CN101413827A - 利用古斯汉欣位移特性检测激光波长的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用古斯汉欣位移特性检测激光波长的方法，属于精密测量技术领域。本发明将发散角小于0.4mrad的激光束入射到由沉积在棱镜上的金属膜－空气隙－沉积在光学玻璃片上的金属膜组成的双面金属包覆波导结构上，在当满足耦合条件时，激光进入波导，反射光产生一个吸收峰，此时反射光相位相对于入射光相位产生急剧变化，从而导致反射光的古斯汉欣位移大大增强，利用该古斯汉欣位移对入射激光波长变化极为敏感的特性，通过检测反射光古斯汉欣位移来测量激光器输出波长的波长。本发明可以实现高灵敏度、快速准确的实时测量，且测量方法简单、抗干扰能力强，可广泛应用于密集波分复用系统中的波长分辨、激光器输出波长的漂移抑制等方面。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种测量技术领域的方法，特别是一种利用古斯汉欣位移特性检测激光波长的方法。
背景技术
激光的波长检测在密集波分复用系统中的波长分辨、激光器输出波长的漂移抑制等方面都有重要的作用，目前，常用的波长检测主要基于平面光波导、法布里—珀罗标准具等技术。
经过对现有技术的文献检索发现，LinChen等人在《Journal Of LightwaveTechnology》Vol.25，NO.2，February 2007上发表“Wavelength Sensing WithSubpicometer Resolution Using Ultrahigh Order Modes”(采用超高阶导模实现亚皮米分辨率的波长探测，光波技术学报，Vol.25，No.2，February 2007)一文中，利用光波导耦合激光的效率对入射激光波长非常敏感的特性，通过测量反射光强度的变化来实现探测激光波长的变化。但是这种方法有一个缺点：即当激光器输出不稳定时，会对结果造成比较大的影响。如果激光器本身的输出光强发生了变化，就很难判断反射光强度的变化是由于什么所引起的，或者说就不能根据不确定的强度变化来准确的计算出激光波长的变化了。
检索中还发现，Jongedeog Kim等人在《IEEE Photonics TechnologyLetters》Vol.16(11)pp2430-2432上发表的“Thermally ControlledWavelength Locker Integrated in Widely Tunable SGDBR-LD Module”(集成在大范围可调SGDBR-LD模块中的温控波长锁定器，光子技术快报，Vol.16(11)pp2430-2432)一文，介绍了一种温控法布里—珀罗标准具的波长检测和波长锁定方法。该方法采用了一个热电冷却装置，把波长监控的精度提高到4pm。但是这种技术仍然存在这缺陷：(1)精度不高，法布里—珀罗标准具的精度是相对较高的，但一般也只能达到pm的量级；(2)基于法布里—珀罗标准具的装置常常需要复杂的温控装置，增加了制造成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有测量方法中的不足，提供一种利用古斯汉欣位移特性检测激光波长的方法，本发明采用沉积在棱镜上的金属膜—空气隙—沉积在光学玻璃片上的金属膜组成的双面金属包覆波导结构的激光波长测量方法，利用反射光古斯汉欣位移对入射激光波长变化非常敏感的特性，来检测激光波长的变化，实时精确地测量待测激光的波长。
本发明是通过以下技术方案实施的，本发明将发散角小于0.4mrad的激光束入射到由沉积在棱镜上的金属膜—空气隙—沉积在光学玻璃片上的金属膜组成的双面金属包覆波导结构上，在当满足耦合条件时，激光进入波导，反射光产生一个吸收峰，此时反射光相位相对于入射光相位产生急剧变化，从而导致反射光的古斯汉欣位移大大增强，利用该古斯汉欣位移对入射激光波长变化极为敏感的特性，通过检测反射光古斯汉欣位移来测量激光器输出波长的波长。
本发明方法包括以下具体步骤：
第一步：构建沉积在棱镜上的金属膜—空气隙—沉积在光学玻璃片上的金属膜组成的双面金属包覆波导结构：在抛光后的棱镜底面和光学玻璃片上溅射镀金属膜，将两层金属膜面对面平行放置，其中两层金属膜之间的空气隙即为导波层，在空气隙的两侧用等厚度的垫片把玻璃和棱镜粘结起来，以保持空气隙厚度的恒定；
所述金属膜材料通常选用金或银。
所述棱镜底面上的金属膜厚度要求非常严格，通常为25nm～50nm。
所述光学玻璃片上的金属膜厚度为100nm～300nm。
所述空气隙厚度为0.5mm～1mm。
第二步：将双面金属包覆波导结构安装在光学旋转平台的上转盘上，并使得棱镜底面经过旋转平台的中心轴，将光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光束、棱镜底面法线与光电探测器中心在同一水平面内，并使激光器与光电探测器关于双面金属包覆波导结构中心轴对称，这样就能保证波导反射的光正好垂直入射到光电探测器的中心位置；
第三步：将发散角小于0.4mrad的激光束先后通过偏振片和小孔，使得激光变成线偏振光，偏振方式选择横电波(TM模)或横磁波(TE模)，同时调节小孔使入射光束的光斑较小，然后选择入射角使激光入射到棱镜上，入射角选择在一个共振吸收峰的上升沿或下降沿的中心位置，通常选择下降沿的中心位置；
所述偏振方式通常选用横电波(TM模)入射。
所述入射角选择在3°～10°之间的吸收峰的上升沿或下降沿的中心位置。
第四步：当入射激光的波长发生变化时，利用一维位置敏感探测器(PSD)测量从棱镜底面反射的激光束相对于入射光的侧向古斯汉欣位移，根据古斯汉欣位移的变化实时计算得到波长的变化量。
发散角小于0.4mrad的激光光束入射到上述波导结构中，选择入射角，当满足相位匹配条件时激光耦合进入波导结构中，引起反射光相位急剧变化，使反射光古斯汉欣位移大大增强。入射激光波长是决定反射光相位变化的主要因素之一，所以反射光古斯汉欣位移对激光波长变化非常敏感。将入射角选择在古斯汉欣位移峰的线性区域，利用PSD探测反射光古斯汉欣位移，就可以实时测量激光输出波长的改变。
与现有技术相比，本发明通过检测反射光古斯汉欣位移的变化就可以测量激光波长的改变，灵敏度高。而且，由于PSD测量的是反射光束的移动，与光强、光程无关，故测量不受激光光源输出强度波动及光程扰动的影响，具有很强的抗干扰能力。本发明的灵明度可达到0.005pm(PSD测量反射光束移动的分辨率为20nm，本发明中当波长改变0.005pm时，相应的古斯汉欣位移变化量大约为40nm，大于PSD的分辨率)。
具体实施方式
以下对本发明的实施例作具体说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
第一步：制作双面金属包覆波导，形成沉积在棱镜上的金属膜—空气隙—沉积在光学玻璃片上的金属膜组成的双面金属包覆波导结构。棱镜折射率为1.5，沉积在棱镜上的金属膜厚度为25nm，光学玻璃片折射率为1.5，沉积在玻璃片上的金属膜厚度为150nm，导波层空气隙厚度为1mm，空气折射率为1。金属采用金，波长860nm附近介电系数为ε＝-28+1.8i。
第二步：将双面包覆波导结构安装在光学旋转平台的上转盘上，使棱镜底面经过旋转平台的中心轴，将光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光束、棱镜底面法线与光电探测器中心在同一水平面内，并使激光器与光电探测器关于双面金属包覆波导结构中心轴对称，这样就能保证波导反射的光正好垂直入射到光电探测器的中心位置。
第三步：调节入射激光的波长为860.1001nm。计算机驱动光学旋转平台，使激光光束入射棱镜的入射角约为3.97°，此时能按要求激发导模的共振吸收峰，并且处于古斯汉欣位移峰上升沿的线性区，入射光为横电波。
第四步：当入射激光的波长发生变化时，测量从棱镜和金属膜界面反射光侧向古斯汉欣位移的变化，经过数据处理得到波长的变化量。
根据计算表明：在以上测量条件下，对波长的分辨率可达到0.005pm(反射光古斯汉欣位移约为40nm，PSD测量反射光束移动的分辨率为20nm)。当激光的波长发生变化时，反射光古斯汉欣位移变化如下表所示：
| 激光波长(nm) | 反射光古斯汉欣位移(微米) |
| 860.1001860.1001+0.000005860.1001+0.00001860.1001+0.000015860.1001+0.00002 | 139.5344139.5743139.6042139.6441139.6840 |
实施例2：
第一步：制作双面金属包覆波导，形成沉积在棱镜上的金属膜—空气隙—沉积在光学玻璃片上的金属膜组成的双面金属包覆波导结构。棱镜折射率为1.5，沉积在棱镜上的金属膜厚度为44.4nm，光学玻璃片折射率为1.5，沉积在玻璃片上的金属膜厚度为100nm，导波层空气隙厚度为0.5mm，空气折射率为1。金属采用金，波长690nm附近介电系数为ε＝-14.4+1.22i。
第二步：将双面包覆波导结构安装在光学旋转平台的上转盘上，使棱镜底面经过旋转平台的中心轴，将光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光束、棱镜底面法线与光电探测器中心在同一平面内，并使激光器与光电探测器关于双面金属包覆波导结构中心轴对称，这样就能保证波导反射的光正好垂直入射到光电探测器的中心位置。
第三步：调节入射激光的波长到690.10011nm。计算机驱动光学旋转平台，使激光光束入射棱镜的入射角约为9.38°，此时能按要求激发导模的共振吸收峰，并且处于古斯汉欣位移峰下降沿的线性区，入射光为横电波。
第四步：当入射激光的波长发生变化时，测量从棱镜和金属膜界面反射光侧向古斯汉欣位移的变化，经过数据处理得到波长的变化量。
根据计算表明：在以上测量条件下，对波长的分辨率可达到0.005pm(反射光古斯汉欣位移约为40nm，PSD测量反射光束移动的分辨率为20nm)。当激光的波长发生变化时，反射光古斯汉欣位移变化如下表所示：
| 激光波长(nm) | 反射光古斯汉欣位移(微米) |
| 690.10011690.10011+0.000005690.10011+0.00001690.10011+0.000015690.10011+0.00002 | 34.926734.887234.847734.808334.7688 |
实施例3：
第一步：制作双面金属包覆波导，形成沉积在棱镜上的金属膜—空气隙—沉积在光学玻璃片上的金属膜组成的双面金属包覆波导结构。棱镜折射率为1.5，沉积在棱镜上的金属膜厚度为50nm，光学玻璃片折射率为1.5，沉积在玻璃片上的金属膜厚度为300nm，导波层空气隙厚度为0.8mm，空气折射率为1。金属采用金，波长560nm附近介电系数为ε＝-11.89+0.828i。
第二步：将双面包覆波导结构安装在光学旋转平台的上转盘上，使棱镜底面经过旋转平台的中心轴，将光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光束、棱镜底面法线与光电探测器中心在同一平面内，并使激光器与光电探测器关于双面金属包覆波导结构中心轴对称，这样就能保证波导反射的光正好垂直入射到光电探测器的中心位置。
第三步：调节入射激光的波长到560.1005nm。计算机驱动光学旋转平台，使激光光束入射棱镜的入射角约为6.4°，此时能按要求激发导模的共振吸收峰，并且处于古斯汉欣位移峰下降沿的线性区，入射光为横电波。
第四步：当入射激光的波长发生变化时，测量从棱镜和金属膜界面反射光侧向古斯汉欣位移的变化，经过数据处理得到波长的变化量。
根据计算表明：在以上测量条件下，对波长的分辨率可达到0.005pm(反射光古斯汉欣位移约为50nm，PSD测量反射光束移动的分辨率为20nm)。当激光的波长发生变化时，反射光古斯汉欣位移变化如下表所示：
| 导波层空气隙厚度(nm) | 反射光古斯汉欣位移(微米) |
| 560.1005560.1005+0.000005560.1005+0.00001560.1005+0.000015560.1005+0.00002 | 60.421160.371460.321760.272060.2223 |
Claims (8)
1、一种利用古斯汉欣位移特性检测激光波长的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
第一步：构建沉积在棱镜上的金属膜—空气隙—沉积在光学玻璃片上的金属膜组成的双面金属包覆波导结构：在抛光后的棱镜底面和光学玻璃片上溅射镀金属膜，将两层金属膜面对面平行放置，其中两层金属膜之间的空气隙即为导波层，在空气隙的两侧用等厚度的垫片把玻璃和棱镜粘结起来，以保持空气隙厚度的恒定；
第二步：将双面金属包覆波导结构安装在光学旋转平台的上转盘上，使得棱镜底面经过旋转平台的中心轴，将光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光束、棱镜底面法线与光电探测器中心在同一水平面上，并使激光器与光电探测器关于双面金属包覆波导结构中心轴对称，保证波导反射的光正好垂直入射到光电探测器的中心位置；
第三步：将发散角小于0.4mrad的激光束先后通过偏振片和小孔，使得激光变成线偏振光，偏振方式选择横电波或横磁波，同时调节小孔使入射光束的光斑较小，然后选择入射角使激光入射到棱镜上，入射角选择在一个共振吸收峰的上升沿或下降沿的中心位置；
第四步：当入射激光的波长发生变化时，利用一维位置敏感探测器测量从棱镜底面反射的激光束相对于入射光的侧向古斯汉欣位移，根据古斯汉欣位移的变化实时计算得到波长的变化量。
2、根据权利要求1所述的利用古斯汉欣位移特性检测激光波长的方法，其特征是，所述金属膜材料选用金或银。
3、根据权利要求1所述的利用古斯汉欣位移特性检测激光波长的方法，其特征是，所述棱镜底面上的金属膜厚度为25nm～50nm。
4、根据权利要求1所述的利用古斯汉欣位移特性检测激光波长的方法，其特征是，所述光学玻璃片上的金属膜厚度为100nm～300nm。
5、根据权利要求1所述的基于利用古斯汉欣位移特性检测激光波长的方法，其特征是，所述空气隙厚度为0.5mm～1mm。
6、根据权利要求1所述的利用古斯汉欣位移特性检测激光波长的方法，其特征是，所述偏振方式选用横电波入射。
7、根据权利要求1所述的利用古斯汉欣位移特性检测激光波长的方法，其特征是，所述入射角选择在3°～10°之间的吸收峰的上升沿或下降沿的中心位置。
8、根据权利要求1或7所述的利用古斯汉欣位移特性检测激光波长的方法，其特征是，所述入射角选择在3°～10°之间的吸收峰的下降沿的中心位置。
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