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微小型光谱仪在激光波长测量中的应用
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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FP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AvaSpec2048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AvaSpec2048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 ILX554型2048像素线阵CCD探测器，测量波长范围2001100nm，最高分辨率0.04nm，提供USB1.1 或USB2.0 接口、RS232接口和I/O外触发接口。
2.2.1 外触发功能
AvaSpec2048FT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AvaSoftFull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。
t2=从发出TTL 电平到开始测量, 42ns– 2.7ms 可调,步长42ns
tint= 积分时间, 2.0ms – 60sec可调 [p]
2.2.2 多通道间同步采样
AvaSpec2048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。
2.2.3 强大的历史通道功能
在AvaSoftFULL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。使用时只要安装软件AvaSoftFULL使用USB线或RS232线缆将光谱仪与计算机连接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。
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。下图－4是一个日光灯光谱。
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FP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AvaSpec2048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AvaSpec2048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 ILX554型2048像素线阵CCD探测器，测量波长范围2001100nm，最高分辨率0.04nm，提供USB1.1 或USB2.0 接口、RS232接口和I/O外触发接口。
图1 AvaSpec2048FT光谱仪的光学平台
2.2.1 外触发功能
AvaSpec2048FT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AvaSoftFull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 AvaSpec2048FT
光谱仪外触发时序图
t2=从发出TTL 电平到开始测量, 42ns– 2.7ms 可调,步长42ns
tint= 积分时间, 2.0ms – 60sec可调 [p]
2.2.2 多通道间同步采样
AvaSpec2048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 AvaSpec2048FT8八通道光谱仪
2.2.3 强大的历史通道功能
在AvaSoftFULL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。使用时只要安装软件AvaSoftFULL使用USB线或RS232线缆将光谱仪与计算机连接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。
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。下图－4是一个日光灯光谱。
图4 [p]
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100次/秒以上）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，为了准确地和脉冲同步，光谱仪最好工作在外触发模式下。如下图－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。
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。
4．结 论
使用AvaSpec2048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。(end)
