CN102183308A - 一种可调谐激光器波长变化量的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种可调谐激光器波长变化量的测量方法，根据光腔衰荡光谱技术原理，待测激光器输出光束入射到稳定光学谐振腔，光学谐振腔内充入在待测激光器波长调谐范围内有至少两条吸收谱线的气体，通过波长控制器调谐激光器输出波长，使其扫过两条完整的气体吸收谱线。记录下在不同波长控制器输出量时的光腔衰荡信号，进而可得在不同波长控制器输出量下的衰荡时间曲线，将该曲线的与充入光学谐振腔内气体的吸收谱线对比，即可得到波长控制器变化量与输出波长变化量之间的关系。本发明提出了测量可调谐激光器波长变化量的新方法，其适用于各类可调谐激光器，并且可以对从紫外到中远红外的所有可调谐激光器进行测量，具有结构简单，系统移植性强等优点。

Description

一种可调谐激光器波长变化量的测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量可调谐激光器波长变化量的装置，特别涉及一种测量波长控制器变化量和激光器波长变化量之间关系的方法。

背景技术

随着激光技术的发展，可调谐激光器在生物医学、环境检测、光通信以及高精细光谱分析等许多领域都有着十分重要的应用。如可调谐半导体激光器吸收光谱技术(TDLAS)在烟气有害物质分析、化学光谱分析以及食品安全检查等方面的应用越来越广泛，其测量精度直接受限于激光器波长的调谐变化量。因此，对激光器波长变化量的测量是一项十分有意义的工作。

目前，标定可调谐激光器输出波长控制器变化量和输出波长变化量的关系主要依赖于各类光谱仪和波长计。光谱仪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，价格较高。最关键的是，近年来由于激光技术的发展，所用可调谐激光器的线宽越来越窄，而光谱仪测量系统的精度和分辨率很难满足要求，对于这类窄线宽可调谐激光波长变化量的测量成为一个新的挑战。

波长计可实现高精度的波长测量，波长计主要分为以下几种。基于谐波光频率链的激光波长测量方法(Jennings D A，Pollock C R，and Peterson K R，Direct frequency measurement of the I₂-stabilized He-Ne 473THz(633nm)laser.Opt.Lett.，1984，8(3)：136-138)，在实际测量过程中如果链中光频之间的间隙过大(超过10GHz)，要在已知光频与任一未知光频之间架起桥梁仍然是十分困难的。基于光学频率梳的光波长直接绝对测量方法(Th.Udem，J.Reichert，R.Holzwarth，T.W.Hansch，Accurate Measurement of Large Optical Frequency Differences with a Mode-Locked Laser.Opt.Lett.，1999，24(13)：881-883)，利用该方法要达到很高的测量准确度非常困难，测量准确度越高，对仪器的要求也就越高，测量系统也就越复杂。比较常见的是基于干涉原理的激光波长测量方法，典型的商品化波长测量仪器有迈克尔逊干涉型、斐索干涉型和F-P干涉型等。这些方法对系统的稳定性要求较高，结构装置比较复杂，成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有可调谐激光器波长变化量测量技术的不足，提出了一种基于光腔衰荡光谱技术的可调谐激光器波长变化量的测量方法，具有结构简单，可移植性强且适用于不同波段可调谐激光器波长变化量的测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可调谐激光器波长变化量的测量方法，将待测激光器输出光束入垂直射到光学谐振腔，激光束从第一块平凹高反射镜中心进入光学谐振腔，在光学谐振腔内来回反射，光电探测器探测从第二块平凹高反射镜输出的光强衰荡信号，从第二块平凹高反射镜透射光能量随时间按单指数函数衰减，衰荡时间可由表示为：

其中L为光学谐振腔腔长，c为光速，R为平凹高反射镜凹面反射率，不同入射光波长λ对应不同的气体吸收系数σ(λ)，因此不同入射光波长对应不同的衰荡时间τ(λ)。由于气体吸收系数σ(λ)在气体吸收谱线峰值处最大，当入射光波长与光学谐振腔内充入的气体吸收峰重合时，测得衰荡时间极小值。调谐波长控制器输出量，可得到不同波长控制器输出量所对应不同的衰荡时间，找出衰荡时间的极小值所对应的波长控制器输出量，并与气体的吸收光谱曲线比较，即可建立波长控制器变化量与激光器输出波长变化量之间的关系。

具体实现步骤如下：

(1)由两块平凹高反射镜和一个气体池组成密闭的光学谐振腔，两块平凹高反射镜固定在气体池两端，凹面相对且平行；

(2)在密闭的光学谐振腔内充入在待测激光器调谐波段内有至少两条吸收谱线的气体，将待测激光器输出光束垂直入射到第一块平凹高反射镜中心，光电探测器探测从第二块平凹高反射镜输出的光腔衰荡信号；

(3)在足以覆盖充入光学谐振腔内气体的至少两条吸收谱线的波长范围按固定步长调谐待测激光器的波长控制器，每调谐一次波长控制器就由光电探测器记录一次光腔衰荡信号，将光腔衰荡信号按照单指数衰减函数拟合出衰荡时间，可得到在不同波长控制器输出量下的衰荡时间，得到光腔衰荡时间与波长控制器输出量的关系曲线(令为A曲线)；

(4)通过A曲线可得到相邻两衰荡时间极小值对应的波长控制器输出量之差(令为B值)，查阅充入光学谐振腔内气体的吸收谱线数据，得到与A曲线对应的相邻两条吸收谱线峰值波长差(令为C值)，C/B即为每单位波长控制器变化量对应的输出波长变化量。

所述的待测激光器是波长可调谐的，待测激光器出光方式可以是脉冲光或连续光。

所述的两块平凹高反射镜凹面的反射率在待测激光器调谐波段内大于99％；所构成的光学谐振腔为稳定腔或共焦腔，光学谐振腔腔长L满足0＜L＜2r，其中r为平凹高反射镜凹面曲率半径。

充入光学谐振腔内气体的含量应保证在气体的吸收谱线峰值处光学谐振腔内吸收损耗不低于0.0001。

光学谐振腔内充入气体后，在整个测量过程中应保持光学谐振腔内压强恒定。

所述的充入光学谐振腔内的气体可以是一种气体，也可以是两种及以上气体的混合气体。

若充入光学谐振腔内的气体在待测激光器波长调谐范围内有N条吸收谱线(N＞2)，测得的A曲线中有N个衰荡时间极小值，把待测激光器波长调谐范围分成了N-1个区间，A曲线中第n和n+1个衰荡时间极小值对应的波长控制器输出量之差令为B_n(n为整数，n＝1，2，…，N-1)，查阅充入光学谐振腔内气体的吸收谱线数据，得到与B_n对应的两条吸收谱线峰值波长差令为C_n，C_n/B_n即为在第n个区间内每单位波长控制器变化量对应的待测激光器输出波长变化量，则通过公式

可得在待测激光器波长调谐范围内每单位波长控制器变化量对应的待测激光器输出波长平均变化量。

本发明与现有技术相比所具有的优点：

(1)本发明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)本发明不受激光器线宽的限制，对线宽从KHz到GHz各类可调谐激光器均适用；

(3)本发明可移植性强，测量不同波段的可调谐激光器波长变化量时，仅需更换腔镜和探测器，选择相应的吸收气体；

(4)本发明可以测量从紫外到中远红所有波段的可调谐激光器的波长变化量；

(5)本发明具有结构简单，成本低，测量精度高等优点。

附图说明

图1为本发明的可调谐脉冲激光器波长变化量的测量装置示意图；

图2为本发明的实施例中选择的充入密闭光学谐振腔内二氧化碳气体在待测激光调谐波段内吸收光谱图；

图3为本发明的实施例的不同波长控制器输出量下的衰荡时间曲线(A曲线)；

图4为本发明的可调谐连续激光器波长变化量的测量装置示意图；

图1中：1为光源、2为空间滤波和望远镜系统、3和4为平凹高反射镜、5为气体池、6为离轴抛物面镜、7为光电探测器、8为计算机、9为波长控制器、10为出气口、11为进气口，12为632.8nm的He-Ne激光器、13为反射镜、14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可调谐激光器波长变化量的测量方法。

光源1为待测的可调谐脉冲中远红外量子级联激光器，其输出波长可调谐波段为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，用于将入射光束整形成与光学谐振腔模式匹配；两块平凹高反射镜3，4在激光器输出波长调谐范围内凹面反射率大于99％，光学谐振腔为稳定腔或共焦腔，光学谐振腔长L满足0＜L＜2r，其中r为平凹高反射镜凹面曲率半径；平凹高反射镜3，4凹面相对且相互平行的安装于气体池5的两端，与气体池5共同组成密闭的光学谐振腔。为了简化实验装置，光学谐振腔内气压定为1大气压，由于二氧化碳气体无毒无味容易获得并且在光源1调谐波段范围内两条峰值为10^-24cm^-1/molecule·cm^-2量级的吸收谱线，氮气在光源1调谐波段范围内无吸收谱线，因此可选二氧化碳和氮气的混合气体为充入光学谐振腔内的气体，从进气口11向光学谐振腔内充入干燥的二氧化碳和氮气的混合气体，其中二氧化碳含量约为1％，且其含量无需精确控制，只是需要满足在二氧化碳的吸收谱线峰值处光学谐振腔内吸收损耗不低于0.0001。通过出气口10来调节光学谐振腔内压强，保证光学谐振腔内压强在整个测试过程中保持为1大气压。准直后的脉冲激光束垂直从平凹高反射镜3的中心进入光学谐振腔并在光学谐振腔内振荡传输，从平凹高反射镜4透射的激光束由离轴抛物面镜6聚焦到光电探测器7，光电探测器7输出信号由数据采集卡记录并输入计算机8处理及存储。由于光源1为不可见光源，为便于光路调节由反射镜13和分光镜14引入可见632.8nm的He-Ne激光器12。若光源1为可见光源，则不需要进入可见632.8nm的He-Ne激光器12。待测光源1的输出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，这里波长控制器9是通过改变光源1的工作温度来调谐光源1输出波长，波长控制器9最小调谐步长为0.1℃。

可调谐激光器波长变化量测量的具体步骤如下：

首先在光学谐振腔内充入干燥的二氧化碳和氮气的混合气体，在光源1的驱动电压恒定的情况下，通过调谐波长控制器9改变光源1的工作温度实现光源1输出波长调谐。当波长控制器9在-30℃～+15℃之间调谐时，光源1输出波长的变化范围覆盖了二氧化碳在1025.29785cm^-1和1027.38216cm^-1处的两条吸收谱线，如图2所示，横坐标Wavenumber为波数(单位cm^-1)，纵坐标Line intensity为吸收谱线强度(单位10^-24cm^-1/molecule·cm^-2)。波长控制器9调谐步长为0.5℃，每调节一次波长控制器9的输出量之后，就由光电探测器7记录光腔衰荡信号输入计算机8，并按单指数衰减函数(A，B为常系数)拟合出衰荡时间τ。每调节一次波长控制器9的输出量，就得到一个对应的衰荡时间，从而可得到不同波长控制器9输出量下的衰荡时间曲线，即A曲线，如图3所示。

从图3(横坐标Temperature为温度(单位℃)，纵坐标Decay time为衰荡时间(单位μs))中可以看出，A曲线中相邻两衰荡时间极小值对应的波长控制器9输出量之差B值为28.5℃；从图2中可知，二氧化碳气体在光源1波长调谐范围内的相邻两条吸收谱线峰值波长差C值为-2.08366cm^-1，从而可得每单位波长控制器9变化量对应的光源1输出波长变化量C/B＝-0.07311cm^-1/℃。

若充入光学谐振腔内的气体在光源1波长调谐范围内有N条吸收谱线(N＞2)，在测得的A曲线中有N个衰荡时间极小值，把光源1波长调谐范围分成了N-1个区间，通过A曲线可得第n和n+1个衰荡时间极小值对应的波长控制器9输出量之差B_n(n为整数，n＝1，2，…，N-1)，查阅充入光学谐振腔内气体的吸收谱线，可得到与B_n对应的吸收谱线峰值波长差C_n，那么C_n/B_n即为第n个区间内每单位波长控制器9变化量对应的光源1输出波长变化量，通过公式

可得在光源1波长调谐范围内每单位波长控制器变化量对应的待测激光器输出波长平均变化量。

图4为可调谐连续激光器的波长变化了测量装置示意图，其中光源1输出光为连续激光束。每调节一次波长控制器9的输出量之后，当光电探测器7探测到的信号幅值大于预先设定的阈值时，由计算机8控制的光开光15快速关断激光束。计算机8将激光束被关断之后由光电探测器7记录的光腔衰荡信号按单指数衰减函数

(A₁，B₁为常系数)拟合出衰荡时间τ₁。每调节一次波长控制器9的输出量，就得到一个对应的衰荡时间，从而可得到不同波长控制器9输出量下的衰荡时间曲线，即A曲线。A曲线中相邻两衰荡时间极小值对应的波长控制器9输出量之差为B，查阅充入光学谐振腔内气体的吸收谱线图，可知与A曲线对应的相邻两条吸收谱线峰值波长差为C，从而可得每单位波长控制器9变化量对应的光源1输出波长变化量为C/B。

总之，本发明提出了可调谐激光器波长变化量测量的新方法，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可调谐激光器输出波长变化量，系统可移植性强，测量不同波段的可调谐激光器波长变化量时，仅需更换腔镜和探测器，选择相应的吸收气体。若在激光器波长调谐范围内光学谐振腔内气体有多条吸收谱线，该方法亦可测量激光器在不同波长调谐区间内每单位波长控制器变化量对应的激光器输出波长变化量。该方法的具有结构简单，覆盖波长范围广，测量精度高等优点。

Claims (8)

1.一种可调谐激光器波长变化量的测量方法，其特征在于：

(1)由两块平凹高反射镜和一个气体池组成密闭的光学谐振腔，两块平凹高反射镜固定在气体池两端，两块平凹高反射镜的凹面相对且平行；

(2)在密闭的光学谐振腔内充入在待测激光器调谐波段内有至少两条吸收谱线的气体，将待测激光器输出光束垂直入射到第一块平凹高反射镜中心，光电探测器探测从第二块平凹高反射镜输出的光腔衰荡信号；

(3)在足以覆盖充入光学谐振腔内气体的至少两条吸收谱线的波长范围按固定步长调谐待测激光器的波长控制器，每调谐一次波长控制器就由光电探测器记录一次光腔衰荡信号，将光腔衰荡信号按照单指数衰减函数拟合出衰荡时间，得到在不同波长控制器输出量下的衰荡时间，从而得到光腔衰荡时间与波长控制器输出量的关系曲线，称为A曲线；

(4)通过A曲线可得到相邻两衰荡时间极小值对应的波长控制器输出量之差，称为B值，查阅充入光学谐振腔内气体的吸收谱线数据，得到与A曲线对应的相邻两条吸收谱线峰值波长差，称为C值，C/B即为每单位波长控制器变化量对应的输出波长变化量。

2.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器波长变化量的测量方法，其特征在于：所述的待测激光器是波长可调谐的，待测激光器出光方式可以是脉冲光或连续光。

3.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器波长变化量的测量方法，其特征在于：所述的两块平凹高反射镜凹面的反射率在待测激光器调谐波段内大于99％。

4.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器波长变化量的测量方法，其特征在于：所的光学谐振腔为稳定腔或共焦腔，光学谐振腔腔长L满足0＜L＜2r，其中r为平凹高反射镜凹面曲率半径。

5.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器波长变化量的测量方法，其特征在于：所述充入光学谐振腔内气体的含量应保证在气体的吸收谱线峰值处光学谐振腔内吸收损耗不低于0.0001。

6.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器波长变化量的测量方法，其特征在于：所述光学谐振腔内充入气体后，在整个测量过程中应保持光学谐振腔内压强恒定。

7.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器波长变化量的测量方法，其特征在于：所述的充入光学谐振腔内的气体可以是一种气体，也可以是两种及以上气体的混合气体。

8.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器波长变化量的测量方法，其特征在于：若充入光学谐振腔内的气体在待测激光器波长调谐范围内有N条吸收谱线，N＞2，测得的A曲线中有N个衰荡时间极小值，把待测激光器波长调谐范围分成了N-1个区间，A曲线中第n和n+1个衰荡时间极小值对应的波长控制器输出量之差B_n，n为整数，n＝1，2，…，N-1，查阅充入光学谐振腔内气体的吸收谱线数据，得到与B_n对应的两条吸收谱线峰值波长差C_n，C_n/B_n即为在第n个区间内每单位波长控制器变化量对应的待测激光器输出波长变化量，则通过公式可得在待测激光器波长调谐范围内每单位波长控制器变化量对应的待测激光器输出波长平均变化量。

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