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Thorlabs公司的光譜分析儀（OSA）是測(cè)量光源光功率與波長(zhǎng)函數(shù)關(guān)系的通用儀器。該儀器功能豐富，應(yīng)用廣泛，可用來分析寬帶光譜信號(hào)、增益芯片的F-P腔模數(shù)或長(zhǎng)相干長(zhǎng)度的單模外腔式激光器。
一般的OSA基本上都是基于光柵的單色儀。而Thorlabs公司的OSA是一種傅里葉變換光譜分析儀（FT-OSA），它在一個(gè)推/拉結(jié)構(gòu)中采用了一個(gè)掃描邁克爾遜干涉儀，如下圖所示。該方法使這種全功能OSA還可以作為一個(gè)高精度的波長(zhǎng)計(jì)。
Thorlabs公司的FT-OSA的光路圖，詳細(xì)說明了雙逆向反射鏡設(shè)計(jì)原理。
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OSA203具有一個(gè)FC/PC型光纖輸入端口，可以使用**直徑為Ø50微米的單模和階躍折射率光纖。如有需要，我們也可以提供帶其它接口的特殊設(shè)計(jì)OSA。該儀器設(shè)計(jì)可以測(cè)量連續(xù)波光源，但也可以用于一些采用脈沖光源的應(yīng)用之中。在輸入信號(hào)被準(zhǔn)直后，信號(hào)光被一個(gè)分束器分為兩路分立的信號(hào)。這兩路光的光程差介于0到±40毫米之間。然后這兩路準(zhǔn)直的光信號(hào)在到達(dá)分束器后發(fā)生干涉。
右圖所示的探測(cè)器部件記錄干涉圖樣，通常稱之為干涉圖。該干涉圖是輸入光光譜的自相關(guān)波形。通過對(duì)該波形進(jìn)行傅里葉變換，就可以恢復(fù)出光信號(hào)的光譜信息。*后得到的光譜信息具有高分辨率和很款到波長(zhǎng)覆蓋范圍，并且光譜分辨率與光延遲范圍相關(guān)。光譜的波長(zhǎng)范圍由探測(cè)器和光學(xué)鍍膜的帶寬所限制。此外，我們系統(tǒng)的精度通過附帶的穩(wěn)頻HeNe參考激光器保證，該激光器可以精確地測(cè)量光路長(zhǎng)度的細(xì)微變化，使系統(tǒng)可以連續(xù)地進(jìn)行自主標(biāo)定。該過程為精確的光學(xué)分析提供了保證，這是基于光柵的OSA所不能實(shí)現(xiàn)的。
| Item # | OSA203 | Notes |
|---|---|---|
| Wavelength Rangea | 1000 - 2500 nm | Detector Limited |
| Spectral Resolution | 60 pm @ 1550 nm / 0.25 cm-1 | Broadband Mode |
| Wavelength Meter Resolution | 0.2 pm | Wavelength Meter Mode Linewidth 小于10 GHz |
| Display Resolutionb | 9 Decimals | Wavelength Meter Mode |
| Spectral Accuracyc | ±4 pm | Broadband Mode |
| Wavelength Meter Accuracyc | ±2 pm | Wavelength Meter Mode |
| Spectral Precisiond | ±1 pm | Broadband Mode |
| Wavelength Meter Precisione | 0.2 pm | Wavelength Meter Mode |
| Input Power (Max) | 10 mW | CW Source |
| Power Level Accuracyc，f，g | ±1 dB | |
| Signal-to-Noise Ratio | >40 dB | |
| Level Sensitivityg，h | -70 dBm | |
| Recommended Input Fiber Specifications | All Singe Mode Fibers Step-Index Multimode Fibers with小于Ø50 mm Core and NA小于0.22 | |
| Dimensions | 320 mm x 149 mm x 475 mm (12.6" x 5.9" x 18.7") | |
| Input Voltage | 100 - 240 VAC， 47 - 63 Hz， 250 W (Max) | |
| Operating Temperature | 10 °C to 40 °C | |
| Relative Humidity | 小于80%， Non Condensing | |
| Storage Temperature | -10 °C to 60 °C | |
| Optical Power (Max) | 20 mW/13 dBm | |
a 我們也提供其它探測(cè)器。
b 可以在0-9之間進(jìn)行設(shè)置，并帶有自動(dòng)選項(xiàng)可以估算相關(guān)的小數(shù)位。
c需要經(jīng)過30分鐘的預(yù)熱。帶有FC/PC接頭的單模光纖。
d 光譜精度是指重復(fù)性，通過重復(fù)性可以用峰值搜索工具測(cè)量光譜特性。
e 采用相同的輸入單模光纖進(jìn)行所有測(cè)量。
f在**功率模式中的位準(zhǔn)確精度，填零= 2， 變跡= Hann。
g 對(duì)于1000 - 2000納米光波下的OSA 203。
h 在用**分辨率、**靈敏度和填零=0時(shí)的可探測(cè)能量/光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)。
干涉圖數(shù)據(jù)采集
參考激光的干涉圖用來記錄一個(gè)16位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的時(shí)間，從而采樣能以一個(gè)固定、等距離的光程長(zhǎng)度間隔進(jìn)行。HeNe參考條紋周期經(jīng)過數(shù)字化處理，它的頻率經(jīng)過位鎖回路（PLL）進(jìn)行倍增，極大地提高了采樣分辨率。多重PLL濾波器使平率倍增可以設(shè)置為16、32、64或128.在128倍倍增設(shè)置時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集間隔約為5納米。多重PLL濾波器使用戶可以針對(duì)系統(tǒng)測(cè)量選擇優(yōu)化參數(shù)，如提高速度、減小靈敏度、減小分辨率，或降低速度、提高靈敏度、提高分辨率等。
高速USB連接可以將器件的干涉圖通過乒乓傳輸方案以6MB/s的速度進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)非常大的數(shù)據(jù)流傳輸。一旦獲取數(shù)據(jù)后，經(jīng)過優(yōu)化能夠充分利用現(xiàn)代多核處理器的OSA軟件就可以進(jìn)行一系列計(jì)算來分析和調(diào)節(jié)輸入波形，從而在快速傅里葉變換（FFT）的輸出端獲得**的分辨率和信噪比（SNR）。
分析儀中的探測(cè)器放大器噪聲和失真非常低，并帶有自動(dòng)增益控制，可以提供大動(dòng)態(tài)范圍，使ADC以**工作狀態(tài)工作，并保證在高達(dá)10毫瓦的輸入功率時(shí)能夠具備出色的SNR。對(duì)于低功率信號(hào)，該系統(tǒng)可以探測(cè)窄帶光源發(fā)出的低于100皮瓦的信號(hào)。其平衡探測(cè)構(gòu)架通過使Thorlabs FT-OSA可以應(yīng)用所有通過干涉儀的光，改善系統(tǒng)的SNR，并同時(shí)防止共模噪聲。
典型干涉圖
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儀器產(chǎn)生的干涉圖從50萬到1600萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)不等，這取決于所采用的分辨率和靈敏度模式設(shè)置。FT-OSA軟件可以分析輸入數(shù)據(jù)和從內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)智能選擇優(yōu)化FFT算法。
通過采用異步多線程的方法，經(jīng)過多個(gè)用來產(chǎn)生光譜信息的處理階段來采集和處理干涉圖數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)額外的軟件性能。
軟件的多線程構(gòu)架可以通過靈活適應(yīng)計(jì)算機(jī)性能來平行管理多個(gè)操作任務(wù)，這樣就保證了處理器**的帶寬使用。我們的每個(gè)FT-OSA儀器都附帶一臺(tái)臺(tái)式計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)經(jīng)過進(jìn)行挑選，能夠保證**的數(shù)據(jù)處理和用戶界面操作。
W當(dāng)分析窄帶光信號(hào)時(shí)，F(xiàn)T-OSA會(huì)自動(dòng)計(jì)算輸入信號(hào)的中心波長(zhǎng)，并顯示在當(dāng)前整體光譜的主顯示區(qū)下方的窗口中。中心波長(zhǎng)λ是通過計(jì)算從輸入和參考激光得到的干涉條紋數(shù)來計(jì)算得到的，具體如下式：
其中，m0 為HeNe參考激光的條紋數(shù)，m為位置輸入信號(hào)的條紋數(shù)，n0 為參考激光波長(zhǎng)下的空氣折射率，nλ 為波長(zhǎng)λ下的空氣折射率，而λ0 則為HeNe參考激光的真空波長(zhǎng)。
FT-OSA作為波長(zhǎng)計(jì)時(shí)的分辨率基本上比系統(tǒng)作為寬帶分光儀時(shí)要高，這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)可以根據(jù)鎖相回路倍增器設(shè)定的極限來分辨條紋的邊緣。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)的分辨率由未知輸入信號(hào)的帶寬和結(jié)構(gòu)、探測(cè)器的噪聲、參考激光器的漂移、干涉儀準(zhǔn)直和其它系統(tǒng)錯(cuò)誤所限制。經(jīng)過測(cè)試該系統(tǒng)在近紅外波段可以實(shí)現(xiàn)低于±0.2皮米的測(cè)量精度（請(qǐng)參考規(guī)格標(biāo)簽了解詳細(xì)規(guī)格）。
其軟件可以評(píng)估未知輸入光的光譜，從而確定合適的顯示分辨率。如果數(shù)據(jù)不可信，如多峰值光譜，該軟件會(huì)關(guān)閉波長(zhǎng)計(jì)模式，從而防止錯(cuò)誤結(jié)果的產(chǎn)生
這些FT-OSA儀器結(jié)合了真空波長(zhǎng)為632.9913納米的穩(wěn)定HeNe參考激光器。采用穩(wěn)定HeNe激光器保證了長(zhǎng)期波長(zhǎng)精度，這是因?yàn)榉€(wěn)定HeNe激光器的動(dòng)態(tài)是已知的并可以對(duì)其有效地進(jìn)行控制。
這些儀器在出廠前經(jīng)過對(duì)準(zhǔn)，從而使參考光束和未知輸入光束在干涉儀進(jìn)行掃描時(shí)經(jīng)歷相同的光程長(zhǎng)度變化。任何殘余對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)波長(zhǎng)測(cè)量的影響都小于0.5皮米；輸入光束的瞄準(zhǔn)精度是由高精度陶瓷插座和魯棒干涉腔設(shè)計(jì)保證。該干涉儀中沒有采用任何光纖。參考激光器在空氣中的波長(zhǎng)針對(duì)每種測(cè)量都通過配合儀器內(nèi)部傳感器進(jìn)行溫度和壓力的數(shù)據(jù)采集，用Eldén公式進(jìn)行了仔細(xì)計(jì)算。
對(duì)于用戶在可見光波段光譜的操作，相對(duì)濕度（RH）對(duì)空氣折射率的影響會(huì)改變測(cè)量的精度。為了補(bǔ)償這種效應(yīng)，其軟件可以手動(dòng)設(shè)置相對(duì)濕度。在紅外波段，濕度的影響效應(yīng)可以忽略。
OSA的動(dòng)態(tài)范圍被定義為本底噪聲，即測(cè)量窄帶激光光源時(shí)峰值為500GHz。下表提供了1500納米下OSA203動(dòng)態(tài)范圍的的一些實(shí)驗(yàn)值。
| From Peak | Dynamic Range |
|---|---|
| 0.2 nm (25 GHz) | 28 dB |
| 0.4 nm (50 GHz) | 30 dB |
| 0.8 nm (100 GHz) | 30 dB |
| 4 nm (500 GHz) | 40 dB |
| 8 nm (1000 GHz) | 45 dB |
光譜的縱軸可以顯示為**功率或功率密度，它們都可以用線性或?qū)?shù)刻度進(jìn)行標(biāo)示。在**功率模式下，總功率是基于儀器對(duì)某特定波長(zhǎng)的實(shí)際分辨率進(jìn)行顯示的；我們推薦只在測(cè)量窄帶光譜輸入光時(shí)采用該設(shè)置。對(duì)于寬帶器件，我們推薦使用功率密度模式。在功率密度模式下，縱軸是以每單位波長(zhǎng)的功率值進(jìn)行顯示的，而單位波長(zhǎng)則基于固定波長(zhǎng)帶并且與儀器的分辨率設(shè)置無關(guān)。
OSA等儀器的分辨率取決于干涉儀中兩路光路的光程差（OPD）。用波數(shù)（單位為厘米的倒數(shù)）來解釋該參數(shù)比用波長(zhǎng)或頻率更易于理解。
假設(shè)您有兩個(gè)光源（激光），它們的中心波長(zhǎng)非常相近：分別為6500 cm-1 和6501 cm-1。為了在干涉儀中區(qū)分它們的信號(hào)光，其中一路光需要從零光程差（ZPD）點(diǎn)移動(dòng)1厘米。我們的OSA系統(tǒng)可以進(jìn)行±4厘米的光程差變化，使其能夠分辨*小為0.25 cm-1的光譜差異。該儀器的分辨率可以由下式進(jìn)行計(jì)算
其中Δλ為分辨率（該儀器**分辨率為0.25 cm-1），單位為皮米，光程差Δk的單位cm-1，波長(zhǎng)λ的單位為微米。
用OSA軟件可以調(diào)高或降低儀器分辨率。高分辨率對(duì)應(yīng)反射器的±1厘米（對(duì)應(yīng)光程差變化為±4厘米）的**反射器位移，而低分辨率則對(duì)應(yīng)應(yīng)反射器的±0.25厘米（對(duì)應(yīng)光程差變化為±1厘米）的反射器位移。通過OSA軟件，光譜計(jì)算中使用的干涉圖長(zhǎng)度可以被分割，從而將分辨率降低到用戶的期望值。
儀器的靈敏度取決于傳感器電路中采用的電子增益。由于提高增益會(huì)使探測(cè)器的帶寬降低，因此在更高增益設(shè)置下一起將降低運(yùn)行的速度。
OSA在運(yùn)行速度更低時(shí)還可以采樣更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)/OPD。數(shù)據(jù)采樣通過內(nèi)部穩(wěn)定HeNe激光器的參考信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)。其中一個(gè)位相鎖定回路可以對(duì)HeNe的周期倍增到128倍，從而實(shí)現(xiàn)**的靈敏度模式。該模式對(duì)于被測(cè)光為寬帶光和強(qiáng)度較弱時(shí)是非常實(shí)用的。這樣一來，在ZPD點(diǎn)的干涉圖中，很短的間隔就包含了所有光譜信息。這通常被稱為零點(diǎn)飽和。
Thorlabs的OSA光譜分析儀可以通過一對(duì)折疊鏡和RC08FC-P01反射式準(zhǔn)直器來分析自由空間光源。在本例中，我們將1532納米氦氖激光器發(fā)射光束耦合進(jìn)OSA202光譜分析儀。
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