CN101949688A - 一种基于光腔衰荡光谱技术的可调谐激光器线宽测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光腔衰荡光谱技术的可调谐激光器线宽测量方法，属于光电工程技术领域。其特征在于：被测可调谐激光束入射到两块平凹高反射镜组成的稳定谐振腔，腔内充有在可调谐激光器输出波段内有较强吸收谱线的气体。调谐激光器输出波长，使其扫过一个完整的气体吸收峰。由于气体的吸收强度与入射光波长有关，在入射光波长不同时，衰荡腔输出信号的衰荡时间就不同。分别测量腔内有气体吸收时各波长处的光腔衰荡时间，进而可得到不同激光波长处的气体吸收系数，即吸收光谱图，该光谱图实际上是入射光谱与气体吸收光谱的卷积，通过拟合得出的该光谱曲线线宽和HITRAN数据库中所给的气体吸收线宽，即可得到激光器输出光谱线宽。本发明提出了激光器线宽测量的新方法，其测量结果不受激光器强度波动的影响，并且具有结构简单，测量精度高等优点。

Description

一种基于光腔衰荡光谱技术的可调谐激光器线宽测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量激光器输出谱线宽度的方法，特别涉及一种测量波长可调谐激光器输出谱线宽度的方法。

背景技术

随着激光技术的发展，激光器在生物医学、微加工、相干检测、光通信高精细光谱等许多领域都有着十分重要的应用，而且在许多情况下都对激光器的谱线宽度特性有着十分严格的要求，如在准分子激光光刻、光纤干涉测速，痕量气体检测系统中，激光器的线宽特性对整个系统的性能起着决定性的作用。因此，对激光器线宽进行测量是一项十分有意义的工作。

传统的测量激光器线宽的仪器有光谱仪和法布里-泊罗干涉仪。这两种仪器虽然在技术上比较成熟，但也具有明显的缺点。例如：光路搭建繁琐，需反复调试；结构庞大，且误差较大；最关键的是，近年来由于激光技术的发展，，所用激光器的线宽越来越窄，而上述这两种测量系统的精度和分辨率很难满足要求，对于这类窄激光线宽的测量成为一个新的挑战。

日本的Okoshi T等人提出的延时自外差拍频法激光器线宽测量系统(OkoshiT，KikuehiK，and Nakayama A，Novel method for high resolution measurement of laser out Putspectrum，Electron.Lett.16，(630-631)1980)及“基于光纤延时自外差法的测量窄线宽激光器线宽装置及其测量方法”(中国专利申请号200710178384.6，公开号CN101201243A，公开日期2008年6月18日)提供了一种使用自外差法测量窄线宽激光器的线宽，测量办法就是基于光纤延时自外差法的原理，干涉产生拍频，然后通过频谱分析仪测量拍频宽度，从而就可以得到待测激光的线宽。自差干涉法可以用来分辨1KHz的激光线宽，但该方法需要一个复杂且昂贵的系统，其中包括很长的一段单模光纤、一个声光调制器、两个光纤耦合器以及频谱分析仪等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有激光器谱线宽度测量技术的不足，提供一种基于光腔衰荡光谱技术的可调谐激光器线宽的测量方法，具有测量灵敏度高，结构简单，成本低廉且适用于各个波段可调谐激光器线宽的测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光腔衰荡光谱技术的激光器线宽测量方法，被测激光入射到由两平凹高反射镜构成的稳定的光学谐振腔，部分光能耦合进入腔内，在两个高反射镜之间来回反射，每一次循环，腔内光能量都会由于腔镜透射和腔内气体吸收而减小，其随时间以指数形式衰减，衰荡时间可表示为：

即衰荡腔总损耗减去腔镜的损耗，其中L为衰荡腔长，c为光速，R为平凹高反射镜的反射率，σ(λ)为气体对波长为λ光的吸收系数。由此可以看出，不同波长的气体吸收系数不同，导致衰荡时间不同，就可得到一个气体吸收光谱曲线，该曲线是激光器输出频谱函数与腔内气体吸收频谱函数的卷积。

具体实现步骤如下：

(1)密闭样品池的两端安装两块相同的、凹面镀高反膜的平凹高反镜，高反射率波段覆盖可调谐激光器波长调谐范围，凹面相对构成稳定的衰荡腔；

(2)选择一种在所测可调谐激光器输出波段内有较强吸收谱线的气体，并将其充入密闭的衰荡腔；

(3)可调谐激光器光束准直后从一平凹高反镜进入衰荡腔，在衰荡腔内来回反射，部分激光束从另一平凹高反镜输出，经聚焦透镜聚焦到探测器上，由探测器得到光腔输出信号；

(4)根据可调谐激光器的输出谱波段及线宽范围选定测量波段及波长扫描步长，调谐可调谐激光器输出波长，探测衰荡腔输出信号按照单指数衰减函数

拟合计算衰荡时间，得到各波长λ下的衰荡时间τ(λ)。根据不同入射波长处所得衰荡时间，利用公式

得到不同波长处气体的吸收损耗，从而得到气体吸收光谱曲线，即腔内气体吸收损耗σ(λ)与激光波长λ或激光频率v的关系曲线G(v，Δv₁)；

(5)通过数据处理将所测得的气体吸收谱线G(v，Δv₁)与HITRAN(High-resolutionTransmission Database)数据库中所给的气体吸收谱线F(v，Δv₂)解卷积，由于G(v，Δv₁)＝F(v，Δv₂)＊H(v，Δv₀)(＊代表卷积)因此通过解卷积得到激光器输出光谱谱线形状H(v，Δv₀)，进而得到谱线宽度Δv₀。

所述的激光器输出波长在一定波段内可调。

所述的两块相同的、凹面镀高反膜的平凹高反镜的反射率在激光器波长调谐范围内大于99％；由于光学谐振腔的损耗主要包括几何偏折损耗、衍射损耗、腔镜投射损耗和腔内吸收损耗，其中几何偏折损耗和衍射损耗会给测量结果带来较大的误差，因此所构成的衰荡腔为稳定腔或共焦腔时几何偏折损耗和衍射损耗达到最小可以忽略，稳定腔或共焦腔的腔长L满足0＜L≤2r，其中r为腔镜凹面的曲率半径。

所选择的吸收气体在激光器输出波长调谐范围内应至少存在一个完整的且吸收强度大于10^-25cm^-1/mol·cm^-2的吸收谱线。根据待测激光器的波段选择相应的气体，如测量波长为9.7μm量子级联激光器时，可选用二氧化碳在1025.29785cm^-1处的吸收峰，其吸收强度为4.751×10^-24cm^-1/mol·cm^-2。为了能够探测到衰荡腔内气体的吸收峰，并且保证测量信号具有一定的信噪比，因此所选择的吸收谱线强度应大于10^-25cm^-1/mol·cm^-2，在同等气体浓度情况下，气体吸收谱线强度越大测量信号具有的信噪比越高。

所述的在保持衰荡腔内压强不变的情况下，充入衰荡腔内吸收气体的含量应保证在气体吸收谱线峰值处腔内吸收损耗不低于0.0001。在选定了充入衰荡腔内的气体以及其吸收谱线的情况下，为了保证测量信号具有较高的信噪比，充入衰荡腔内吸收气体使得其吸收谱线峰值处腔内吸收损耗不低于0.0001。

所述的光腔衰荡信号通过数字示波器记录或高速数据采集卡采集，所测数据按照单指数衰减函数拟合计算出衰荡时间τ(λ)，按

即可得到气体吸收损耗，即衰荡腔总损耗减去腔镜的损耗。

所述的通过测量不同波长衰荡信号的衰荡时间所得的气体吸收光谱曲线是激光器输出频谱函数与腔内气体吸收频谱函数的卷积。

所述的气体吸收光谱曲G(v，Δv₁)，其线宽为Δv₁；参考HITRAN数据库中所选吸收气体在该波长附近的吸收谱线F(v，Δv₂)，其宽度为Δv₂；通过解卷积得到激光器输出线型H(v，Δv₀)，进而得到其输出线宽Δv₀。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)通过测量光在光腔中的衰荡时间间接测量入射光线宽，所测结果不受激光器光强波动的影响，具有较高的信噪比和抗干扰能力；

(2)系统光路结构简单，易于搭建调节，数据处理十分方便，大大降低了可调谐激光器线宽测量的成本；

(3)该系统可移植性强，通过更换部分元件即可实现不同波段可调谐激光器的线宽进行测量。

附图说明

图1为本发明的基于光腔衰荡光谱技术的可调谐激光器线宽测量装置示意图；

图2为本发明实施例的衰荡腔内气体对入射光有无吸收时光腔输出信号的测量结果及单指数拟合；

图3为本发明的实施例所测气体吸收光谱曲线(a)；HITRAN数据库中气体谱线(b)及解卷积得到的激光器谱线形状(c)。

图1中：1为光源、2为空间滤波和望远镜系统、3为衰荡腔、4为聚焦透镜、5为探测器、6为配备高速数据采集卡的控制计算机、7为光源波长调谐控制器、8为633nm的He-Ne激光器、9为633nm高反射镜、10为分光镜。

具体实施方式

下面结合附图1所述的系统描述本发明的基于光腔衰荡光谱技术的可调谐激光器线宽测量方法。

光源1选用高光束质量(TEM₀₀模)的可调谐量子级联激光器，激射波长为1022.9cm^-1～1028.4cm^-1，空间滤波和望远镜系统2由两块透镜和一个针孔组成，将入射光束整形成与光腔模式匹配；两块相同的、凹面镀高反射膜的平凹高反射镜(反射率大于99％)凹面相对构成衰荡腔3，衰荡腔为稳定腔或共焦腔，腔长L满足0＜L＜2r，其中r为腔镜凹面的曲率半径；衰荡腔镜安装于样品池两端，衰荡腔与样品池组成密封的测量腔。由于二氧化碳无毒无味容易获得并且在光源1激射波长范围内有3个10^-24cm^-1/mol·cm^-2量级完整的吸收线，腔内充入干燥的二氧化碳气体和氮气的混合气体，其中二氧化碳含量约占4％，并保证腔内压强为1大气压。准直后的激光光束经分光镜10后进入衰荡腔并在腔内振荡传输，从衰荡腔后腔镜透射的激光束由聚焦透镜4会聚到快速红外探测器5，探测器5将光信号转化成电信号，转换后的电信号由高速数据采集卡记录并输入计算机6处理及存储。为便于光路调节由高反镜9和分光镜10引入可见的He-Ne光源8。所采用的光源1可调谐量子级联激光器其波长调谐方式可分为两种一是工作温度调谐，二是激励电压调谐，这里将采用由计算机6控制的温度控制器7来调谐激光器输出波长，温度调谐最小步长为0.1℃。

可调谐激光器线宽测量的具体步骤如下：

首先腔内充入干燥的二氧化碳气体和氮气的混合气体，调节两个腔镜俯仰使光腔输出信号幅值最大，在保持驱动电压恒定的情况下，通过计算机调节激光器的温度控制器调谐量子级联激光器工作温度实现波长调谐。实验选择测量二氧化碳在1025.29785cm^-1处的吸收峰，则激光器温度扫描范围在-15℃～+15℃，即可完全覆盖该吸收峰，温度调谐步长为0.5℃。如图2所示，由高速数据采集卡记录光腔输出的衰荡信号，按单指数衰减函数对所测数据进行拟合，就可得到各波长λ下的衰荡时间τ(λ)。

然后绘制出σ(λ)与λ的气体吸收光谱曲线，其中

如图3(a)所示，从而可以得到气体吸收光谱曲线轮G(v，Δv₁)及其线宽Δv₁；调取标况下HITRAN数据库中二氧化碳气体在1025.29785cm^-1处吸收峰的线宽Δv₂，对该吸收线采用Lorentz拟合得到归一化线型函数F(v，Δv₂)；由于所测得的气体吸收光谱曲线是激光器输出频谱函数与腔内气体吸收频谱函数的卷积G(v，Δv₁)＝H(v，Δv₀)*F(v，Δv₂)，因此可以通过解卷积得到激光器输出光的频谱函数为H(v，Δv₀)，从而得到其线宽Δv₀。

由图3可知，拟合得出的气体吸收光谱曲线函数为(A为归一化系数)：

其线宽Δv₁＝0.2601cm^-1，HITRAN数据库中二氧化碳气体在1025.29785cm^-1处吸收峰的线宽值为Δv₂＝0.0671cm^-1，其归一化吸收线型函数为(B为归一化系数)：

通过解卷积就可得到所测量的激光线宽为Δv₀＝0.1926cm^-1。

总之，本发明提出了可调谐激光器谱线宽度测量的新方法，其测量结果不受激光器强度波动的影响，并且可以测量从深紫外到中远红外的各类激光器线宽，在测量不同波段激光器线宽时只需选择合适的气体充入衰荡腔之中，在激光器波长调谐范围内可能覆盖不只一条较强的吸收谱线，因此该方法亦可测量激光器在不同输出波长处的线宽。该方法的具有结构简单，可移植性强，测量精度高，抗干扰能力强等优点。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (6)

1.一种基于光腔衰荡光谱技术的可调谐激光器线宽测量方法，其特征在于：实现步骤如下：

(1)密闭样品池的两端安装两块相同的、凹面镀高反膜的平凹高反镜，高反射率波段覆盖可调谐激光器波长调谐范围，凹面相对构成稳定的衰荡腔；

(2)选择一种在所测可调谐激光器输出波段内有较强吸收谱线的气体，并将其充入密闭的衰荡腔；

(3)可调谐激光器输出的激光束准直后从一平凹高反镜进入衰荡腔，在衰荡腔内来回反射，部分激光束从另一平凹高反镜输出，经聚焦透镜聚焦到光电探测器上，由光电探测器得到光腔输出信号；

(4)根据可调谐激光器的输出谱波段及线宽范围选定测量波段及波长扫描步长，调谐可调谐激光器输出波长，探测衰荡腔输出信号，按照单指数衰减函数拟合出计算衰荡时间，根据不同入射波长处所得衰荡时间，利用公式 

得到不同波长处气体的吸收损耗，从而得到气体吸收光谱曲线G(v，Δv₁)，即腔内气体对波长为λ光的吸收损耗σ(λ)与激光波长λ或激光频率v的关系曲线，其中L为衰荡腔长，c为光速，R为平凹高反射镜的反射率，σ(λ)为腔内气体对波长为λ光的吸收损耗，Δv₁为线宽为气体吸收光谱曲G(v，Δv₁)的线宽，v＝c/λ；

(5)通过数据处理将所测得的气体吸收谱线G(v，Δv₁)与HITRAN数据库中所给的气体吸收谱线F(v，Δv₂)解卷积，得到激光器输出光谱谱线形状H(v，Δv₀)，进而得到谱线宽度Δv₀；Δv₂为吸收谱线F(v，Δv₂)的线宽。

2.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的可调谐激光器线宽测量方法，其特征在于：所测量的激光器输出波长在一定波段内可调。

3.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的可调谐激光器线宽测量方法，其特征在于：所述的两块相同的、凹面镀高反膜的平凹高反镜的反射率在激光器波长调谐范围内大于99％；所构成的衰荡腔为稳定腔或共焦腔，腔长L满足0＜L≤2r，其中r为腔镜凹面的曲率半径。

4.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的可调谐激光器线宽测量方法，其特征在于：所选择的吸收气体在激光器输出波长调谐范围内应至少存在一个完整的且吸收强度大于10^-25cm^-1/mol·cm^-2的吸收谱线。 

5.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的可调谐激光器线宽测量方法，其特征在于：在保持衰荡腔内压强不变的情况下，充入衰荡腔内吸收气体的含量应保证在气体吸收谱线峰值处腔内吸收损耗不低于0.0001。

6.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的可调谐激光器线宽测量方法，其特征在于：所述的光腔衰荡信号通过数字示波器记录或高速数据采集卡采集。 

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