| 发布日期：2023-03-13 |
实验背景
随着激光器的制作工艺的完善和成本的降低，激光器已被广泛应用于光纤通信、测量技术、医疗、生物工程等多个技术领域，在这些领域中，使用者对激光器的各项性能指标越来越关注。
激光器的中心波长、半高宽和功率大小是其重要的性能指标。由于半导体激光器所发出的激光具有一定的发散角，故需采用积分球结合光谱仪和功率计的方式去测量。积分球具有独特的几何结构，激光在积分球内经过多次漫反射后可以形成均匀的光强分布，激光束功率的测量则不受激光束偏振及校准的影响。
光源在植物照明、生物医疗成像、人体健康等方面应用广泛，光源的光谱是决定该光源使用特性的重要参数。LED植物照明光源，光谱对植物光合作用和形态建成的影响以及光照强度对植物生长情况的影响。分析太阳光谱的变化情况、不同光谱波段对人体生理健康的影响，以及光照对一些疾病的治疗作用。分析光照对人类睡眠的影响，引导人们合理选择人造光源，确保睡眠健康。
采用光纤光谱仪对激光/光源可进行精确、快速的波长和半峰宽的实时监测，相较于通常用来测量激光参数的波长计和扫描F-P腔方法，使用光纤光谱仪得到的信息更为完整，能同时测得激光的绝对波长和激光光谱的形状，并且仪器体积小巧，易集成到系统中，在生产线上操作；相较于传统的光谱仪，MS11639光纤光谱仪相较于传统光谱仪的光学结构更加简单，测量更加精确，并且可以脱离样品池的限制，实现实时实地测量。
实验原理
光谱仪一般由分光系统、接收系统和数据处理系统组成，其工作原理是将光源发出的复色光按照不同的波长分离出来，配合各种光电探测器件对谱线强度进行测量，获得光谱强度（辐射）分布，半峰宽等光色性能参数。
实验设备
测量方法
光源测量方法一：光谱仪+光纤+积分球+采样支架
1、连接系统如图2所示：激光器连接5V电源适配器，用光纤一端连接激光器，另一端连接到积分球上端光纤接口处。另一根光纤把积分球侧面接收端口与光谱仪MS11639相连接。用USB数据线将光谱仪与电脑相连。
图2.激光测量系统装置搭建
2、打开光谱采集软件，选择仅光谱仪模式。
3、点击“单次”按钮采集暗光谱，后点击“保存暗光谱”以扣除暗背景。
4、打开激光器，点击“连续”测量按钮使激光常亮，调节积分球上端激光发射口与积分球的距离、激光器的功率、积分时间与平均次数等条件使得软件上呈现较好的激光特性谱图，并读取谱图中数据。
图3.785nm激光器测试参数图
从图中可以得出激光器的中心波长位于784.639 nm处，激光呈现出较好的单一性，其半峰宽为1.970 nm。
光源测量方法二：光谱仪+光纤+可调光衰器
1、连接系统如图4所示：用光纤一端连接氘钨灯DH2000-Mini，另一端接到可调光衰器处，再用另一根光纤连接可调光衰器与光谱仪，用USB数据线将光谱仪HS4096与电脑相连。
图4.光源测量系统装置搭建
2、打开氘钨灯DH2000-Mini，预热5分钟。
3、打开光谱采集软件，选择仅光谱仪模式。
4、点击“单次”按钮采集暗光谱，后点击“保存暗光谱”以扣除暗背景。
5、点击“连续”测量按钮，通过可调光衰器调节光源强弱，调整积分时间与平均次数等条件使得软件上呈现较好的光源特性谱图，并读取谱图中数据。
图5.DH2000-Mini测试参数图
选用HS4096 200-850nm的光谱仪测试氘钨灯的光谱，灵敏度高。快速获取氘钨灯的光谱特性，以便指导实际生产应用。
光源测量方法三：光谱仪+光纤
1、连接系统如图6所示：用光纤一端连接532nm可调激光器，另一端光纤连接光谱仪HS4096，用USB线将光谱仪与电脑相连。
图6.光谱测量系统装置搭建
2、打开光谱采集软件，选择仅光谱仪模式。
3、点击“单次”按钮采集暗光谱，后点击“保存暗光谱”以扣除暗背景。
4、打开532nm可调激光器，点击“连续”测量按钮，通过旋钮调节功率大小，调整积分时间与平均次数等条件使得软件上呈现较好的激光器光谱图，并读取谱图中数据。
从图中可以得出激光器的中心波长位于531.955nm处，激光呈现出较好的单一性，其半峰宽为0.705nm。
光源测量方法四：光谱仪+光纤+积分球
1、连接系统如图7所示：用光纤一端连接积分球，另一端连接光谱仪，用USB线将光谱仪XS11639与电脑相连。
2、打开待测光源，预热3-5分钟。
3、打开光谱采集软件，选择仅光谱仪模式。
4、点击“单次”按钮采集暗光谱，后点击“保存暗光谱”以扣除暗背景。
5、积分球接收端对准待测光源，点击“连续”测量按钮，调整积分时间与平均次数等条件使得软件上呈现较好的光源特性谱图，并读取谱图中数据。
图7. 光源测量系统装置搭建
光源测量方法五：光谱仪+光纤+余弦校准器
1、连接系统如图9所示：用光纤一端连接余弦校准器，另一端连接光谱仪，用USB数据线将光谱仪MS11639与电脑相连，余弦校准器对准待测光源。
图9.光源测量搭建系统
2、打开光源，预热3-5分钟。
3、打开光谱采集软件，选择仅光谱仪模式。
4、点击“单次”按钮采集暗光谱，后点击“保存暗光谱”以扣除暗背景。
5、余弦校准器对准待测光源。点击“连续”测量按钮，通过旋钮调节光源强弱，调整积分时间与平均次数等条件使得软件上呈现较好的光源光谱图，并读取谱图中数据。
光源测量方法六：光谱仪直接对光源
1、如图所示，光谱仪取下SMA905保护帽，直接测试光源。
图10. 532nm激光器测量光谱
2、打开光谱采集软件，选择仅光谱仪模式。
3、点击“单次”按钮采集暗光谱，后点击“保存暗光谱”以扣除暗背景。
4、打开激光器，光谱仪SMA905接口处对准待测激光器。点击“连续”测量按钮，调整积分时间与平均次数等条件使得软件上呈现较好的激光器光谱图，并读取谱图中数据。
实验结论
通过利用积分球、光谱仪与光纤搭建的激光光学参数的测量系统可以准确简单、快速方便地测量出激光器的中心波长与半峰宽等信息；光源和光谱仪耦合，获取光源的光谱特性。
配件推荐
如海光电余弦校正器可分别与光谱仪或光纤耦合，接口为标准SMA905，是用于光谱辐射（200-2500nm）取样的光学元件，用于收集180°立体角内的辐射（光线），从而消除了其它取样装置中由于光线收集取样几何结构限制所导致的光学耦合问题。适用于测量太阳辐射、LED光、激光、环境光和其它发光光源。
如海设计的积分球通过9.5mm入光口来接收光能量（波长范围200~2500nm），再经过内部漫反射后，将均匀的光能量传送到输出端口。输入端口采用SMA905连接器，可直接耦合到光谱仪中，方便使用。
积分球采用卜型设计，内胆采用聚四氟乙烯（PTFE）材质，不会因为与空气发生氧化反应而发黄变质；内胆尺寸可选25mm、38mm及50mm直径，该产品可用于测量发光二极管等光源的光谱特性，光通量，色温，光谱分布等参数，也可以辅助水果、叶片、纺织品等样品的反射光谱测量。
