CN105300531A - 一种新型基于磁致旋光效应的波长计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型基于磁致旋光效应的波长计，主要用于测量脉冲激光或连续激光的波长，其特征在于：由待测激光器、准直器、起偏器、磁光晶体、永久磁铁、偏振分束器、温度控制系统、平衡光电探测器和采集与分析系统组成。待测光通过准直器依次进入起偏器、磁光晶体和偏振分束器，根据磁致旋光效应，在磁光晶体中待测光的偏振态偏转一个与波长相关的角度，偏振分束器出射的两束光通过保偏光纤进入到平衡光电探测器。本发明的基于磁致旋光效应的波长计在原理上独特、新颖，在装置上不需要机械活动部件和参考激光器，可测量脉冲光，抗振性好、体积小、成本低，使用全光纤，光路简洁，准直性好。

Description

一种新型基于磁致旋光效应的波长计

技术领域

本发明涉及一种波长计，特别是一种新型基于磁致旋光效应的对激光波长实时测量的波长计。

背景技术

波长计用于激光波长的测量，某些激光器，如可调谐可以利用其调谐机构在很宽的波长范围内调节其输出光的波长，半导体激光器则在改变其工作温度和驱动电流时，其输出光的波长会发生改变，使用时应事先确定在适合的工作条件下的输出波长，大多数激光器在出厂和维修以后也必须对其输出波长进行重新标定。激光波长作为测量最基准值，是激光器性能测试的一项重要参数，被广泛应用于多种物理参数的测量，是精密计量、精密机械的重要测量参数，其在光频标研究领域中有着重要的作用。

干涉法是目前最广泛使用的测量激光波长的技术，基于干涉原理的波长计按干涉仪的结构分为斐索干涉型、法布里-泊罗干涉型和迈克尔逊干涉型。

文献王利强、左爱斌和彭月祥“光波长测量仪器的分类、原理及研究进展”(科技导报，2005，23(6)：31-33)说明了迈克尔逊干涉型波长计是基于迈克尔逊干涉原理，通过对比参考光和待测光的干涉条纹数量来测量待测光波长。待测光首先被分光镜分为两束光，接着通过移动导轨上的反射镜改变两束光的光程差，两束光汇合于分光镜的一点发生干涉，产生干涉条纹。为了消除反射镜移动距离L引起的测量误差，通常引入一个波长已知并且相对更稳定的激光作为参考光。参考光经过的光路与待测光保持一致，但由于波长不同，产生的干涉条纹数量是不一样的，当反射镜移动距离L时，参考激光产生的条纹数量为待测激光产生条纹数这样就得到待测光波长通过引入参考激光，迈克尔逊干涉型波长计的测量精度可以达到10^-6-10^-9，但是在成本和使用范围方面还有诸多不足：(1)参考激光一般选用单纵模的He-Ne激光器，其成本较高，寿命有限，费护成本高；(2)迈克尔逊干涉型波长计的精度受参考光与待测光光路准直度的影响，当振动、温度变化或部件老化使待测光和参考光的夹角过大，将引起二波长的行程误差，最终导致测量误差变大；(3)受原理所限，迈克尔逊干涉仪必须通过移动反射镜来产生干涉条纹亮暗变化，而机械运动部件的存在使得测量速度受到限制(较快的约200HZ，约5ms)，在一个激光脉冲持续的瞬间，棱镜几乎是静止的，读不到干涉条纹的变化，现有技术水平不能够测量窄脉冲光(ns量级)；(4)由于机械部件受温度和振动影响大，不宜在环境复杂的工作场所使用。

文献张铁军、陈方和许凤明“利用Fizeau干涉仪测量激光波长”(光学机械，1989，1，26-30)说明了斐索干涉型波长计是基于斐索干涉原理，斐索干涉的基本原理是光入射到楔形平板上，然后由楔形平板的两个不平行平面反射产生等厚干涉。斐索干涉型波长计中的斐索干涉仪一般由两个熔融石英光学平板和一楔形隔圈胶合而成，通过固定干涉腔两个内表面的间距和锲角，对斐索干涉仪的干涉条纹的宽度及初始相位进行测量来获得待测光波长。在光电二极管列阵上干涉图给定点的光强取决于从两表面反射的两光线投射在该点的相位差，该相位差是光由第二个表面反射所增加的光程。相位差引起的强度分布可表示为：干涉图周期φ为y＝0处的相位，锲角θ和斐索劈间距x₀已知，通过测量干涉条纹的周期可得到波长近似值，在光电二极管列阵上可获取零像元距第一个极小值间的距离PH，得到第一极小处的干涉级次N，最终可精确得到待测波长值。但是锲角θ和斐索劈间距x₀都会受温度影响，所以一般采用相对测量方法，即每次测量前用可精确知道波长的He-Ne激光对仪器x₀和θ进行修正。同样需要内置参考光源，因此仍存在成本高、寿命有限、需要设备费护等问题。

法布里-泊罗干涉型波长计是利用光束通过两块镀以高反射率、间距一定的玻璃板时产生多光束干涉的现象来测量脉冲或连续激光器的输出波长，同样也需要在F-P标准具测量系统中引入波长已知的参考光，对测量系统的参数校准。

迈克尔逊干涉型波长计相对于另外两种波长计具有更高的测量精度，在目前商用激光波长计中占有重要地位。但这几种波长计都需要参考激光器，因此在设备体积，复杂环境适用性，以及设备与费护成本上不占有优势。

发明内容

本发明的目的：在于提供一种新型基于磁致旋光效应的波长计，该波长计结构简单，不需要参考激光，体积小，能高速实时测量激光的波长。

本发明创造通过以下技术方案实现：

本发明由待测激光器(1)、准直器(2)、起偏器(3)、磁光晶体(4)、永久磁铁(5)、偏振分束器(6)、温度控制系统(7)、平衡光电探测器(8)、采集和分析系统(9)组成，上述各部分连接关系如下：

激光器发出的待测光经准直器进入到一个起偏器，继续向前传输经过磁光晶体，进入到偏振分束器，经偏振分束器出射振动方向正交的o光、e光，这两束光通过保偏光纤进入到平衡光电探测器，其光功率分别由平衡光电探测器的两个探测端探测，电脑对探测器接收到的数据读取和记录，并对数据进行分析和处理，温度控制系统保证起偏器、磁光晶体和偏振分束器温度稳定。

所述的激光器为波长未知的激光器，可以是连续激光器或脉冲激光器。

所述的起偏器件可以使入射激光变为振动方向与起偏器起偏方向一致的线偏振光，例如为由两块方解石直角棱镜胶合而成的格兰-汤普森棱镜和格兰-付科棱镜。

所述的磁光晶体使线偏振光的偏振面旋转一个与待测光波长相关的角度，例如磁光性能较好的钇铁石榴石和掺铋稀土铁石榴石晶体。

所述的永久磁铁对磁光晶体施加与待测光传播方向平行的磁场，通过磁致旋光效应使光在磁光晶体中传播时偏振态发生偏转，偏转的方向只与磁场方向和磁光晶体材料有关，与光的传播方向无关。

所述的偏振分束器使入射的线偏振光分为振动方向正交的o光、e光，例如由两块底面相同的方解石直角棱镜其光轴正交地胶合而成的渥拉斯顿棱镜，偏振分束器的第一块三角棱镜的主轴方向与所述的起偏器的起偏方向夹角为45度。

所述的温度控制系统可以控制起偏器、磁光晶体、分束器温度稳定，例如使用半导体帕尔贴效应的制冷制热片和热敏电阻等构成的负反馈闭环控制系统，采用PID算法进行精确控温。这样激光偏振态的偏转角度就只与波长有关，消除了温度对测量精度的影响。

所述的平衡光电探测器内置两路通道，使用两个波长光电转换参数一致的光电二级管进行光电转换。

所述的采集与分析系统包含数据采集装置和数据分析程序，对平衡光电探测器探测的功率进行读取、记录和数据处理，获得待测激光的波长λ。

本发明专利的工作原理是：利用晶体的磁致旋光效应，也称为法拉第旋转效应，即一束线偏振光沿外加磁场强度方向或磁化方向通过磁光晶体(介质)时偏振面会发生旋转，这是具有磁矩的介质与电磁波的电场和磁场相互作用的结果，且其旋转的角度与外加磁场和入射的光波长有关。在所有磁光效应中，介电常量张量ε的变化均与介质磁化强度M密切相关，对于对称性高于正方的晶系，各个分量可以表示为

$\mathrm{\ϵ}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ϵ}}_x& \mathrm{i\δ}& 0\\ -\mathrm{i\δ}& {\mathrm{\ϵ}}_x& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right]---\left(1\right)$

入射的线偏振光

$\left\{\begin{array}{c}E=E_0{e}^{t(k\·r-\mathrm{\ωt})}=E_0{e}^{\mathrm{t\ω}(\frac{n}{c}s\·r-t)}\\ H=H_0{e}^{t(k\·r-\mathrm{\ωt})}=H_0{e}^{\mathrm{t\ω}(\frac{n}{c}s\·r-t)}\end{array}\right.---\left(2\right)$

波矢k＝nwc^-1s，s为波矢方向的单位矢量，将(2)代入(1)并结合麦克斯韦方程可得

$\left[\begin{array}{ccc}{n}^2(1-{\mathrm{\α}}^2)-{\mathrm{\ϵ}}_x& {-n}^2\mathrm{\α\β}-\mathrm{i\δ}& {-n}^2\mathrm{\α\γ}\\ {-n}^2\mathrm{\α\β}+\mathrm{i\δ}& n^2(1-{\mathrm{\β}}^2)-{\mathrm{\ϵ}}_x& {-n}^2\mathrm{\β\γ}\\ {-n}^2\mathrm{\α\γ}& {-n}^2\mathrm{\β\γ}& n^2(1-{\mathrm{\γ}}^2)-{\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\\ E_z\end{array}\right]=0---\left(3\right)$

式中α、β和γ分别表示波矢k相对于x、y和z轴的方向余弦。简化得：

$n^4({\mathrm{\ϵ}}_x{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ϵ}}_x{\mathrm{\β}}^2+{\mathrm{\ϵ}}_z{\mathrm{\γ}}^2)-n^2[({\mathrm{\ϵ}}_x^2-{\mathrm{\δ}}^2)({\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2)+{\mathrm{\ϵ}}_x{\mathrm{\ϵ}}_z({\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2+{2\mathrm{\γ}}^2)]+{\mathrm{\ϵ}}_z({{\mathrm{\ϵ}}_x}^2-{\mathrm{\δ}}^2)=0---\left(4\right)$

由上式可以得出折射率n，其中(3)和(4)是描述各种磁光效应的基础。在波矢k与磁化强度M平行的情形下，即M//z方向，则α＝β＝0，γ＝1。若光在各向同性介质中传播，则ε_x＝ε_y＝ε_z＝ε，代入得

$n_{\±}^2=\mathrm{\ϵ}\±\mathrm{\δ}---\left(5\right)$

$E_y=\stackrel{-}{+}i{E}_x--\left(6\right)$

与n₊对应的E_y＝-iE_x为右旋圆偏振光，与n_-对应的E_y＝iE_x为左旋圆偏振光。由此可见，当线偏振光进入磁光晶体后，被分解为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，左、右旋圆偏振光以不同的相速度在晶体中向前传输。在晶体中传输距离L后，出射后它们之间仅存在相位差，从而合成的仍为线偏振光(左右旋圆偏振光合成的结果永远为一线偏振光)，但振动方向旋转了θ角。该效应本质上是与介质的磁化强度M相联系的，在没有外加磁场时，许多磁性介质中的原子或离子磁矩是混乱排列的，M很小甚至为0，法拉第旋转一般都很小，所以在该应用中需要外加磁场。法拉第旋转θ与外加磁场H_e的关系：

θ＝V_PLH_e(7)

其中L为光在磁性介质中通过的距离，V_P为费尔德常数(Verdetconstant)。

大部分磁性介质中的费尔德常数V_P具有温度特性和色散特性，即V_P∝g(t，λ)，而我们要研究的是波长与偏振光旋转角度的关系，所以本发明中采取温控系统来控制系统温度稳定，最后得到的偏转角度只是波长的函数，即V_P∝φ(λ)。本发明中，待测光经过一起偏器后变为振动方向与起偏器起偏方向一致的线偏振光，再经过外加永磁铁的、长度已知的磁光晶体，其振动面偏转一定的角度，对于不同的磁光晶体，其振动面的偏转方向不同，偏转方向只与磁场方向和晶体材料有关，而与光的传播方向无关，习惯上规定，当振动面旋转的绕向与磁场方向满足右手螺旋关系时叫左旋，此时费尔德常数V_P＞0；反之，则称为右旋，V_P＜0，根据磁致旋光效应，通过检测光偏转的角度可以得到对应的光波长。从磁光晶体出射的光经过一偏振分束器后分成振动方向正交的o光和e光，由平衡光电探器检测这两束光的光功率P_X、P_Y，本发明采用起偏器的起偏方向与偏振分束器的第一块三角棱镜的主轴方向夹角为45度，则待测光振动方向偏转角度为：

$\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\arcsin \frac{P_X-P_Y}{P_X+P_Y}---\left(8\right)$

因此其中t为磁光晶体温度，在加入温控系统的情况下可看做常量。磁场强度He、晶体长度L是一定的，要得到波长需要知道λ与P_X、P_Y的关系，需要使用已知波长的激光来进行拟合，建立起λ与之间的对应关系，对于待测激光，我们可以根据其关系曲线读出对应的波长值，这样就实现了基于磁致旋光效应的波长测量。

本发明的有益效果在于：

1、本发明不需要参考激光器，结构简单、体积小、低成本；本发明也不存在参考激光器的后期维护等问题，使用寿命长，维护成本低。

2、本发明不需要机械活动部件，抗震性能好，可用于工作环境较为复杂的场所。

3、本发明使用全光纤光，光路简洁，准直性好。部件间采用胶粘剂牢固粘接，光路稳定，不需要调整。

4、本发明能对激光器发出的光进行实时测量，测量速度快，可对脉冲光进行测量，其测量速度只取决于后端光电探测器的带宽，而迈克尔逊干涉型波长计由于机械运动部件的存在使得测量速度受到限制，不能测量窄脉冲激光。

附图说明

图1是本发明的基于磁致旋光效应波长计的结构框图。

图2是磁致旋光效应的原理示意图。

图3是本发明的基于磁致旋光效应波长计中待测光的偏转示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，包括待测激光器(1)、准直器(2)、起偏器(3)、磁光晶体(4)、永磁铁(5)、偏振分束器(6)、温度控制系统(7)、平衡光电探测器(8)和采集与析系统(9)。

结合图2和图3描述本发明的具体实施方式和光偏振态的改变过程，本发明中，待测激光器(1)发出的光经过准直器(2)准直进入起偏器(3)，起偏器的起偏方向为图3所示y方向，出射的光具有与起偏器一直的偏振方向；再进入磁光晶体(4)，永磁铁(5)产生与光传播方向平行的磁场，待测光的偏振态发生偏转，偏转的角度为θ，光振动方向变为图3中的z方向，图2可更形象地给出待测光在经过磁光晶体时的偏振态的变化过程；振动方向为z方向的光进入到偏振分束器(6)分成振动方向正交的o光、e光，其振动方向分别为图2中的o、e方向，o、e方向分别是偏振分束器的两块三角棱镜的主轴方向，其中第一块三角棱镜的主轴方向与起偏器的起偏方向夹角成45度；从偏振分束器出射的两束光分别入射到平衡光电探测器(8)的两个探测端口中；由采集与分析系统(9)对平衡光电探测器(8)探测到的光功率分别进行读取和记录，进行数据处理，得到待测激光器(1)的波长。

Claims (6)

1.一种新型的基于磁致旋光效应的波长计，其特征在于：由待测激光器(1)、准直器(2)、起偏器(3)、磁光晶体(4)、永磁铁(5)、偏振分束器(6)、温度控制系统(7)、平衡光电探测器(8)和采集与分析系统(9)组成，上述各部分的位置关系如下：

待测激光器(1)发出的光经过准直器(2)准直进入起偏器(3)，出射光偏振态与起偏器起偏方向一致，再进入到外加永磁铁(5)的磁光晶体(4)，由于磁致旋光效应，待测光的偏振态发生偏转，偏转后的光进入到偏振分束器(6)分成振动方向正交的o光和e光，这两束光分别入射到平衡光电探测器(8)的两个探测端口，采集与分析系统(9)对平衡光电探测器(8)探测到的光功率分别进行读取和记录，进行数据处理，得到待测激光器(1)的波长，温度控制系统(7)控制起偏器(3)、磁光晶体(4)和偏振分束器(6)温度稳定。

2.根据权利要求1所述的新型的基于磁致旋光效应的波长计，其特征在于所述的起偏器(3)为由两块方解石直角棱镜胶合而成的格兰-汤普森棱镜或格兰-付科棱镜。

3.根据权利要求1所述的新型的基于磁致旋光效应的波长计，其特征在于所述的磁光晶体(4)为钇铁石榴石或掺铋稀土铁石榴石晶体。

4.根据权利要求1所述的新型的基于磁致旋光效应的波长计，其特征在于所述的永久磁铁(5)对所述的磁光晶体(4)施加与待测光传播方向平行的磁场。

5.根据权利要求1所述的新型的基于磁致旋光效应的波长计，其特征在于所述的偏振分束器(6)是由两块底面相同的方解石直角棱镜其光轴正交地胶合而成的渥拉斯顿棱镜，其中偏振分束器(6)的第一块三角棱镜的主轴方向与所述的起偏器(3)的起偏方向夹角为45度。

6.根据权利要求1所述的新型的基于磁致旋光效应的波长计，其特征在于所述的平衡光电探测器(7)内置两路通道，使用两个波长光电转换参数一致的光电二级管进行光电转换。