CN103674486A - 一种激光陀螺谐振腔激光模式频率间隔的测量方法 - Google Patents

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张自国
王珂
孙志光
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Abstract

本发明属于激光频率参数的测量方法，特别是涉及一种激光陀螺谐振腔激光模式频率间隔的测量方法，其过程是：利用扫频激光器输出的频率线性变化的激光，注入被测环形谐振腔，通过光路匹配部件，使一部分激光从被测环形谐振腔透射出来，经探测器和放大器、A/D转换采集进计算机，得到纵模频率间隔对应的时间间隔T和被测频率间隔对应的时间间隔T1，最后以已知的扫频激光器的纵模频率间隔作为比例尺，计算得到被测频率间隔。本发明通过所述方法将难以测量的光频间隔转换成对应的时间间隔，实现对被测频率间隔的测量，整个方法操作简单，易于实现，测量成本低，具有较佳的实际应用价值。

Description

一种激光陀螺谐振腔激光模式频率间隔的测量方法
技术领域
本发明属于激光频率参数的测量方法，特别是涉及一种激光陀螺谐振腔激光模式频率间隔的测量方法。
背景技术
激光陀螺是一种精密的光学测量器件，环形谐振腔是激光陀螺的核心部件。不管是二频激光陀螺还是四频激光陀螺，其本征激光模式频率间隔都是一个非常重要的参数。二频激光陀螺工作在单纵模状态，要求纵模频率间隔大于激光增益的出光带宽。对于采用非共面谐振腔方案的四频激光陀螺，其模式分裂的频率间隔更是一个重要的设计参数，直接决定谐振腔非共面角的大小。
然而激光陀螺内的激光频率高，难以实现直接测量或者测量成本很高。目前在激光陀螺谐振腔设计过程中，对于激光模式频率间隔参数仅通过理论计算进行设计，没有通过实际测量进行验证。
发明内容
为了解决现有技术难以实现激光陀螺环形谐振腔激光模式频率间隔的测量，本发明提供了一种操作简单、易于实现、测量成本低的激光陀螺谐振腔激光模式频率间隔的测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：.一种激光陀螺谐振腔激光模式频率间隔的测量方法，其包括如下步骤：
步骤1：扫频激光器输出
引燃扫频激光器，打开加载在扫频激光器上的锯齿波发生电路，使得扫频激光器输出频率线性变化的激光；
步骤2：被测谐振腔安装调试
将被测谐振腔安装到测量光路中；通过调整光路匹配部件实现扫频激光器输出激光与被测谐振腔的共振；
步骤3：本征频谱筛选
扫频激光器输出频率线性变化的激光进入被测谐振腔内后，当频率与谐振腔本征频率相同时，该频率的激光从被测谐振腔内出射，所出射的扫频激光被被测谐振腔各本征频率筛选成在时间轴上若干离散的光信号，从而将直接测量的光频间隔从频率轴转换到时间轴上；
步骤4：信号采集
被测谐振腔所出射的光信号经探测器和放大器后转换成电信号，并经过A/D转换后采集进处理计算机；
步骤5：先确定转化后的离散电信号的时间间隔T和T1，T对应于纵模频率间隔F_cavity，T1对应于被测频率间隔F_LR；
被测频率间隔F_LR通过式(1)计算即可得到。
F_LR=(F_cavity/T)*T1                            (1)
F_laser=c/L                                (2)
式(2)中，c为光速，L为扫频激光器腔长。
所述扫频激光器为He-Ne气体激光器，其谐振腔反射镜上设置有用于改变腔长，实现谐振频率的连续变化的压电陶瓷。
所述扫描激光器腔长和被测谐振腔腔长满足关系：L_laser≥0.5L_cavity。
锯齿波频率不大于10Hz。
锯齿波发生电路中设置有压电陶瓷非线性补偿模块。
所述探测器和放大器的信噪比优于0.5%。
有别于直接测量激光频率技术，本发明的测量方法是利用扫频激光器输出的频率线性变化的激光激励起被测谐振腔的本征频谱，将难以测量的光频间隔转换成对应的时间间隔，最后以已知的扫频激光器的纵模频率间隔作为比例尺，计算得到被测频率间隔，测量精度能够较好的满足实际测量要求。因此本发明操作简单，易于实现，测量成本低，具有较大的实际应用价值。
附图说明
图1是本发明被测激光陀螺谐振腔激光模式频谱示意图；
图2是本发明激光陀螺谐振腔激光模式频率间隔的测量方法所采用的测量系统的原理框图；
图3是本发明激光陀螺谐振腔激光模式频率间隔的测量方法的原理示意图；
图4是本发明的信号转换处理后的示意图，
其中，1-计算机、2-探测器和放大器、3-被测谐振腔、4-光路匹配部件、5-扫频激光器、6-锯齿波发生电路。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步的说明：
请参阅图1，其是一种被测激光陀螺谐振腔的本征模式频率谱示意图。其纵模分裂后的左旋光模式L和右旋光模式R之间存在频率间隔F_LR，即为待测的频率间隔。
请参阅图2，其是本发明激光陀螺谐振腔激光模式频率间隔的测量方法所采用的测量系统的原理框图。其中，所述测量系统包括顺次连接的计算机1，探测器和放大器2、被测谐振腔3、光路匹配部件4、扫频激光器5、锯齿波发生电路6。其中，所述的扫频激光器为He-Ne气体激光器，利用安装在一个反射镜上的压电陶瓷可改变腔长，实现谐振频率的连续变化。为保证系统功能，要求激光器腔长和被测谐振腔腔长满足关系：L_laser≥0.5L_cavity，当然也可根据激光器的出光带宽和压电陶瓷的腔长变化能力，选择其他的腔长关系。
所述的锯齿波发生电路产生频率固定、幅度可调的锯齿波电压，该电压加载在激光器的压电陶瓷上。为保证系统功能和测量精度，锯齿波频率选择为几个Hz，幅度要求能够至少使激光器腔长改变2个波长；并且电路中设置有压电陶瓷非线性补偿模块，以补偿压电陶瓷的滞环等误差，使腔长能够线性变化。
所述光路匹配部件为用于将扫频激光器的输出激光耦合进待测谐振腔的光学组件。所述探测器和放大器要求低噪声，信噪比优于0.5%。
本发明利用扫频激光器输出的频率线性变化的激光激励起被测谐振腔的本征频谱，将难以测量的光频间隔转换成对应的时间间隔，最后以已知的扫频激光器的纵模频率间隔作为比例尺，计算得到被测频率间隔，其具体步骤如下：
步骤1：扫频激光器输出
引燃扫频激光器，打开加载在扫频激光器上的锯齿波发生电路，使得扫频激光器输出频率线性变化的激光；
步骤2：被测谐振腔安装调试
将被测谐振腔安装到测量光路中；通过调整光路匹配部件实现扫频激光器输出激光与被测谐振腔的共振；
步骤3：本征频谱筛选
扫频激光器输出频率线性变化的激光进入被测谐振腔内后，当频率与谐振腔本征频率相同时，该频率的激光从被测谐振腔内出射，所出射的扫频激光被被测谐振腔各本征频率筛选成在时间轴上若干离散的光信号，从而将难以直接测量的光频间隔从频率轴转换到时间轴上；
步骤4：信号采集
被测谐振腔所出射的光信号经探测器和放大器后转换成电信号，并经过A/D转换后采集进处理计算机；
步骤5：请参阅图4，先确定转化后的离散电信号的时间间隔T和T1，T对应于纵模频率间隔F_cavity，T1对应于被测频率间隔F_LR；
被测频率间隔F_LR通过式(1)计算即可得到。
F_LR=(F_cavity/T)*T1                            (1)
F_cavity=c/L                                    (2)
式(2)中，c为光速，L为谐振腔腔长。
下面给出某个具体实施例，该实施例中，He-Ne激光，L为184mm，c为3*108m/s，T1/T为0.3313，计算得到F_LR为540MHz。
综上所述有别于直接测量激光频率技术，本发明的测量方法是利用扫频激光器输出的频率线性变化的激光激励起被测谐振腔的本征频谱，将难以测量的光频间隔转换成对应的时间间隔，最后以已知的扫频激光器的纵模频率间隔作为比例尺，计算得到被测频率间隔，而且该方法操作简单，易于实现、测量成本低，具有较大的实际应用价值。

Claims (6)

1.一种激光陀螺谐振腔激光模式频率间隔的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：扫频激光器输出
引燃扫频激光器，打开加载在扫频激光器上的锯齿波发生电路，使得扫频激光器输出频率线性变化的激光；
步骤2：被测谐振腔安装调试
将被测谐振腔安装到测量光路中；通过调整光路匹配部件实现扫频激光器输出激光与被测谐振腔的共振；
步骤3：本征频谱筛选
扫频激光器输出频率线性变化的激光进入被测谐振腔内后，当频率与谐振腔本征频率相同时，该频率的激光从被测谐振腔内出射，所出射的扫频激光被被测谐振腔各本征频率筛选成在时间轴上若干离散的光信号，从而将直接测量的光频间隔从频率轴转换到时间轴上；
步骤4：信号采集
被测谐振腔所出射的光信号经探测器和放大器后转换成电信号，并经过A/D转换后采集进处理计算机；
步骤5：先确定转化后的离散电信号的时间间隔T和T1，T对应于纵模频率间隔F_cavity，T1对应于被测频率间隔F_LR；
被测频率间隔F_LR通过式(1)计算即可得到。
F_LR=(F_cavity/T)*T1                            (1)
F_laser=c/L                                     (2)
式(2)中，c为光速，L为谐振腔腔长。
2.根据权利要求1所述的激光陀螺谐振腔激光模式频率间隔的测量方法，其特征在于：所述扫频激光器为He-Ne气体激光器，其谐振腔反射镜上设置有用于改变腔长，实现谐振频率的连续变化的压电陶瓷。
3.根据权利要求1所述的激光陀螺谐振腔激光模式频率间隔的测量方法，其特征在于：所述扫描激光器腔长和被测谐振腔腔长满足关系：L_laser≥0.5L_cavity。
4.根据权利要求1所述的激光陀螺谐振腔激光模式频率间隔的测量方法，其特征在于：锯齿波频率不大于10Hz。
5.根据权利要求1所述的激光陀螺谐振腔激光模式频率间隔的测量方法，其特征在于：锯齿波发生电路中设置有压电陶瓷非线性补偿模块。
6.根据权利要求1所述的环形谐振腔模式频率间隔的测量方法,其特征在于：所述探测器和放大器的信噪比优于0.5%。
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