CN104180972A - 一种测量光学腔线宽的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量光学腔线宽的装置和方法，装置包括：光学腔、单频激光器、单频可调谐激光器、光电探测器、频谱分析仪。采用上述装置，测量光学腔线宽的方法包括步骤：将单频可调谐激光器与单频激光器的输出光在第一光学分束器上耦合；用第二光学分束器将合束光分为两束，一束导入光学腔，另一束导入光电探测器；调节合束光与光学腔模式匹配；将光学腔的输出光输入光电探测器中；改变单频可调谐激光器的波长，用频谱分析仪记录一组频率和对应的拍频信号的噪声功率；根据公式拟合得到光学腔的线宽。该方法装置简单、操作方便、结果精确，具有很好的实用价值。

Description

一种测量光学腔线宽的装置和方法

技术领域

本发明涉及光学腔参数测量，具体属于一种测量光学腔线宽的装置和方法。

背景技术

光学腔的本质是一个光学低通滤波器。线宽是表征光学腔的一个重要参数，它表明了光学腔(低通滤波器)截止频率的大小。光学腔线宽的定义为在频域内测量光谱强度，峰值一半处对应的两个频率相减的值。

在激光技术领域，激光线宽由光学腔的品质因数决定,腔的品质因数越高,光学腔的线宽越窄，激光器的线宽就越窄。当前，窄线宽激光器由于具有相干长度长和频率确定性高等优点，在光学测量、雷达、全息成像、冷原子、光钟、DNA检测等领域有重要的应用价值。根据激光器光学腔的线宽可以推断激光器输出激光线宽，对窄线宽激光器研究工作具有重要意义。

在量子光学领域，为了降低光源的高频噪声，一般采用在光路中插入模清洁器(一种光学腔)的方法，而模清洁器的线宽决定了过滤高频噪声的频率下限。因而精确测量模清洁器的线宽对获得高性能压缩和纠缠光具有重要意义。另外，目前为止，利用光学参量过程是获得压缩光和纠缠光的最有效手段。在利用光学参量过程产生压缩光和纠缠光的装置中，光学参量腔的线宽决定了产生的压缩光和纠缠光的最大带宽，因此测量光学参量腔的线宽也是非常必要的。根据光学腔的线宽也可以得出光学腔的损耗，可以为减小损耗和改进光学腔性能提供重要参考。同时，可以根据损耗得到理论上压缩度和纠缠度的大小，为实验上压缩光和纠缠光的产生提供理论参考。

现有技术中，线宽一般通过扫描光学腔的腔长，根据透射光学腔透射峰半高宽度占一个自由光谱范围的比例决定，自由光谱范围根据光学腔的腔长和折射率参数计算得到。

对于驻波腔，自由光谱范围的表达式如下：

自由光谱范围＝c/2nL    (Ⅰ)

对于环形腔，光在腔内单向传播，自由光谱范围的表达式如下：

自由光谱范围＝c/nL    (Ⅱ)

公式(Ⅰ)和(Ⅱ)中，c为真空中的光速，n为光学腔内介质的折射率，L为光学腔的腔长。因此，自由光谱范围的计算以光学腔腔长和腔内介质折射率两个参数已知为前提。腔长L是一个容易测量的量，而介质的折射率n随材料的不同和周围温度，气流等均有变化，不易得到精确结果，从而影响自由光谱范围的计算结果，最后会影响线宽的计算结果。

另外，根据上述方法计算线宽是以光学腔上压电陶瓷的伸长随驱动电压为线性关系为前提的，而实际压电陶瓷受材料的限制都不是线性的。因而，使线宽计算结果不准确。

发明内容：

本发明的目的是提供一种精确测量光学腔线宽的装置和方法。通过该装置和方法可以测量得到频率和噪声功率的对应关系，然后利用公式拟合得到光学腔的线宽。

本发明提供的一种测量光学腔线宽的装置，包括光学腔、单频激光器、单频可调谐激光器、光电探测器、频谱分析仪；所述的单频可调谐激光器的输出光与单频激光器的输出光在第一光学分束器上合束，合束光经第二光学分束器分为两束光：旁路光束和透射光束；所述的旁路光束绕开光学腔直接输入光电探测器；所述的透射光束导入光学腔，将光学腔的输出信号导入光电探测器中；所述的频谱分析仪与光电探测器连接，在测量单频可调谐激光器和单频激光器的拍频信号时，它们放置在旁路光束的光路中，在测量单频可调谐激光器和单频激光器的输出光透过光学腔后的拍频信号时，它们放置在透射光束的光路中；所述的单频激光器输出光的频率在单频可调谐激光器的调谐范围内。

光学腔作为本发明测量线宽的测量对象。单频激光器用来产生波长确定的激光输出。单频可调谐激光器用来产生波长可调谐的激光输出。光电探测器用来探测两台激光器的拍频信号，光电探测器的输出与频谱分析仪连接，用来显示、读出拍频信号的频率和对应的噪声功率。在我们的装置中，光电探测器和频谱分析仪首先放置在旁路光束的光路中，用来确定测量拍频信号的频率范围。将频谱分析仪设置为max-hold模式，改变单频可调谐激光器的波长，每一个波长对应一个拍频频率和噪声功率，当一段频率范围内的噪声功率相等时，表明在这一频率范围内的信号能真实反映光学腔的线宽。然后，将光电探测器和频谱分析仪放置在透射光束的光路中，在上述确定的频率范围内改变单频可调谐激光器的波长，读出这一频率范围内各个频率点与噪声功率的对应关系。在装置中，光电探测器和频谱分析仪分时使用两次分别测量旁路光束和透射光束，也可以用性能相同的另一组光电探测器和频谱分析仪对旁路光束和透射光束信号进行同时测量。

所述的光学腔为两镜腔或其它多镜腔。

基于上述装置，本发明提供的一种测量光学腔线宽的方法，依次包括如下步骤：

1)、将单频可调谐激光器与单频激光器的输出光在第一光学分束器上合束，并使两束光在第一光学分束器后的光束参数相同、位置重合；

只有两束光与光学腔的同一个本征横模模式匹配，才能保证两束光在光学腔内有同样的共振条件。即当单频激光器发出的光与光学腔共振时，如果我们将单频可调谐激光器的频率调谐到与单频激光器的频率相等，单频可调谐激光器发出的光也与光学腔共振。如果两束光不重合，它们对应光学腔内不同的横模，不同横模在光学腔内的传播路径不同，对应不同的共振条件，这样两台激光器发出的光波长相等，不能保证它们能在光学腔中满足同时共振条件。

2)、用第二光学分束器将合束光分为两束：旁路光束和透射光束；

旁路光束绕开光学腔直接输入光电探测器，用来确定测量拍频信号的频率范围。透射光束经光学腔后导入光电探测器中，用来读出经光学腔后每个拍频频率点对应的最大噪声功率。

3)、将旁路光束注入光电探测器中，光电探测器的输出与频谱分析仪相连，将频谱分析仪设置为max-hold模式，改变单频可调谐激光器的波长，选取频谱分析仪噪声功率相等的区间对应的频率范围作为测量拍频的频率范围；

4)、调节透射光束与光学腔模式匹配，并将光学腔的腔长稳定在单频激光器的波长上；

调节合束光与光学腔模式匹配能提高共振点和非共振点信号的对比度，减小测量结果受腔内其它模式的干扰，使各个频率点与噪声功率的对应关系和拟合公式更接近。

5)、将光电探测器放置在光学腔后的透射光束光路中，光电探测器的输出与频谱分析仪相连，将频谱分析仪设置为max-hold模式，在步骤3)确定的频率范围内改变单频可调谐激光器的波长，读出这一频率范围内各个频率点与噪声功率的对应关系；

6)、用如下公式拟合步骤5)获得的频率和噪声功率的对应关系

可得到光学腔的线宽。

公式(1)根据光学腔的透射条件推导得到。在光学腔中，光束在组成光学腔的每个元件表面发生多次反射，使波的各个分量相互干涉，如果离开输出镜的所有分量都同相位相加，则光学腔的透射光束就会发生相长干涉，则光学腔的透射率最高；如果离开输出镜的所有分量都反相位相加，则光学腔的透射光束就会发生相消干涉，则光学腔的透射率最低。光学腔对光的透过率可以表示为(固体激光工程第五版P208世界图书出版公司)：

$T={[1+\frac{4r}{{(1-r)}^2}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)]}^{-1}---\left(2\right)$

公式(2)中，r为光学元件表面的反射率，δ为腔内光束的相位差。相位差δ可以表示为：

$\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\πx}}{\mathrm{\Δ\υ}}=\frac{2\mathrm{\πx}}{\mathrm{\δ\υF}}---\left(3\right)$

公式(3)中，x为测量点偏离最高透射率的频率，Δυ为光学腔的自由光谱范围，F为光学腔的精细度，δυ为光学腔的线宽。

光学腔的精细度可以近似表示为：

$F=\mathrm{\π}{\left[2\arcsin {(2+\frac{4r}{{(1-r)}^2})}^{-1/2}\right]}^{-1}\≈\frac{{\mathrm{\πr}}^{1/2}}{1-r}---\left(4\right)$

将公式(3)和公式(4)代入公式(2)中，得到频率和噪声功率的对应关系如下：

$T={[1+\frac{4*x^2}{{\mathrm{\δ}}^2\mathrm{\υ}}]}^{-1}---\left(5\right)$

由于步骤4)已经将光学腔的共振频率稳定在单频激光器的频率上，因此单频激光器经光学腔的透射光的功率不变。拍频信号噪声功率的最大值仅仅与单频可调谐激光器的透射光功率有关(与光学腔的透射率成正比)，而频谱分析仪读出的噪声功率是一个相对强度值。因此，可获得公式(1)所示的拟合表达式。

本发明所述的一种测量光学腔线宽的装置和方法与传统的方法相比具有以下优点：

1、该装置结构简单，可以用测量结果和已知表达式拟合得到光学腔线宽。

2、与根据扫描光学腔，根据自由光谱范围和光学腔透射峰半高宽度占一个自由光谱范围的比例计算线宽的方法相比，该方法的测量结果不受腔长、折射率误差，以及压电陶瓷非线性的影响，具有测量结果精确的优点。

3、该方法能实时获得光学腔在任何时间、任何地点的自由光谱范围，避免了计算方法一般取固定的腔长和折射率参数，不考虑腔长和折射率随周围环境(温度、气流、海拔等)的变化，具有结果不受周围环境影响的优点。

附图说明

图1是测量光学腔线宽的装置示意图

图中：1-光学腔，2-单频激光器，3-单频可调谐激光器，4-光电探测器，5-频谱分析仪，6-第一光学分束器，7-第二光学分束器，8-旁路光束，9-透射光束。

图2是实施例中线宽的测量结果

图中：(a)为透射光束的测量结果，窄线为实时结果，宽线通过把频谱分析仪设置为max-hold模式，在每个频率点取实时结果的最大值而得到；(b)为旁路光束的测量结果，窄线为实时结果，宽线通过把频谱分析仪设置为max-hold模式，在每个频率点取实时结果的最大值而得到。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做出进一步详细说明。以下实施方式用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

测量光学腔线宽的装置如图1所示，包括光学腔1、单频激光器2、单频可调谐激光器3、光电探测器4、频谱分析仪5。光学腔1由一个PPKTP晶体和一个凹面镜组成，PPKTP晶体的尺寸为1*2*10mm，靠近凹面镜的端面为平面，对1550nm减反，远离凹面镜的端面为曲面，对1550nm的反射率为99.95％，曲率半径为-12mm，工作温度为38度，凹面镜的曲率半径为25mm，对1550nm的反射率为90％，光学腔1的腔长为33mm。单频激光器2采用分布反馈式单频光纤激光器，输出波长为1550.303nm，激光器的最大输出功率为1W，测量过程中仅使用2mW。单频可调谐激光器3采用另一台分布反馈式单频光纤激光器，激光器的波长可以在1549.50nm-1550.50nm范围内调谐，激光器的最大输出功率为1W，测量过程中也仅使用2mW，调谐方式为控制激光器的温度和扫描激光器上的压电陶瓷两种方法，改变单频可调谐激光器3的工作温度可以实现大范围，粗调谐，扫描压电陶瓷可实现小范围、细调谐。光电探测器4的带宽为200MHz。频谱分析仪5的型号为Agilent N9020，测量带宽为8.6GHz。第一光学分束器6和第二光学分束器7的分束比均为50:50。单频可调谐激光器3的输出光与单频激光器2的输出光在第一光学分束器6上合束后，合束光经第二光学分束器7分为两束光：旁路光束8和透射光束9。旁路光束8绕开光学腔1直接输入光电探测器4。透射光束9导入光学腔1，经光学腔1的输出信号导入光电探测器4中。频谱分析仪5与光电探测器4连接，在测量单频可调谐激光器3和单频激光器2的拍频信号时，它们放置在旁路光束8的光路中，在测量单频可调谐激光器3和单频激光器2的输出光透过光学腔1后的拍频信号时，它们放置在透射光束9的光路中。

采用上述的装置，测量光学腔线宽的方法，依次包括如下步骤：将单频激光器2和单频可调谐激光器3发出的光分别从第一光学分束器6的一个端口入射到第一光学分束器6上，两束光经第一光学分束器6后从第一光学分束器6的两个方向输出，每个方向的输出均包含了两束入射光的特征。采用透镜组合改变其中一束入射光的参数，使两束光的参数相同，用光学导光镜组调整其中一束入射光的方向，使两台激光器发出的光经过第一光学分束器6后重合。选取第一光学分束器6输出的其中一束光导入第二光学分束器7，合束光经第二光学分束器7分束后分为旁路光束8和透射光束9。我们首先将旁路光束8导入光电探测器4，光电探测器4与频谱分析仪5相连。改变单频可调谐激光器3的温度，使单频可调谐激光器3的输出波长为1550.30nm附近，通过观察频谱分析仪5的输出信号，当频谱分析仪5显示的拍频信号到零频附近后，停止改变温度。然后用高压放大器驱动单频可调谐激光器3上的压电陶瓷，调节高压放大器输出电压，观察两台激光器的拍频信号。将频谱分析仪5设置为max-hold模式，通过调节高压放大器输出电压改变激光器的输出波长，获得两束光拍频信号的最大值随频率的变化，我们截取拍频信号最大值平滑的一段作为下一步的测量范围，结果如图2中(b)。从图2中(b)我们可以看出在频率为0—80MHz的范围内，拍频信号的最大值保持平滑。因此，我们在后面的测量中选取0—80MHz作为拟合范围。

将透射光束9导入光学腔1，并调节透射光束9与光学腔1的模式匹配效率为99％。并将光学腔1的腔长锁定在单频激光器2的波长上。将光电探测器4更换到光学腔1后透射光束9的光路中，光电探测器4的输出与频谱分析仪5相连，将频谱分析仪5设置为max-hold模式，测量单频可调谐激光器3和单频激光器2的输出光透过光学腔1后的拍频信号。当单频可调谐激光器3和单频激光器2的波长相等时，单频可调谐激光器的波长在光学腔1的共振波长上，透射率最高，对应的拍频信号的噪声功率最高。当单频可调谐激光器3的输出波长偏离单频激光器2的波长时，单频可调谐激光器3的透射率下降，对应的拍频信号的噪声功率下降。根据前面确定的频率范围并在这一范围内改变单频可调谐激光器的波长，读出这一频率范围内各个频率点与噪声功率的对应关系如图2中(a)。用公式拟合测量得到的频率和噪声功率的对应关系，获得光学腔1的线宽为57.992MHz。

上述实施例只是给出了利用本发明测量由一块晶体和一个腔镜组成的光学驻波腔线宽的方法，并没有描述测量其它腔型光学腔(多镜腔、环形腔等)的线宽。实际上，本发明也可以用来测量各种腔型光学腔的线宽。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种测量光学腔线宽的装置，其特征在于，包括光学腔(1)、单频激光器(2)、单频可调谐激光器(3)、光电探测器(4)、频谱分析仪(5)；所述的单频可调谐激光器(3)的输出光与单频激光器(2)的输出光在第一光学分束器(6)上合束后，合束光经第二光学分束器(7)分为两束光：旁路光束(8)和透射光束(9)；所述的旁路光束(8)绕开光学腔(1)直接输入光电探测器(4)；所述的透射光束(9)导入光学腔(1)，经光学腔(1)后的输出信号导入光电探测器(4)中；所述的频谱分析仪(5)与光电探测器(4)连接，在测量单频可调谐激光器(3)和单频激光器(2)的拍频信号时，它们放置在旁路光束(8)的光路中，在测量单频可调谐激光器(3)和单频激光器(2)的输出光透过光学腔(1)后的拍频信号时，它们放置在透射光束(9)的光路中；所述的单频激光器(2)输出光的频率在单频可调谐激光器(3)的调谐范围内。

2.如权利要求1所述的一种测量光学腔线宽的装置，其特征在于，所述的光学腔(1)为两镜腔或其它多镜腔。

3.一种测量光学腔线宽的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的装置，依次包括如下步骤：

1)、将单频可调谐激光器(3)与单频激光器(2)的输出光在第一光学分束器(6)上合束，并使两束光在第一光学分束器(6)后的光束参数相同、位置重合；

2)、用第二光学分束器(7)将合束光分为两束：旁路光束(8)和透射光束(9)；

3)、将旁路光束(8)注入光电探测器(4)中，光电探测器(4)的输出与频谱分析仪(5)相连，将频谱分析仪(5)设置为max-hold模式，改变单频可调谐激光器(3)的波长，选取频谱分析仪(5)噪声功率相等的区间对应的频率范围作为测量拍频的频率范围；

4)、调节透射光束(9)与光学腔(1)模式匹配，并将光学腔(1)的腔长稳定在单频激光器(2)的波长上；

5)、将光电探测器(4)放置在光学腔(1)后的透射光束(9)光路中，光电探测器(4)的输出与频谱分析仪(5)相连，将频谱分析仪(5)设置为max-hold模式，在步骤3)确定的频率范围内改变单频可调谐激光器(3)的波长，读出这一频率范围内各个频率点与噪声功率的对应关系；

6)、用如下公式拟合步骤5)获得的频率和噪声功率的对应关系

得到光学腔的线宽。