CN1038274C - 多重标准具游标法及激光波长计 - Google Patents

Abstract

多重标准具游标法是用二个以上不同间隔的游标标准具同时测量其干涉花纹，在两个自由光谱区中用游标的节宽进行粗波长的递推测量。结合标准具的高精度波长相对测量即可确定入射激光的波长。

使用本方法的激光波长计的结构是：二块分束镜将入射激光束折成四束射到密封窗口，其上方有四个准直孔及多重游标标准具，在多重游标标准具外围有加热元件，其上方有测温探头和抽气孔，上方还有出射密封窗口和反射棱镜，在反射棱镜前后左右有四个探测器，上方有一观察窗口。

Description

多重标准具游标法及激光波长计

本发明涉及游标标准具测量激光波长的方法及其在激光波长计上的应用。

目前，连续可调谐激光器已广泛应用于各种科学实验与检测，其线宽一般可达1MH_z以下，可实现30～60GH_z宽度的连续单频扫描。根据这些特点，人们设计出各种激光波长计，其中Williams在1983年提出的以游标标准具为基础的激光波长计得到了较好的应用。

Williams的波长计是由两个部分组成的，其中精细波长测量部分为一游标标准具，它是由两个标准具常数相差5％的标准具组合而成，两个标准具的自由光谱范围分别为6.78GH_z和6.4GH_z，游标标准具节宽为150GH_z

游标标准具的节宽由下式定义：

Δν＝FSR₁·FSR₂/(FSR₁-FSR₂)

式中Δν是节宽，FSR₁是较长标准具的自由光谱范围值；FSR₂是稍短标准具的自由光谱范围值。

波长计的另一部分粗测波长部分采用旋光色散单色仪，在0.4～0.75μm波段范围内精度可达±75GH₂，这恰好与游标标准具的节宽相匹配。为了保证测量精度，石英晶条的温度变化范围必须控制在±0.03℃以内，其快速旋转的检偏计必须用良好的振动隔离器减震，以防影响游标标准具部分的测量精度，这使波长计的体积偏大。(约为300×200×200mm³)。

Williams的波长计结构见附图1，这种波长计已在相干公司的CR899-29环行腔染料——钛宝石自动扫描激光器上应用，其波长测量绝对精度为200MH_z，重复精度为50MH_z。

但这种波长计由于采用了单色仪或光谱仪作粗测波长装置，至使整个仪器体积大，结构复杂，降低了测量的可靠性。同时，由于单色仪的采用，使波长计的使用波段受到了限制，特别是对有极大应用前景的钛宝石激光波段0.7～1.08μm区域不能全部覆盖。

为了克服已有波长计的缺点，特作出本发明。

本发明的第一个目的，是为了克服已有波长计体积大，结构复杂，使用波段窄的缺点，提出一种多重标准具游标的方法；

本发明的第二个目的是提供一种使用多重标准具游标方法的激光波长计。

本发明方法是利用二个以上不同间隔的游标标准具，同时测量每一个标准具的干涉花纹，在两个自由光谱区中用游标的节宽进行粗波长的递推测量，结合标准具的高精度波长相对测量即可确定入射激光的波长。

本发明中的核心器件是多重游标标准具，三重游标标准具的结构如附图2所示，图中四个标准具支架的长度是根据激光扫描范围和节宽递推要求而设计的，材料选择零膨胀系数的微晶玻璃或熔石英玻璃。其一端与A、B、C、D四块半透半反射镜胶合在一起，另一端与一块半透半反射镜E胶合在一起，组合成三重游标标准具。作为实例：第一重游标标准具节宽设计为150GH_z，第二重为1500GH_z，第三重设计为15000GH_z，标准具的FSR选择为6.8GH_z左右，四个标准具支架长度分别为23.00、22.90、22.00、21.99毫米。

使用本发明方法的激光波长计，其结构如附图3所示：

第一分束镜(11)将激光分成两束入射在第二分束镜(12)上，再形成四束光射到入射密封窗(10)上，在入射密封窗(10)的上方，有四个准直孔(9)，多重游标标准具(8)在准直孔(9)的上方，其外围有加热元件(7)，加热元件(7)上方有测温探头(6)和抽气孔(5)，在其上方有出射密封窗口(4)和反射棱镜(2)，在反射棱镜(2)的前、后、左、右有四个探测器(3)，反射棱镜(2)的上方有一观察窗(1)。

光电探测器将入射的光信号转换成电信号，电信号经放大和多路模拟转换开关后由一高精度除法器进行功率归一运算，运算结果经模数转换器转换成数字量，储存在内存中备用。模数转换器的工作与激光波长扫描同步进行。在二个自由光谱范围的扫描完成后计算机自动进行滤波递推等运算，最后输出所测波长，由显示器显示，电路图见附图4。温控电路将标准具恒温在50℃±0.03的温度上，保证了标准具常数的稳定性。

当用游标标准具测量可调谐激光器波长时，先让激光频率扫描两个标准具自由光谱范围由测量电路得到如附图5所示的标准具干涉条纹，如果标准具自由光谱范围事先精确标定，则激光波长可由下式给出：

ν＝N·FSR+Δν    (1)

Δν为待测光波长和邻近的标准具透射峰的距离，N为标准具级，ν为待测光波长。

准确的N值可由测量得到的二相邻峰间距W前级波长粗测值ν^*，以及事先精确标定的标准具的自由光谱范围FSR₁、FSR₂由标准具方程推得。为使N值准确，必须有下面两个条件成立：

1.W的测量误差小于两标准具自由光谱范围差值的二分之一，即：

Derror＜1/2(FSR₁-FSR₂)    (2)

2.前级粗测波长值的测量误差小于游标标准具节宽的1/2，即： ${\mathrm{\&nu;}}_{\mathrm{error}}^{*}<1/2\mathrm{FS}{R}_1\&CenterDot;{\mathrm{FSR}}_2/{\mathrm{FSR}}_1-{\mathrm{FSR}}_2-----\left(3\right)$

对于标准具，W的测量误差一般为一个标准具自由光谱范围的五十分之一到百分之一，FSR的典型值6.8GH_z。

当我们用减小(FSR₁-FSR₂)的方法增加游标标准具的节宽时，条件1不再能满足，N值不能精确确定，由(1)式确定的激光波长会引入一个较大的误差，其值为： ${\mathrm{\&nu;}}_{\mathrm{error}}=\mathrm{Int}[2{\mathrm{\&nu;}}_{\mathrm{error}}^{*}/({\mathrm{FSR}}_1-{\mathrm{FSR}}_2)]{\mathrm{FSR}}_1-----\left(4\right)$

Int表示取计算值的整数部分

多重标准具游标法就是先设计出能准确确定出标准具级次N值的第一重游标标准具，两标准具的FSR的差值满足条件1，此时，它要求测量精度ν^* _error小于二分之一游标标准具级宽的波长测量值与之相配。第二重游标标准具让两标准具的FSR值减小，使游标标准具节宽增加，同时使得由(4)式得出的激光波长的测量误差正好和第一重游标标准具所要求的测量精度相匹配，依此类推，直至游标标准具的节宽宽度达到所期望的值。

本发明方法的优点在于：

克服了单个标准具和单重游标标准具只能进行小范围波长相对测量的缺陷。

本发明装置的优点在于：

1.使高精度测量可调谐激光器波长的装置小型化，波长计光学头的体积可缩小到φ80mm长100mm的柱形之内，这对发展中的集成化激光光谱仪有特别重要的意义；

2.不需要使用运动部件，因此结构稳定

3.使得波长计结构简单，操件方便，测量结果更加稳定可靠；

4.测量波段不再受限制，用光二极管探测光信号，测量波段可覆盖0.2～1.2μm，这对可调谐钛宝石激光器尤其有意义。

附图及其说明

附图1是Williams波长计的结构图

图中：1-1.机架转动方向；1-2，二级分束镜；1-3.光电探测器；1-4.光电探测器；1-5.差分标准具；1-6.全反射镜；1-7.转速控制器；1-8，激光器前端面板；1-9.反射镜；1-10.探测器；1-11.出射光束；1-12.旋转起偏器；1-13.差分旋光晶体；1-14.差光束偏振方向示意；1-15，前级分束镜；1-16.机架转动方向；1-17.罩。

附图2是多重游标标准具结构图

图中：A、B、C、D为四块半透半反射镜，

E是半透半反射镜，

F是标准具支架

附图3是激光波长计结构图，图中：

(1)——观察窗口    (2)——光反射棱镜

(3)——探测器      (4)——出射密封窗口

(5)——抽气孔      (6)——测温探头

(7)——加热元件    (8)——多重游标标准具

(9)——准直孔      (10)——入射密封窗口

(11)——第一分束镜 (12)——第二分束镜

(13)——探测器

图(4)波长计电路框图

图(5)标准具花纹图

实施例：

依照本发明方法对CR899-29激光器作一台激光波长计，用于激光器输出波长的测量，并对激光器10TH_z范围内的自动扫描进行控制。为保证标准具测量波长准确，标准具支架用热稳定性好的微晶玻璃制成并恒温置于真空室内，标准具工作镜面镀反射率为70％的多重宽带介质膜，波长计测量范围为0.4～1.1μm，波长计的多重游标标准具的最大节宽为500cm^-1，只要根据激光腔内使用的腔镜和双折射滤波片的旋转位置，即可知道激光波长值的范围，由此精确确定激光波长一般在一次实验过程中，不需要多次输入激光波长范围  波长计最后重复测量精度好于±50MH_z，绝对精度好于±200MH_z。

Claims (3)

1.一种使用差分标准具的多重标准具游标方法，其特征在于，用二个以上不同间隔的游标标准具，同时测量每个标准具的干涉花纹，在二个自由光谱区中用游标的节宽进行粗波长的递推测量，结合标准具的高精度波长相对测量即可确定入射激光的波长。

2.一种由分束镜、探测器等组成的使用多重标准具游标法的激光波长计，其特征在于，该波长计的入射密封窗(10)的上方有四个准直孔(9)，多重游标标准具(8)在准直孔上方，其外围有加热元件(7)，在多重游标标准具(8)和加热元件(7)的上方有测温探头(6)和抽气孔(5)，在其上方有出射密封窗口(4)，在出射密封窗口(4)的上方有反射棱镜(2)，在反射棱镜(2)的前后左右，分别有四个探测器，在反射棱镜(2)的上方有一观察窗口(1)。

3.如权利要求2所述的激光波长计，其特征在于，所述多重游标标准具(8)，是由一端与A、B、C、D四块半透半反镜胶合在一起，另一端与一块半透半反镜E胶合在一起的四个长度有特定差值的标准具支架构成的。

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