CN116826502B - 一种基于光学锁相环的全光纤双频激光系统及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光学锁相环的全光纤双频激光系统及其构建方法，包括输出两组单频激光，两组所述单频激光分别通过保偏光纤分束器的输出通道中获取10%的光，并将其输入到保偏光纤合束器得到合束光；将所述合束光输入进行45°保偏光纤起偏器输出的合束光经过保偏光纤起偏器，产生光干涉得到拍频信号；将所述拍频信号输入光学锁相环控制系统产生锁定控制信号；将所述锁定控制信号输入所述单频激光的频率控制端实现相位锁定产生相干的双频激光器。本发明能够实现光纤双频激光的双频频差任意可调、且频差的准确度达到10‑10量级,能够实现光纤双频激光正交分量的线偏振输出，且输出功率较传统He‑Ne气体激光提升数十倍，能够满足不同精密位移测量场合对于双频频差大小的要求，能够极大避免线偏振光退偏引入的位移测量误差。
Description
技术领域
本发明涉及精密位移测量技术技术领域，尤其涉及一种基于光学锁相环的全光纤双频激光系统及其构建方法。
背景技术
精密干涉位移测量在精密制造、先进传感以及计量等领域都具有重要作用。常用的干涉位移测量方法主要有单频和双频激光干涉两大类。其中双频激光干涉位移测量主要基于633nm He-Ne气体激光的塞曼效应产生双频激光，或者利用单频633 nm He-Ne激光通过声光调制器AOM产生双频激光，此类方法产生的双频激光的功率通常小于1mW，且双频频差固定、频差准确度较低,通常为10-7量级。传统双频激光主要有两种实现方法：一.采用He-Ne气体激光施加磁场，利用塞曼效应来实现双频激光的产生；二.利用单纵模稳频激光通过声光调制器（AOM）移频来实现双频激光产生。无论哪种方式都主要基于He-Ne气体激光，因此需要一种基于光学锁相环的全光纤双频激光系统及其构建方法。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于光学锁相环的全光纤双频激光系统及其构建方法。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
本发明包括光纤激光器，第一光纤隔离器，第二光纤隔离器，第一保偏光纤分束器，第二保偏光纤分束器，第一保偏光纤合束器，保偏光纤起偏器，光纤光探测器，第二保偏光纤合束器，光纤准直器，和光学锁相环控制系统，所述光纤激光器包括第一单频窄线宽激光和第二单频窄线宽激光，所述第一单频窄线宽激光的输出端与所述第一光纤隔离器的输入端连接，所述第一光纤隔离器的输出端与第一保偏光纤分束器的输入端连接，所述第二单频窄线宽激光的输出端与所述第二光纤隔离器的输入端连接，所述第二光纤隔离器的输出端与第二保偏光纤分束器的输入端连接，所述第一保偏光纤分束器的第一输出端和所述第二保偏光纤分束器的第一输出端分别与所述第一保偏光纤合束器的输入端连接，所述第一保偏光纤合束器的输出端与所述保偏光纤起偏器的输入端连接，所述保偏光纤起偏器的输出端与所述光纤光探测器的输入端连接，所述光纤光探测器的输出端与所述光学锁相环控制系统的输入端连接，所述光学锁相环控制系统上设置有数字信号合成器，所述光学锁相环控制系统的信号输出端分别与所述第一单频窄线宽激光和所述第二单频窄线宽激光的控制端连接，所述第一保偏光纤分束器的第二输出端和所述第二保偏光纤分束器的第二输出端分别与所述第二保偏光纤合束器的输入端连接，所述第二保偏光纤合束器的输出端与所述光纤准直器的输入端连接。
进一步地，所述第一保偏光纤分束器和第二保偏光纤分束器按照9：1进行激光分束。
进一步地，所述数字信号合成器内设置有高稳定晶体振荡器。
一种基于光学锁相环的全光纤双频激光方法的方法，包括以下步骤：
A输出两组单频激光，两组所述单频激光分别通过第一保偏光纤分束器、第二保偏光纤分束器的输出通道中获取 10%的光，并将其输入到第一保偏光纤合束器得到合束光；
B将所述合束光输入 45°保偏光纤起偏器，输出的合束光经过保偏光纤起偏器产生光干涉得到拍频信号；
C将所述拍频信号和数字信号发生器DDS输出信号输入光学锁相环控制系统产生锁定控制信号；
D将所述锁定控制信号输入所述单频激光的频率控制端实现相位锁定产生相干的双频激光器。
进一步地，所述拍频信号的信噪比为40dB，频率为200 MHz。
本发明的有益效果是：
本发明是一种基于光学锁相环的全光纤双频激光系统及其构建方法，与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1.本发明能够实现光纤双频激光的双频频差任意可调、且频差的准确度达到10-10量级。激光输出功率能够达到20mW以上，较传统的He-Ne气体激光功率显著增大，还能够通过光纤实现远程双频激光的传输。
2.本发明能够实现光纤双频激光正交分量的线偏振输出，且输出功率较传统He-Ne气体激光提升数十倍，可以通过DDS任意调节和控制，能够满足不同精密位移测量场合对于双频频差大小的要求。
3.本发明能够易于实现系统的集成化，提升系统的抗干扰能力,全保偏光纤结构能够保持光束的线偏振态稳定和两束光线偏振态的正交性，能够极大避免线偏振光退偏引入的位移测量误差。
附图说明
图1为本发明一种基于光学锁相环的全光纤双频激光系统的结构示意图。
图2为本发明一种基于光学锁相环的全光纤双频激光系统在不锁定的情况下激光器A与激光器B之间的频率波动示意图。
图3为本发明一种基于光学锁相环的全光纤双频激光系统在光学锁相环锁定后光器A与激光器B之间的频率波动示意图。
图4为本发明一种基于光学锁相环的全光纤双频激光系统的双频激光的输出频差的步进改变示意图。
具体实施方式
下面以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明一种基于光学锁相环的全光纤双频激光方法包括以下步骤：
如图1所示，本发明包括光纤激光器和光学锁相环控制系统，所述光纤激光器包括第一单频窄线宽激光和第二单频窄线宽激光，所述第一单频窄线宽激光的输出端与所述第一光纤隔离器的输入端连接，所述第一光纤隔离器的输出端与第一保偏光纤分束器的输入端连接，所述第二单频窄线宽激光的输出端与所述第二光纤隔离器的输入端连接，所述第二光纤隔离器的输出端与第二保偏光纤分束器的输入端连接，所述第一保偏光纤分束器的第一输出端和所述第二保偏光纤分束器的第一输出端分别与所述第一保偏光纤合束器的输入端连接，所述保偏光纤合束器的输出端与所述保偏光纤起偏器的输入端连接，所述保偏光纤起偏器的输出端与所述光纤光探测器的输入端连接，所述光纤光探测器的输出端与所述光学锁相环控制系统的输入端连接，所述光学锁相环控制系统上设置有数字信号合成器，所述光学锁相环控制系统的信号输出端分别与所述第一单频窄线宽激光和所述第二单频窄线宽激光的控制端连接，所述第一保偏光纤分束器的第二输出端和所述第二保偏光纤分束器的第二输出端分别与所述第二保偏光纤合束器的输入端连接，所述第二保偏光纤合束器的输出端与所述光纤准直器的输入端连接。
在本实施例子中，单频窄线宽激光A与B经过光纤输出线偏振激光，它们分别通过第一光纤隔离器和第二光纤隔离器之后，分别通过9：1的第一保偏光纤分束器和第二保偏光纤分束器，其中两束10%的光经保偏光纤输入至第一保偏光纤合束器中，此时两束光的偏振态相互垂直，两束光纤光在合束器中空间叠加，经合束器的同一光纤输出。输出的合束光经过保偏光纤起偏器，产生一个光干涉，形成拍频信号。该拍频信号的频率与单频窄线宽激光A和B的频差相等。该拍频信号通常在MHz量级，将该拍频信号通过光学锁相环控制系统OPLL与数字信号合成器DDS生成的信号进行锁相，产生电反馈信号输入给激光器A或B的波长控制端，实现拍频频差信号与数字信号合成器DDS的锁定，进而实现单频窄线宽激光A和B光频差的锁定，保持光频差与数字信号合成器DDS的输出一致。
数字信号合成器DDS的输出频率可以通过数字信号快速改变，且输出频率具有很高的准确度，因此通过改变数字信号合成器DDS的频率可以快速的实现单频窄线宽激光A和B光频差的改变，实现两者光频差的快速控制。
被第一保偏光纤分束器和第二保偏光纤分束器分离产生的90%输出光束经保偏光纤输入给第二保偏光纤合束器中，在第二保偏光纤合束器中两束相互垂直偏振的线偏振光在空间重合，分别与合束器输出保偏光纤的快轴和慢轴重合，实现光纤光频激光的输出。
具体实施例1如下：
线宽为100kHz，输出功率为25 mW的单频激光器A和B，利用上述图1的系统，通过光纤分光后，利用光纤合束器产生信噪比为40dB，频率为200 MHz左右的拍频信号。该拍频信号的频率等于单频窄线宽激光器A和B之间的频差。将200 MHz的拍频信号与数字信号发生器DDS输出的200 MHz的信号同时输入给光学锁相环控制系统，产生锁定控制信号输入给单频激光器A或B的频率控制端，实现单频窄线宽激光器A和B之间200 MHz频差与数字信号发生器DDS输出的200 MHz的相位锁定，从而实现单频窄线宽激光器A和B之间频差的锁定，产生相干的双频激光器。激光器A和B之间的频差锁定前后，频率抖动分别如图2、图3所示，结果表明，在不锁定的情况下，激光器A与激光器B之间的频率波动达到1 MHz，如图2所示；光学锁相环锁定后，激光器A与激光器B之间频差高度稳定，频差信号的波动小于±0.1 Hz，如图3所示，表明双频激光器的频差具有高度稳定性。
双频激光产生功率相比传统方式具有输出功率大的特点,传统基于He-Ne激光的双频激光输出功率为百微瓦量级，小于1毫瓦。本申请中的双频激光输出功率可实现几十毫瓦的输出功率，极大的方便后续使用;本申请中双频激光采用全光纤输出方式，能够通过光纤实现3路以上的干涉光路同时测量，传统双频激光为空间光输出，且受限于输出功率较低，无法实现光纤多路传输。
具体实施例2如下：
在精密测量领域，对于双频激光器的频差快速准确的非常有利于测量速度的提升和测量准确度的提高，在上述的双频激光产生系统中，通过快速改变DDS的信号输出，可实现双频激光器的频差的快速调节和改变，具体实验数据如图4所示。数据显示，通过精密调谐DDS的输出频率，可实现双频激光的输出频差以1 Hz的步进改变，且可实现频率的任意增减，提升了系统的应用灵活度和使用场景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于光学锁相环的全光纤双频激光系统，包括光纤激光器和光学锁相环控制系统，所述光纤激光器包括第一单频窄线宽激光和第二单频窄线宽激光，其特征在于,还包括第一光纤隔离器，第二光纤隔离器，第一保偏光纤分束器，第二保偏光纤分束器，第一保偏光纤合束器，保偏光纤起偏器，光纤光探测器，第二保偏光纤合束器和光纤准直器，所述第一单频窄线宽激光的输出端与所述第一光纤隔离器的输入端连接，所述第一光纤隔离器的输出端与第一保偏光纤分束器的输入端连接，所述第二单频窄线宽激光的输出端与所述第二光纤隔离器的输入端连接，所述第二光纤隔离器的输出端与第二保偏光纤分束器的输入端连接，所述第一保偏光纤分束器的第一输出端和所述第二保偏光纤分束器的第一输出端分别与所述第一保偏光纤合束器的输入端连接，所述第一保偏光纤合束器的输出端与所述保偏光纤起偏器的输入端连接，所述保偏光纤起偏器的输出端与所述光纤光探测器的输入端连接，所述光纤光探测器的输出端与所述光学锁相环控制系统的输入端连接，所述光学锁相环控制系统上设置有数字信号合成器，所述光学锁相环控制系统的信号输出端分别与所述第一单频窄线宽激光和所述第二单频窄线宽激光的控制端连接，所述第一保偏光纤分束器的第二输出端和所述第二保偏光纤分束器的第二输出端分别与所述第二保偏光纤合束器的输入端连接，所述第二保偏光纤合束器的输出端与所述光纤准直器的输入端连接，所述第一保偏光纤分束器和第二保偏光纤分束器按照9：1进行激光分束，所述数字信号合成器内设置有高稳定晶体振荡器。
2.一种基于光学锁相环的全光纤双频激光构建的方法，该方法使用权利要求 1 所述的基于光学锁相环的全光纤双频激光系统来实现，包括以下步骤：
A输出两组单频激光，两组所述单频激光分别通过第一保偏光纤分束器、第二保偏光纤分束器的输出通道中获取 10%的光，并将其输入到第一保偏光纤合束器得到合束光；
B将所述合束光输入 45°保偏光纤起偏器，输出的合束光经过保偏光纤起偏器产生光干涉得到拍频信号；
C将所述拍频信号和数字信号发生器DDS输出信号输入光学锁相环控制系统产生锁定控制信号；
D将所述锁定控制信号输入所述单频激光的频率控制端实现相位锁定产生相干的双频激光器。
3.根据权利要求2所述一种基于光学锁相环的全光纤双频激光构建的方法，其特征在于，所述拍频信号的信噪比为40dB，频率为200 MHz。
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