записанной формы пропускания.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ: 1 - генератор сверхвысокочастотных сигналов, 2 - полупроводниковый лазер, 3 - оптический изолятор, 4 - интерферометр Фабри-Перо, 5 - генератор пилообразного напряжения, 6 - пьезокерамический преобразователь, 7 - цифровой осциллограф, 8 - фотоприемник.
На фиг. 2 показан пример работы описываемого способа обработки спектров при сверхвысокочастотной модуляции тока инжекции диодного лазера частотой 3,50 ГГц, записанных с помощью сканируемого интерферометра Фабри-Перо.
На фиг. 3 приведен пример обработки этого же спектра с помощью формулы Эйри, в которой по методу наименьших квадратов подбирают амплитуды компонент, частотное положение и коэффициент остроты интерферометра Фабри-Перо.
На фиг. 4 приведена разность между экспериментальным и теоретическим графиком при двух описанных выше методах обработки. Красной линией обозначена разность при обработке формулой Эйри, а синей - при обработке предложенным методом.
Способ осуществляется следующим образом.
Предварительно экспериментально записывают форму пропускания интерферометра Фабри-Перо и спектр, обработку которого необходимо провести.
Генератор сверхвысокочастотных сигналов 1 имеет кабельную связь с полупроводниковым лазером 2, который имеет оптическую связь с оптическим изолятором 3, имеющим оптическую связь с интерферометром Фабри-Перо 4; генератор пилообразного напряжения 5 имеет кабельную связь с пьезокерамическим преобразователем 6 и цифровым осциллографом 7; пьезокерамический преобразователь 6 имеет клеевой контакт с выходным зеркалом интерферометра Фабри-Перо 4; фотоприемник 8 имеет оптическую связь с интерферометром Фабри-Перо 4 и кабельную связь с цифровым осциллографом 7.
Запись спектра осуществляют следующим образом. Излучение полупроводникового лазера 2 через оптический изолятор 3 подают на интерферометр Фабри-Перо, длину базы которого сканируют пилообразным напряжением от генератора 5, сигнал с которого подают на пьзокерамический преобразователь 6. Затем излучение подают на фотоприемник 8, сигнал с которого подают на цифровой осциллограф 7. В результате с помощью цифрового осциллографа 7 записывают экспериментальную форму пропускания интерферометра Фабри-Перо 4, используемую впоследствии для обработки спектров. Затем с помощью сверхвысокочастотного сигнала от генератора 1 модулируют ток инжекции полупроводникового лазера 2 и аналогичным образом записывают сложный спектр, обработку которого необходимо произвести. Для каждого пика в спектре обрабатываемого лазера подбирают значение амплитуды и частотного положения, позволяющее минимизировать разницу между суммой форм пропускания при каждом значении по оси абсцисс и экспериментальным значением обрабатываемого спектра в этой точке. Таким образом, набор форм пропускания с различными амплитудами и положениями будет представлять собой истинный спектральный состав исследуемого излучения. Амплитуды и положения экспериментальных форм не будут совпадать с пиками обрабатываемых спектров, поскольку после обработки будет учтено их взаимное влияние друг на друга и с обрабатываемым спектром будет совпадать лишь их поточечная сумма.
Для численной оценки точности используют поточечную сумму квадратов разностей экспериментального и теоретического графиков. В случае обработки формулой Эйри сумма квадратов составляет 0,013, а при обработке предложенным методом - 0,0014, т.е. точность обработки предложенным по сравнению с прототипом на порядок выше.
Техническим результатом является повышение точности измерения спектральных компонент излучения для интерферометра Фабри-Перо с высокой разрешающей способностью.