CN103759841A - 激光器频率稳定度测试装置 - Google Patents

Abstract

一种激光器频率稳定度测试装置，包括：一第一驱动电路和第二驱动电路，该第一驱动电路和第二驱动电路包括有温度控制装置；一第一激光器和第二激光器，所述第一驱动电路和第二驱动电路分别给第一激光器和第二激光器提供的驱动控制；一光纤耦合器，光纤耦合器的一输入端a与第一激光器的尾纤连接，另一输入端b与第二激光器的尾纤连接；一光电探测器，该光电探测器的尾纤与光纤耦合器的一输出端c连接；一放大器，该放大器接收所述光电探测器输出的光强电压信号；一频谱分析仪，该频谱分析仪与该放大器相连接；一电脑，该电脑通过GPIB卡接收所述频谱分析仪的数据，进行拍频信号的数据采集；一光谱分析仪，该光谱分析仪与所述该光纤耦合器的另一输出端d连接。

Description

激光器频率稳定度测试装置

技术领域

本发明属于光电子技术领域，特别涉及一种激光器频率稳定度测试装置。

背景技术

在激光线宽满足要求的基础上，频率稳定度也是保证干涉计量的关键指标。频率稳定度指由于频率源内部噪声引起的频率取样值的随机起伏，是描述平均频率随机变化的量，平均时间即采样时间。信号的频率稳定度是时域内频率f(t)相对于中心频率f₀的稳定性表征参数，如式所示：

$\frac{\mathrm{\σ}\left[\mathrm{\Δf}\left(t\right)\right]}{f_0}$

对激光器频率稳定度的测量，本质上是对激光器发出的激光频率的测量。因为激光频率约为1014-1015Hz，较之微波频标在频率值方面高出了5个数量级，现有的电子仪器无法将如此高的频率变化显示出来，所以直接测量激光频率的稳定度是非常困难的。

在间接测量方法中，可分为绝对测量方法及相对测量方法。绝对测量主要有基于光学频率链的方法，以及基于光学频率梳的方法。这两种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。而在相对测量方法中，目前国际上应用最多的是拍频法，即采用一台频率稳定度相对较高的激光器作为频率标准，与待测量的激光器进行光外差，两激光器发出的光由于频率相近，产生的差频信号频率可以降低到探测器能够响应带宽内，由于选作标准的激光器频率稳定度比待测激光器的高，所以可以近似认为差频值的变化是由待测信号的频率的变化引起的，从而测得的拍频信号的变化即是待测激光器的频率稳定度。但是受技术条件限制，很难找到一台具有较高频率稳定度的激光器。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种激光器频率稳定度测试装置，通过采用两台频率稳定度相近的激光器进行光外差拍频，由于两同批次的激光器的频率稳定度相似，测得结果可视为单独激光器频率稳定度的2倍，由测试结果可计算出待测激光器的频率稳定度。

为达到上述目的，本发明提供一种激光器频率稳定度测试装置，包括：

一第一驱动电路和第二驱动电路，该第一驱动电路和第二驱动电路包括有温度控制装置；

一第一激光器和第二激光器，所述第一驱动电路和第二驱动电路分别给第一激光器和第二激光器提供的驱动控制；

一光纤耦合器，光纤耦合器的一输入端a与第一激光器的尾纤连接，另一输入端b与第二激光器的尾纤连接；

一光电探测器，该光电探测器的尾纤与光纤耦合器的一输出端c连接；

一放大器，该放大器接收所述光电探测器输出的光强电压信号；

一频谱分析仪，该频谱分析仪与该放大器相连接；

一电脑，该电脑通过GPIB卡接收所述频谱分析仪的数据，进行拍频信号的数据采集；

一光谱分析仪，该光谱分析仪与所述该光纤耦合器的另一输出端d连接。

从上述技术方案可以看出，本发明的提供的这种激光器频率稳定度测试装置的优点在于：

适用于各种单纵模激光器，不需要一高频率稳定度的激光器作为频率标准；

采用Labview程序实时采集拍频信号的中心频率，减少了人员记录的视觉误差，节省了时间，提高了测试精度；

附图说明

为了进一步说明本发明的内容，下面结合实施例及附图对本发明作详细说明如后，其中：

图1是本发明实施例的一种激光器频率稳定度测试装置的结构示意图；

图2是本发明的测试结果示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种激光器频率稳定度测试装置，包括：

一第一驱动电路1和第二驱动电路2，该第一驱动电路1和第二驱动电路2包括有高精度的温度控制装置和高精度的电流驱动电路，温度控制精度达到0.001℃，电流控制精度为0.01mA，对于常见的DFB半导体激光器，温度每变化1℃，中心频率变化1.25GHz，因此对于0.001℃的温度控制精度，中心频率可以控制在1.25MHz。电流每变化1mA，中心频率变化3.125GHz。高精度的温度控制装置保证了激光器频率的高度稳定。

一第一激光器3和第二激光器4，所述第一驱动电路1和第二驱动电路2分别给第一激光器3和第二激光器4提供驱动控制，所述第一激光器3和第二激光器4为单纵模半导体激光器、单纵模光纤激光器、单纵模固体或气体激光器，单纵模的激光器以保证两激光器拍频后产生的信号为单频输出。所述第一激光器3和第二激光器4的中心波长相差在后叙的光电探测器7的响应带宽和后叙的频谱分析仪8的频率范围内，从而保证在频率分析仪8上可清楚的显示拍频后的信号。所述第一激光器3和第二激光器4的频率稳定度计算方法为：设第一激光器3和第二激光器4的瞬时频率分别为v1(t)和v2(t)，其光场分别为

E₁(v₁)＝A_c1cos(2πv₁t+φ₁)

E₂(v₂)＝A_c2cos(2πv₂t+φ₂)

式中A_c1和A_c2分别为两束光波的振幅，φ₁和φ₂分别是两光波的初相位，当这两束光(传播方向平行且重合)垂直入射到后叙的光电探测器6上时，总的光电场为

E(t)＝A_c1cos(2πv₁t+φ₁)+A_c2cos(2πv₂t+φ₂)

光电探测器6输出的合成振动正比于光强(光场的平方)，即输出的光电流为

$\begin{array}{c}{i}_p\≈I\∝E^2\left(t\right)={[E_1\left(v_1\right)+E_2\left(v_2\right)]}^2\\ =A_{c1}^2{\cos }^2(2\mathrm{\π}{v}_{1}t+{\mathrm{\φ}}_1)+A_{c2}^2{\cos }^2(2\mathrm{\π}{v}_{2}t+{\mathrm{\φ}}_2)\\ +A_{c1}{A}_{c2}\cos [2\mathrm{\π}(v_1+v_2)t+({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2)]+A_{c1}{A}_{c2}\cos [2\mathrm{\π}(v_1-v_2)t+({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_2)]\end{array}$

当拍频信号频率低于光电探测器6的截止频率时，即有光电流输出，即

i_p≈A_c1A_c2cos[2π(v₁-v₂)t+(φ₁-φ₂)]

由此可见，当两个光场同时入射到光电探测器6上时，其输出的光电流由直流项和差频振荡的交流项构成，且光电探测器6输出交流电压中心频率为两激光器的频差v₁-v₂。测试得到的频率稳定度包含了两个激光器的贡献，因为两激光器是两个独立的系统，对频率稳定度测量结果的贡献一样，因此其频率稳定度为Δv/2v₀。

利用Labview编制程序实时采集拍频后中心频率，并利用阿伦方差计算公式计算测试得到的数据，为了提高测量精度，采集时间间隔设置为1s，利用程序实时计算、显示和记录阿伦方差值，从而大大提高了工作效率。

将采集得到的每秒的拍频中心频率数据，利用阿伦方差公式计算得到频率漂移的方差值，公式如下：

${\mathrm{\δ}}_y^2=\frac{1}{2(m-1)f_0^2}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{f_{i=1}}-\stackrel{\‾}{f_i})}^2=\frac{1}{2(m-1)f_0^2}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_{i+1}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_i})}^2$

式中：m为采样样本数；f₀为激光器输出光波频率；Δf_i为采样得到的光频率波动。公式中定义的阿伦方差要求无限多次测量，测量组数m越大，则测量结果与真实值越接近，实际测量时的次数总是有限的，如果测量组数m太大，一方面数据处理的工作量也相对较大，另一方面测量过程将变得十分漫长。

一光纤耦合器5，光纤耦合器5的一输入端a与第一激光器3的输出尾纤连接，另一输入端b与第二激光器4的输出尾纤连接，所述的光纤耦合器5的分光比为50％/50％、20％/80％或10％/90％，光纤耦合器5的一输出端用来监测两激光器输出的光谱特性，从而判断其中心频率差是否在光电探测器6的响应带宽内；

一光电探测器6，该光电探测器6的尾纤与光纤耦合器5的一输出端c连接，所述的光电探测器6的响应带宽大于1.25GHz，小于20GHz；

一放大器7，该放大器7接收所述光电探测器6输出的光强电压信号，所述的放大器7是具有低噪声的前置放大器，经对拍频信号进行放大、滤波和除噪等；

一频谱分析仪8，该频谱分析仪8与该放大器7通过频谱分析仪上射频接口相连接，频谱分析仪8的RBW设置为小于激光器的线宽值；

一电脑9，该电脑9通过GPIB卡接收所述频谱分析仪8的数据，进行拍频信号的数据进行采集、控制和处理，所述的电脑9内嵌有基于Labview的拍频信号采集程序，用于对图2所示的拍频后的中心频率进行实时监测，设置扫描范围为100MHz，图2所示的中心频率为10.25GHz，拍频后产生的中心频率的峰值功率为-10dBm；

一光谱分析仪10，该光谱分析仪10与所述该光纤耦合器5的另一输出端d连接，所述的光谱分析仪10的精度为0.01nm，以精确的测量两激光器的中心波长差。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光器频率稳定度测试装置，包括：

一第一驱动电路和第二驱动电路，该第一驱动电路和第二驱动电路包括有温度控制装置；

一第一激光器和第二激光器，所述第一驱动电路和第二驱动电路分别给第一激光器和第二激光器提供的驱动控制；

一光纤耦合器，光纤耦合器的一输入端a与第一激光器的尾纤连接，另一输入端b与第二激光器的尾纤连接；

一光电探测器，该光电探测器的尾纤与光纤耦合器的一输出端c连接；

一放大器，该放大器接收所述光电探测器输出的光强电压信号；

一频谱分析仪，该频谱分析仪与该放大器相连接；

一电脑，该电脑通过GPIB卡接收所述频谱分析仪的数据，进行拍频信号的数据采集；

一光谱分析仪，该光谱分析仪与所述该光纤耦合器的另一输出端d连接。

2.根据权利要求1所述的激光器频率稳定度测试装置，其中所述第一激光器和第二激光器为单纵模半导体激光器、单纵模光纤激光器、单纵模固体或气体激光器。

3.根据权利要求2所述的激光器频率稳定度测试装置，其中所述第一激光器和第二激光器的中心波长相差在光电探测器的响应带宽和频谱分析仪的频率范围内。

4.根据权利要求1所述的激光器频率稳定度测试装置，其中所述的光纤耦合器的分光比为50％/50％、20％/80％或10％/90％。

5.根据权利要求1所述的激光器频率稳定度测试装置，其中所述的光电探测器的响应带宽大于1.25GHz。

6.根据权利要求1所述的激光器频率稳定度测试装置，其中所述的放大器是具有低噪声的前置放大器。

7.根据权利要求1所述的激光器频率稳定度测试装置，其中所述的电脑内嵌有基于Labview的拍频信号采集程序。

8.根据权利要求1所述的激光器频率稳定度测试装置，其中所述的光谱分析仪的精度为0.01nm，以精确的测量两激光器的中心波长差。

9.根据权利要求3所述的激光器频率稳定度测试装置，其中第一激光器和第二激光器的频率稳定度计算方法为：

将采集得到的每秒的拍频中心频率数据，利用阿伦方差公式计算得到频率漂移的方差值，公式如下：

${\mathrm{\δ}}_y^2=\frac{1}{2(m-1)f_0^2}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{f_{i=1}}-\stackrel{\‾}{f_i})}^2=\frac{1}{2(m-1)f_0^2}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_{i+1}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_i})}^2$

式中：m为采样样本数；f₀为激光器输出光波频率；Δf_i为采样得到的光频率波动。

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