CN112362173B - 一种基于差频双梳的激光波长测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于差频双梳的激光波长测量装置及方法，属于激光波长测量领域。本发明的装置包括差频双梳装置、激光波长测量装置、数据采集与处理装置、待测激光器、第1频率计数器、第2频率计数器及微波原子钟。差频光梳装置由飞秒激光振荡器、放大‑扩谱模块、差频器、二次放大‑扩谱模块及重复频率锁相电路组成。差频光梳的载波包络偏移频率为零，光梳无需载波包络偏移频率锁相电路，使光梳结构更为简单，能够提高测量速度和抗干扰性，还能够降低光梳系统的相位噪声，提高测量精度；本发明采用差频双梳结构，无需利用波长计粗测确定梳齿序数，也不需要分别调节重复频率和载波包络偏移频率来确定正负号，测量速度快。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光波长测量装置及方法，尤其涉及一种基于差频双梳的激光波长测量装置及方法，属于激光波长测量领域。
背景技术
自激光出现以来，就被广泛应用于军事领域。机载或车载用防撞、侦察、成像等激光雷达均需要高稳定激光光源，而激光波长是激光光源的核心参数，基于干涉和外差法的激光雷达系统均需要对激光光源的波长进行精确测量，这是保证激光雷达测量准确度的前提。激光波长作为测量基准值，被广泛应用于长度、速度、角度、平面度等的测量。对于采用激光干涉仪、激光测距仪、激光跟踪仪的几何量计量，加工、装配、测量工业现场等领域，激光波长的准确测量是保证测量准确性和量值溯源的关键。
较为成熟的激光波长测量装置多数基于干涉技术，主要包括迈克尔逊干涉技术、斐索干涉技术、F-P干涉技术。其中迈克尔逊干涉技术虽然精度较高，但仅适用连续激光，并且有机械移动装置，抗干扰能力差。斐索干涉技术无移动结构，抗干扰能力强，但相比之下测量精度较低。F-P干涉技术测量精度高，但F-P腔调整难度高，抗干扰能力差。
飞秒光学频率梳的出现为激光波长测量提供了新的解决方案，由于激光频率与激光波长直接相关，采用飞秒光频梳可实现激光频率的绝对测量。目前，采用飞秒光频梳测量激光频率，需要同时锁定重复频率和载波包络偏移频率，而载波包络偏移频率的提取一直是一项难题。使用飞秒光学频率梳测量激光频率通常采取空间拍频光路，需要对光路进行反复调整，操作复杂，难以得到高信噪比的拍频信号。此外，根据待测激光波长的计算公式fl＝n×fr±fo±fb，首先通过激光波长计对待测激光进行粗测确定梳齿序数n，还需要分别调节重复频率fr和载波包络偏移频率fo以确定载波包络偏移频率fo与拍频信号fb的正负号。整个测量装置结构复杂，操作繁琐，测量速度慢。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于差频双梳的激光波长测量装置及方法，基于差频双梳实现激光波长的测量，具有结构简单、测量速度快、抗干扰性好等优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种基于差频双梳的激光波长测量装置，包括差频双梳装置、激光波长测量装置、数据采集与处理装置、待测激光器、第1频率计数器、第2频率计数器及微波原子钟。
所述差频双梳装置，为重复频率有微小差异且载波包络偏移频率均为零的双光梳装置，其包括第1飞秒激光振荡器、第1放大-扩谱模块、第1差频器、第1二次放大-扩谱模块、第2飞秒激光振荡器、第2放大-扩谱模块、第2差频器、第2二次放大-扩谱模块及重复频率锁相电路。
所述差频器结构为：所述的飞秒激光振荡器输出飞秒脉冲，通过所述的放大-扩谱模块输出倍频程光谱，经由所述的第1光纤耦合镜传输到二色分束器分为两路，第一路光束经过脉冲宽度压缩器传输至二色合束器；第二路光束依次经过第1反射镜、介电反射镜、空间延迟线、第2反射镜传输至二色合束器，两路光束合束后依次传输至凹面镜、非线性晶体、透镜、第3反射镜、第2光纤耦合镜。
所述激光波长测量装置，包括1×2光纤耦合器、第1混合平衡接收器、第1平衡光电探测器、第2混合平衡接收器及第2平衡光电探测器。
作为优选，所述1×2光纤耦合器的耦合比为50：50。
所述待测激光器为稳频激光器，波长处于所述差频双梳的光谱或展宽光谱范围内。
本发明还公开一种基于差频双梳的激光波长测量装置及测量方法，在所述一种基于差频双梳的激光波长测量装置基础上实现，所述待测激光器输出的激光经所述1×2光纤耦合器分成两路激光，第一路进入所述第1混合平衡接收器，第二路进入所述第2混合平衡接收器；将所述第1飞秒激光振荡器的重复频率fr1锁定至微波原子钟，其输出的飞秒激光脉冲经过第1放大-扩谱模块得到倍频程光谱后进入第1差频器，得到载波包络偏移频率为零的差频光梳1，再利用第1二次放大-扩谱模块获得超连续宽带光谱，进入所述第1混合平衡接收器；将所述第2飞秒激光振荡器的重复频率fr2锁定至微波原子钟，其输出的飞秒激光脉冲经过第2放大-扩谱模块得到倍频程光谱后进入第2差频器，得到载波包络偏移频率为零的差频光梳2，再利用第2二次放大-扩谱模块获得超连续宽带光谱，进入所述第2混合平衡接收器；所述待测激光器输出的第一路激光与所述差频光梳1的输出光在所述第1混合平衡接收器处发生拍频，拍频信号由所述第1平衡光电探测器接收并转化为电信号，拍频频率fb1与重复频率fr1由参考至所述微波原子钟的第1频率计数器记录频率值；所述待测激光器输出的第二路激光与所述差频光梳2的输出光在所述第2混合平衡接收器处发生拍频，拍频信号由所述第2平衡光电探测器接收并转化为电信号，拍频频率fb2与重复频率fr2由参考至所述微波原子钟的第2频率计数器记录频率值；所述数据采集与处理装置利用拍频频率fb1、重复频率fr1、拍频频率fb2与重复频率fr2计算出待测激光器的激光波长值。
作为优选，所述的计算待测激光波长值的公式为：λ＝c/fl，fl＝n×fr±fb；式中的拍频信号fb加减号的判断通过如下方式进行，若fr1大于fr2，当fb1大于fb2时，fb前为减号，反之为加号；式中的n为与待测激光频率最接近的光梳齿序数，通过重复频率fr1、重复频率fr2、判断出加减号的拍频频率fb1及拍频频率fb2计算得出。
所述计算过程在数据采集与处理装置中完成。
有益效果：
1、本发明公开的一种基于差频双梳的激光波长测量装置及方法，差频光梳的载波包络偏移频率为零，仅需将重复频率锁定至微波原子钟即可；光梳无需载波包络偏移频率锁相电路，使光梳结构更为简单，且简化激光波长测量过程；区别于传统用飞秒光梳测量波长的方法，本发明无需利用波长计确定梳齿序数，也不需要分别调节重复频率和载波包络偏移频率来确定正负号，测量速度快。
2、本发明公开的一种基于差频双梳的激光波长测量装置及方法，差频光梳的载波包络偏移频率为零，还能够降低光梳系统的相位噪声，提高测量精度。
3、本发明公开的一种基于差频双梳的激光波长测量装置及方法，采用差频双梳结构，无需利用波长计粗测来确定梳齿序数，也不需要分别调节重复频率和载波包络偏移频率来确定正负号，测量速度快；
4、本发明公开的一种基于差频双梳的激光波长测量装置及方法，无空间光路，具有良好的抗干扰性，简化操作流程，提高工作效率。
附图说明
图1是基于差频双梳的激光波长测量装置的结构示意图；
图2是差频器的结构示意图；
图中的标记分别表示：OS1-第1光纤耦合镜，DBS-二色分束器，PC-脉冲宽度压缩器，DBC-二色合束器，M1-第1反射镜，DM-介电反射镜，M2-第2反射镜，DL-空间延迟线，DBC-二色合束器，SM-凹面镜，Crystal-非线性晶体，Lens-透镜，M3-第3反射镜，OS2-第2光纤耦合镜。
图3是激光波长测量装置结构示意图。
图中的标记分别表示：OC-1×2光纤耦合器，Mixer1-第1混合平衡接收器，PD1-第1平衡光电探测器，Mixer2-第2混合平衡接收器，PD2-第2平衡光电探测器。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种基于差频双梳的激光波长测量装置，包括第1飞秒激光振荡器、第1放大-扩谱模块、第1差频器、第1二次放大-扩谱模块、第2飞秒激光振荡器、第2放大-扩谱模块、第2差频器、第2二次放大-扩谱模块、重复频率锁相电路、激光波长测量装置、数据采集与处理装置、待测激光器、第1频率计数器、第2频率计数器、微波原子钟。
如图2所示，上述差频器结构，包括第1光纤耦合镜OS1，二色分束器DBS，脉冲宽度压缩器PC，二色合束器DBC，第一反射镜M1，介电反射镜DM，第二反射镜M2，空间延迟线DL，二色合束器DBC，凹面镜SM，非线性晶体Crystal，透镜Lens，第三反射镜M3，第2光纤耦合镜OS2。
如图3所示，上述激光波长测量装置，包括1×2光纤耦合器OC、第1混合平衡接收器Mixer1、第1平衡光电探测器PD1、第2混合平衡接收器Mixer2及第2平衡光电探测器PD2。
上述差频双梳的重复频率分别为fr1和fr2，存在微小差异，其中，fr1＝fr2+Δf。
上述待测激光器为乙炔稳频激光器，波长为1542.3837nm。
上述非线性晶体Crystal为周期极化铌酸锂晶体PPLN，长度为2mm。
上述脉冲宽度压缩器PC为高密度透射式光栅对，衍射效率为98％。
上述凹面镜SM的焦距为25mm。
上述透镜Lens的焦距为18mm。
上述混合平衡接收器Mixer内置偏振分束器和功率分配器，能够更好的匹配拍频光的空间模式，并在低功率情况下获得高信噪比拍频信号。
上述微波原子钟为氢原子钟，为差频双梳的锁定以及频率计数器提供参考频率。
上述第1频率计数器和第2频率计数器的型号为Agilent 53220A。
本实施例公开的一种基于差频双梳的激光波长测量方法，待测激光器输出的激光经1×2光纤耦合器OC分成两路激光，第一路进入第1混合平衡接收器，第二路进入第2混合平衡接收器；将第1飞秒激光振荡器的重复频率fr1锁定至微波原子钟，其输出的飞秒激光脉冲经过第1放大-扩谱模块得到倍频程光谱后进入第1差频器，得到载波包络偏移频率为零的差频光梳1，再利用第1二次放大-扩谱模块获得超连续宽带光谱，进入第1混合平衡接收器；将第2飞秒激光振荡器的重复频率fr2锁定至微波原子钟，其输出的飞秒激光脉冲经过第2放大-扩谱模块得到倍频程光谱后进入第2差频器，得到载波包络偏移频率为零的差频光梳2，再利用第2二次放大-扩谱模块获得超连续宽带光谱，进入第2混合平衡接收器；待测激光器输出的第一路激光与差频光梳1的输出光在第1混合平衡接收器Mixer1处发生拍频，拍频信号由第1平衡光电探测器PD1接收并转化为电信号，拍频频率fb1与重复频率fr1由参考至微波原子钟的第1频率计数器记录频率值；待测激光器输出的第二路激光与差频光梳2的输出光在第2混合平衡接收器Mixer2处发生拍频，拍频信号由第2平衡光电探测器PD2接收并转化为电信号，拍频频率fb2与重复频率fr2由参考至微波原子钟的第2频率计数器记录频率值；数据采集与处理装置利用拍频频率fb1、重复频率fr1、拍频频率fb2与重复频率fr2计算出待测激光器的激光波长值，即基于差频双梳实现激光波长的测量。
计算待测激光波长值的公式为：λ＝c/fl，fl＝n×fr±fb；式中的拍频信号fb加减号的判断通过如下方式进行，由于fr1大于fr2，当fb1大于fb2时，则fb前为减号，反之为加号；式中的n为与待测激光频率最接近的光梳齿序数，通过重复频率fr1、重复频率fr2、判断出加减号的拍频频率fb1及拍频频率fb2计算得出。
以上计算过程均在数据采集与处理装置中完成。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于差频双梳的激光波长测量装置，其特征在于：包括差频双梳装置、激光波长测量装置、数据采集与处理装置、待测激光器、第1频率计数器、第2频率计数器及微波原子钟；
所述差频双梳装置，为重复频率有微小差异且载波包络偏移频率均为零的双光梳装置，包括第1飞秒激光振荡器、第1放大-扩谱模块、第1差频器、第1二次放大-扩谱模块、第2飞秒激光振荡器、第2放大-扩谱模块、第2差频器、第2二次放大-扩谱模块及重复频率锁相电路；
差频器结构为：飞秒激光振荡器输出飞秒脉冲，通过放大-扩谱模块输出倍频程光谱，经由第1光纤耦合镜(OS1)传输到二色分束器(DBS)分为两路，第一路光束经过脉冲宽度压缩器(PC)传输至二色合束器(DBC)；第二路光束依次经过第1反射镜(M1)、介电反射镜(DM)、空间延迟线(DL)、第2反射镜(M2)传输至二色合束器(DBC)，两路光束合束后依次传输至凹面镜(SM)、非线性晶体(Crystal)、透镜(Lens)、第3反射镜(M3)、第2光纤耦合镜(OS2)；
所述激光波长测量装置，包括1×2光纤耦合器(OC)、第1混合平衡接收器(Mixer1)、第1平衡光电探测器(PD1)、第2混合平衡接收器(Mixer2)及第2平衡光电探测器(PD2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于差频双梳的激光波长测量装置，其特征在于：所述待测激光器为稳频激光器，其波长处于所述差频双梳的光谱或展宽光谱范围内。
3.根据权利要求1所述的一种基于差频双梳的激光波长测量装置，其特征在于：所述1×2光纤耦合器(OC)的耦合比为50：50。
4.一种基于差频双梳的激光波长测量方法，在权利要求1、2或3任意一项所述的一种基于差频双梳的激光波长测量装置基础上实现，其特征在于：所述待测激光器输出的激光经所述1×2光纤耦合器(OC)分成两路激光，第一路进入所述第1混合平衡接收器(Mixer1)，第二路进入所述第2混合平衡接收器(Mixer2)；将所述第1飞秒激光振荡器的重复频率fr1锁定至微波原子钟，其输出的飞秒激光脉冲经过第1放大-扩谱模块得到倍频程光谱后进入第1差频器，得到载波包络偏移频率为零的差频光梳1，再利用第1二次放大-扩谱模块获得超连续宽带光谱，进入所述第1混合平衡接收器(Mixer1)；将所述第2飞秒激光振荡器的重复频率fr2锁定至微波原子钟，其输出的飞秒激光脉冲经过第2放大-扩谱模块得到倍频程光谱后进入第2差频器，得到载波包络偏移频率为零的差频光梳2，再利用第2二次放大-扩谱模块获得超连续宽带光谱，进入所述第2混合平衡接收器(Mixer2)；所述待测激光器输出的第一路激光与所述差频光梳1的输出光在所述第1混合平衡接收器(Mixer1)处发生拍频，拍频信号由所述第1平衡光电探测器(PD1)接收并转化为电信号，第1拍频频率fb1与第1重复频率fr1由参考至所述微波原子钟的第1频率计数器记录频率值；所述待测激光器输出的第二路激光与所述差频光梳2的输出光在所述第2混合平衡接收器(Mixer2)处发生拍频，拍频信号由所述第2平衡光电探测器(PD2)接收并转化为电信号，第2拍频频率fb2与第2重复频率fr2由参考至所述微波原子钟的第2频率计数器记录频率值；所述数据采集与处理装置利用第1拍频频率fb1、第1重复频率fr1、第2拍频频率fb2与第2重复频率fr2计算出待测激光器的激光波长值。
5.根据权利要求4所述的一种基于差频双梳的激光波长测量方法，其特征在于：利用第1拍频频率fb1、第1重复频率fr1、第2拍频频率fb2与第2重复频率fr2计算处待测激光器的激光波长值；
计算待测激光波长值的公式为：λ＝c/fl，fl＝n×fr±fb；式中的拍频信号fb加减号的判断通过如下方式进行，若fr1大于fr2，当fb1大于fb2时，fb前为减号，反之为加号；式中的n为与待测激光频率最接近的光梳齿序数，通过第1重复频率fr1、第2重复频率fr2、判断出加减号的第1拍频频率fb1及第2拍频频率fb2计算得出；
计算过程在数据采集与处理装置中完成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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