CN101858822B - He-Ne激光器频率稳定度测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种He-Ne激光器频率稳定度测量系统。主要解决现有系统只适用于正常环境，无法对振动及温度快速变化等环境下的激光器进行频率稳定度测量的不足。整个测量系统，以碘稳定氦氖(He-Ne)激光器为频率标准，使用光纤测量头，将待测He-Ne激光器发出的光从振动及温度快速变化等环境中导出，与碘稳定He-Ne激光器形成干涉，产生稳定的拍频信号，经过专用的拍频信号测量系统对拍频信号进行滤波、放大和除噪等信号处理后，得到拍频频率值，并通过USB接口传输到计算机进行显示和存储，经计算得到频率稳定度值。本发明具有导出待测激光，隔离环境影响，保持待测激光偏振特性的优点，适用于He-Ne激光器在温度及振动等环境下的测量。

Description

He-Ne激光器频率稳定度测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体地说是一种根据拍频检测原理，测量He-Ne激光器频率稳定度的系统，主要用于对He-Ne激光器频率稳定度的高精度测量。

背景技术

目前，激光频率稳定度的测量方法有多种，例如：使用光谱仪、干涉仪的直接测量法，以碘稳定He-Ne激光器作为频率标准的拍频测量法，以及基于谐波光频链、光学频率梳等技术的光频测量方法。基于光学频率梳等技术的光频测量方法，由于技术难度大，系统复杂等原因无法广泛使用；使用光谱仪、干涉仪进行的直接测量方法虽然简单，但只适用于低稳定度及对测量精度要求不高的情况。因此对于高稳定度的激光频率稳定度测量都是采用拍频测量方法，其中用碘稳定He-Ne激光器作为频率标准的拍频测量方法是频率稳定度高精度测量的主流方法。

目前，国内在He-Ne激光器频率稳定度的测量方面较新的应用，参见《激光陀螺仪频率稳定度高精度测量系统的研制》(罗晖等，中国惯性技术学报，2005)一文，该文献中所述的系统，使用碘稳定He-Ne激光器作为标准进行拍频，能够对可用光功率仅为0.1μw量级的He-Ne激光器的频率稳定度进行测量，测量精度达到10^-11量级。但是该系统只能对正常环境中的激光器进行测量，无法对振动及温度快速变化等环境下的激光器进行可靠测量，因为在振动条件及温度快速变化等条件下，He-Ne激光器的频率稳定度变化情况对它的正常使用有极大的影响，所以需要研制相应的测量仪器对其进行测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种He-Ne激光器频率稳定度测量系统及其测量方法，使用光纤测量头，使待测He-Ne激光器在振动及温度快速变化等条件下仍能与碘稳定He-Ne激光器形成干涉，产生稳定的拍频信号，最终实现在振动及变化的温度等条件下对He-Ne激光器的频率稳定度进行测量。

为实现上述目的，本发明的测量系统包括：碘稳定He-Ne激光器、光学滤波器、偏振片、全反射镜、分束器、拍频信号测量系统、频谱分析仪和计算机，该光学滤波器将待测He-Ne激光器发出的光入射到分束器，形成第一路光，该碘稳定He-Ne激光器发出的光通过偏振片，再经全反射镜反射后入射到分束器，形成第二路光，两束光在分束器后重合产生拍频信号，进入拍频信号测量系统进行光电转换后，通过USB将数据传输至计算机进行存储和计算，并通过频谱分析仪进行观测，最终得出激光器的频率稳定度，其中：在待测He-Ne激光器和光学滤波器之间引入一个光纤测量头，用于将在振动及温度变化等环境中的待测He-Ne激光器发出的光导出，实现频率稳定度的测量；在分束器与拍频信号测量系统之间增加一个平面反射镜，以调整进行拍频的两束光之间的角度，使其两束光重合，提高拍频效率。

所述的光纤测量头，采用单模保偏光纤，以保证激光通过光纤后偏振性不变。

所述的光纤测量头的后端、光学滤波器、碘稳定He-Ne激光器、偏振片、全反射镜、分束器以及拍频信号测量系统，均放置在光学防振平台上，通过光纤测量头输出端的调节支架，保证碘稳定He-Ne激光器的输出光束与拍频信号测量系统的光轴重合。

所述的拍频信号测量系统，主要由变换透镜、光电探测器、低噪声放大器、波形变换器、频率计、频谱分析仪接口和USB接口组成，拍频光信号通过变换透镜进入光电探测器，进行光电转换，转换后的电信号经过低噪声放大器放大后，通过频谱分析仪接口输出到频谱分析仪进行观测，放大后的信号经波形变换器以及频率计数字化后，通过USB接口将数据传输给计算机进行存储计算。

所述的光学滤波器由起偏器和1/4波片组成，若待测激光为线偏振光，则通过调节起偏器和偏振片改变两束光的偏振状态，使两束光输出的偏振方向一致，以最佳功率比进行拍频；若待测激光由模式不同的左旋和右旋偏振光组成，先通过1/4波片将两种模式的光转换成振动方向相互垂直的线偏振光，再通过起偏器选出其中一种模式，与标准激光进行拍频，滤除多余部分带来的噪声，提高拍频测量的精度。

本发明具有如下优点：

1)本发明由于使用光纤测量头，实现了待测激光从振动及温度快速变化等环境中高效导出，又保证了待测激光器的环境影响不会被带入到测量系统中，使待测激光与碘稳定He-Ne激光器形成干涉，产生稳定的拍频信号，提高拍频测量的精度。

2)本发明由于使用平面反射镜，用于调整进行拍频的两束光之间的角度，使其两束光重合，提高了拍频效率。

3)本发明中的光纤测量头，采用单模保偏光纤，保证了激光通过光纤后偏振性不变，进一步提高了拍频效率。

4)本发明中的光学滤波器由起偏器和1/4波片组成，可以对不同偏振模式的待测激光进行模式转换和过滤，滤除多余部分带来的噪声，提高拍频测量的精度。

附图说明

图1是本发明频率稳定度测量系统结构框图；

图2是现有拍频法原理示意图；

图3是本发明光纤测量头工作原理示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，清楚、完整地描述本发明的光学系统和拍频信号测量系统的设置，用软件进行计算得到频率稳定度值的详细过程。

参照图2，本发明使用的拍频检测原理如下：

当两束激光叠加在一起时，由于激光的相干性好，初相位的差值是暂时稳定或缓慢变化的，因此会产生干涉现象。若频率相差很小的两束光波，瞬时频率分别为v₁(t)及v₂(t)，其光场分别为：

式中，E₁、E₂为两光波的振幅，

为两光波的初相位。

当这两束传播方向平行的光垂直入射到光电探测器上时，其输出的合成信号正比于光强I(光场E(t)的平方)，即输出的光电流I为：

式中，第一、二项的平均值分别为E₁ ²/2及E₂ ²/2，是光电探测器输出的直流项，第三项是和频项，频率很高，现有光电探测器无法响应，其输出平均值为零，第四项是差频/拍频项，相对光频要慢的多，当拍频信号低于光电探测器的截止频率时，就有交流光电流输出：

拍频信号电流的频率(v₁-v₂)随两束光的频率v₁、v₂成比例变化，若第一激光器19相对于第二激光器21的频率稳定性很高，可以认为v₁≈v₀(作为参考频率)，拍频Δv＝v₁-v₂＝v₀-v₂，拍频频率值的变化主要反映了第二激光器21的频率漂移。

由于频率起伏是随机的，一般采用阿仑方差对拍频数据进行处理。设第二激光器21相对于第一激光器19(频率为v₀)的拍频测量值为Δv₁，Δv₂，Δv₃，...，Δv_N，N为取样次数，则激光频率偏差的双取样阿仑方差σ(2，τ)为：

$\mathrm{\σ}(2,\mathrm{\τ})=\sqrt{\frac{2}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{{\mathrm{\Δv}}_{2i}-{\mathrm{\Δv}}_{2i-1}}{2}\right)}^2}$

上式中，τ为取样平均时间，Δv_2i、Δv_2i-1为连续测量的两个相邻拍频信号的频率，以τ为取样时间。激光频率稳定度的双取样阿仑方差S_v为：

$s_v=\frac{\mathrm{\σ}(2,\mathrm{\τ})}{v_0}=\frac{1}{v_0}\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{({\mathrm{\Δv}}_{2i}-{\mathrm{\Δv}}_{2i-1})}^2}{2N}}$

只要测得N组拍频样本序列，即可由上式计算出取样时间τ内待测第二激光器21的频率稳定度。

参照图1，本发明的测量系统，包括光学系统、拍频信号测量系统和主控计算机，其中：光学系统由光纤测量头2、光学滤波器3、碘稳定He-Ne激光器4、偏振片5、全反射镜6、分束器7和平面反射镜18组成；拍频信号测量系统15由变换透镜8、光电探测器9、低噪声放大器10、波形变换器11、频率计12、频谱分析仪接口13和USB接口14组成；计算机17内设有控制软件。该碘稳定He-Ne激光器4，作为频率标准与待测激光器进行拍频测量；该光纤测量头2，如图3，主体采用单模保偏光纤27，光纤输入端增加耦合光学系统26，输出端增加准直输出系统28，将光纤测量头固定在待测He-Ne激光器25上，待测He-Ne激光器25输出的激光束经耦合光学系统26进入单模保偏光纤27，从单模保偏光纤27输出的光束经准直光学系统28变换为平行光输出，待测He-Ne激光器25的环境影响不会被带入到测量系统中，从而使待测He-Ne激光器25发出的光在振动及温度快速变化等条件下仍可以与标准激光器形成干涉，产生稳定的拍频信号；该平面反射镜18，调整进行拍频的两束光的夹角，使两束光重合，提高拍频效率；该光学滤波器3，由起偏器和1/4波片组成，若待测激光为线偏振光，则通过调节起偏器和偏振片5使两束光输出的偏振方向一致，以最佳功率比进行拍频，若待测激光由模式不同的左旋和右旋偏振光组成，先通过1/4波片将两种模式的光转换成振动方向相互垂直的线偏振光，再通过起偏器选出其中一种模式，与标准激光进行拍频，滤除多余部分带来的噪声，提高拍频测量的精度；该拍频信号测量系统15中的光电探测器9，依次与低噪声放大器10、波形变换器11和频率计12连接，低噪声放大器10的输出与频谱分析仪接口13相连，频率计12的输出与USB接口14双向连接；该主控计算机17中设有控制软件，该控制软件由USB驱动和界面程序组成，USB驱动计算机17与拍频信号测量系统15通信，传输控制指令及拍频数据，界面程序将拍频数据进行实时显示并保存，用于对拍频数据进一步的计算和处理。

测量时，将光纤测量头2固定在待测He-Ne激光器1上，光学滤波器3、偏振片5、全反射镜6及分束器7分别安装在支架上，并把支架安装在光学平台上，光纤测量头2将待测He-Ne激光器1发出的光从振动及温度变化的环境中导出，再由光学滤波器3入射到分束器7，形成第一路光，将碘稳定He-Ne激光器4固定在光学防振平台上，调节输出光束使其与光学平台表面平行，该碘稳定He-Ne激光器4发出的光通过偏振片5，再经全反射镜6反射后入射到分束器7，形成第二路光，在分束器7后，使用平面反射镜18将两束光调节重合，产生拍频光信号，进入放置在光学防振平台上的拍频信号测量系统15；主控计算机17设定取样平均时间及取样次数，通过USB接口14发送给拍频信号测量系统15，启动拍频测量，碘稳定He-Ne激光器4与待测He-Ne激光器1形成的拍频光经过变换透镜8会聚到光电探测器9的光敏面上转换成电信号，微弱的拍频信号经过低噪声放大器10放大，由波形变换器11将正弦波变换为方波，频率计12对波形变换器输出的方波进行计数，得到拍频频率，然后将测量数据通过USB 2.0接口14送给主控计算机17进行相关的数据处理，为了在光路调整过程中方便观测，拍频信号测量系统设置一个频谱分析仪接口13，可以使用频谱分析仪16观测拍频信号。

Claims (5)

1.一种He-Ne激光器频率稳定度测量系统，包括碘稳定He-Ne激光器(4)、光学滤波器(3)、偏振片(5)、全反射镜(6)、分束器(7)、拍频信号测量系统(15)、频谱分析仪(16)和计算机(17)，该光学滤波器(3)将待测He-Ne激光器(1)发出的光入射到分束器(7)，形成第一路光，该碘稳定He-Ne激光器(4)发出的光通过偏振片(5)，再经全反射镜(6)反射后入射到分束器(7)，形成第二路光，两束光在分束器(7)后重合产生拍频信号，进入拍频信号测量系统(15)进行光电转换后，通过USB将数据传输至计算机(17)进行存储和计算，并通过频谱分析仪(16)进行观测，最终得出激光器的频率稳定度，其特征在于：

在待测He-Ne激光器(1)和光学滤波器(3)之间引入一个光纤测量头(2)，用于将在振动及温度变化环境中的待测He-Ne激光器(1)发出的光导出，实现频率稳定度的测量；

在分束器(7)与拍频信号测量系统(15)之间增加一个平面反射镜(18)，以辅助全反射镜(6)和分束器(7)进行调整使得进行拍频的两束光重合，提高拍频效率；

所述的光纤测量头(2)，主体采用单模保偏光纤(27)，光纤输入端增加耦合光学系统(26)，输出端增加准直光学系统(28)，将光纤测量头固定在待测He-Ne激光器(1)上，待测He-Ne激光器(1)输出的激光束经耦合光学系统(26)进入单模保偏光纤(27)，从单模保偏光纤(27)输出的光束经准直光学系统(28)变换为平行光输出，待测He-Ne激光器(1)的环境影响不会被带入到测量系统中，从而使待测He-Ne激光器(1)发出的光在振动及温度快速变化条件下仍可以与标准激光器形成干涉，产生稳定的拍频信号。

2.根据权利要求1所述的频率稳定度测量系统，其特征在于光纤测量头(2)的后端、光学滤波器(3)、碘稳定He-Ne激光器(4)、偏振片(5)、全反射镜(6)、分束器(7)以及拍频信号测量系统(15)，均放置在光学防振平台上，通过光纤测量头(2)输出端的调节支架，保证碘稳定He-Ne激光器(4)的输出光束与拍频信号测量系统(15)的光轴重合。

3.根据权利要求1所述的频率稳定度测量系统，其特征在于拍频信号测量系统(15)，主要由变换透镜(8)、光电探测器(9)、低噪声放大器(10)、波形变换器(11)、频率计(12)、频谱分析仪接口(13)和USB接口(14)组成，拍频光信号通过变换透镜(8)进入光电探测器(9)，进行光电转换，转换后的电信号经过低噪声放大器(10)放大后，通过频谱分析仪接口(13)输出到频谱分析仪(16)进行观测，放大后的信号经波形变换器(11)以及频率计(12)数字化后，通过USB接口(14)将数据传输给计算机(17)进行存储计算。

4.根据权利要求1所述的频率稳定度测量系统，其特征在于光学滤波器(3)由起偏器和1/4波片组成，若待测激光为线偏振光，则通过调节起偏器和偏振片(5)改变两束光的偏振状态，使两束光输出的偏振方向一致，以最佳功率比进行拍频；若待测激光由模式不同的左旋和右旋偏振光组成，先通过1/4波片将两种模式的光转换成振动方向相互垂直的线偏振光，再通过起偏器选出其中一种模式，与标准激光进行拍频，滤除多余部分带来的噪声，提高拍频测量的精度。

5.根据权利要求1所述的频率稳定度测量系统，其特征在于计算机(17)中设有控制软件，该控制软件由USB驱动和界面程序组成，USB驱动计算机(17)与拍频信号测量系统(15)通信，传输控制指令及拍频数据，界面程序将拍频数据进行实时显示并保存，用于对拍频数据进一步的计算和处理。

Images