CN108709717A - 一种利用大振幅激光自混合振动信号测量多纵模激光器谐振腔fsr的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种利用大振幅激光自混合振动信号测量多纵模激光器谐振腔FSR的装置及方法，装置包括多纵模激光器、振动目标、传动机构、电机、信号发生器、分束器、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元，多纵模激光器出射激光到振动目标上，通过信号发生器、电机、传动机构使振动目标进行直线往复运动，振动目标在直线往复运动的同时接收多纵模激光器出射的激光并将激光反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合振动信号，分束器将自混合信号分束到光电探测器上，光电探测器输出端依次连接信号预处理单元和信号处理单元；本发明能够实现非接触实时高精度测量，测量装置结构简单，测量响应速度快且测量精度较高。

Description

一种利用大振幅激光自混合振动信号测量多纵模激光器谐振 腔FSR的装置及方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种利用大振幅激光自混合振动信号 测量多纵模激光器谐振腔FSR的装置及方法。

背景技术

激光器因其固有的高亮度、高单色性、高方向性和高相干性等优良特性，在 医疗、通讯、工业以及国防等领域应用得到广泛应用。激光器谐振腔作为激光器 的核心部件，对其进行健康监测是维护激光器良好运转的重要环节。由于影响激 光器谐振腔健康程度的指标主要包括激光器谐振腔自由光谱区(简称FSR)和激 光器谐振腔腔体温度，因此在激光器运转过程中，对激光器谐振腔FSR和激光器 谐振腔腔体温度的监测显得尤为重要。

传统的测量激光器谐振腔FSR的方法主要包括以下两种：

1.利用光谱仪直接观测纵模间距的方法，但该方法受制于光谱仪波长分辨 率，存在测量分辨率和灵敏度较低且测量精度不高、价格昂贵等问题；

2.结合扫描FP以及MZ干涉仪和频谱仪测量FSR的方法，但该方法不仅需要 结合大型仪器设备，而且易受到PD带宽的限制，测量系统结构复杂，成本较高。

因此，上述传统的测量激光器谐振腔FSR的方法不利于普遍推广应用，不太 适合作为一种监测FSR的普适测量方法。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种适用于多纵模激光器的利用大振幅 激光自混合振动信号测量多纵模激光器谐振腔FSR的装置及方法。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：

一种利用大振幅激光自混合振动信号测量多纵模激光器谐振腔FSR的装置， 包括多纵模激光器、振动目标、传动机构、电机、信号发生器、分束器、光电探 测器、信号预处理单元和信号处理单元；

所述多纵模激光器为待测激光光源，出射激光到振动目标的受光面上；

所述振动目标的受光面上附着有反馈结构，底部固定于传动机构上；

所述电机由信号发生器驱动，所述电机通过传动机构带动振动目标进行直线 往复运动，所述直线往复运动所在直线与出射激光平行，直线往复运动的振幅大 于多纵模激光器谐振腔体长度所对应光程的二分之一；

所述振动目标在直线往复运动的同时接收多纵模激光器出射的激光并通过 反馈结构反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合振动信号；

所述分束器设置于多纵模激光器与振动目标之间的光路上，用于将激光自混 合振动信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光自混合振动信号转化为电信号后发送 到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理至少包 括整形、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得激光器FSR 测量结果。

作为优选，所述信号发生器输出正弦波或者锯齿波。

作为优选，所述传动机构包括滑块、丝杠和滑轨，所述振动目标底部固定于 滑块上，所述电机通过丝杠驱动滑块沿滑轨往复运动，进而带动振动目标直线往 复运动。

作为改进，所述分束器与振动目标之间的光路上设置有光衰减器。

作为优选，所述信号处理单元为计算机或者示波器。

作为优选，所述反馈结构由具有反射或者散射特性的材料制成。

作为优选，所述反馈结构为反射平面镜、反射膜、纸或者金属片。

基于上述利用大振幅激光自混合振动信号测量多纵模激光器谐振腔FSR的 装置的多纵模激光器谐振腔FSR测量方法，具体步骤包括：

电机由信号发生器驱动，电机通过传动机构带动振动目标进行直线往复运 动，直线往复运动所在直线与多纵模激光器出射激光平行，直线往复运动的振幅 大于多纵模激光器谐振腔体长度所对应光程的二分之一，与此同时，多纵模激光 器作为待测激光光源，出射激光到振动目标上，出射激光经反馈结构反馈回多纵 模激光器谐振腔内形成激光自混合振动信号，从而形成在不同激光器外腔长度下 的激光自混合振动信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混 合振动信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合振动信号进行预处理，最后 利用信号处理单元对预处理后的激光自混合振动信号进行分析，即可得出激光器 谐振腔的FSR，具体分析方法如下：

基于多纵模的激光器的激光自混合振动信号，认为不同激光器不同纵模仅和 自身模式发生干涉，因此最终形成的激光器自混合振动信号可以认为是各自纵模 形成的激光自混合振动信号的强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，能够进一 步获得多纵模激光器自混合振动信号强度为：

式(2)中：I₀表示初始光强，β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示 多纵模激光器中第j个纵模模式，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，k_0j表示 真空中j模式的波数，n₀表示外腔折射率，L_ext(t)表示实时外腔长；

当外腔折射率n₀＝1时，

式(3)中：ω₀表示激光的角频率，c表示真空中的光速，FSR表示激光器谐振 腔自由光谱区；

因此，可得

如果要使不同模式激光自混合振动信号叠加不存在波形分立，需要各个模式 单独的波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍；

在外腔振动目标振动过程中，t₁时刻产生完整激光自混合振动信号时，外腔 长度应满足下式：

式(5)中：m为激光器的外腔模式级数，为正整数；继续振动过程中，瞬时外 腔长度随时间发生变化时，不同纵模激光自混合振动信号不再等相位，会产生波 形分立现象，直到t₂时刻激光自混合振动信号再次产生完整波形且t₂时刻振动目 标的运动方向与t₁时刻振动目标的运动方向一致时，t₂时刻的外腔长度应满足下 式：

相邻两次完整波形产生的时间差为Δt，Δt＝t₁-t₂；

因此，多纵模激光器的谐振腔FSR可表示为：

式(7)中：L_ext(Δt)为从t₁时刻到t₂时刻时间段内的外腔变化量，通过测量L_ext(Δt)， 即可进一步获得多纵模激光器谐振腔的FSR。

作为优选，测量L_ext(Δt)的方法为：测量相邻两次完整波形产生的时刻差Δt， 结合信号发生器的驱动信号和振动目标随驱动信号的位移响应，可获得Δt时间 段内的外腔变化量L_ext(Δt)，具体计算公式如下：

式(8)中：F₁(t)为信号发生器产生的驱动信号函数，F₂(t)为振动目标位移对驱 动信号的响应函数。

作为优选，测量L_ext(Δt)的方法为：当t₁时刻获得完整波形时开始记录激光 自混合振动信号条纹数，到t₂时刻再度出现完整激光自混合振动信号时波形截 止，通过获得的条纹数目N和多纵模激光器出射激光的波长λ，可获得Δt时间 段内的外腔变化量L_ext(Δt)，具体计算公式如下：

式(9)中：N为产生相邻两次完整波形过程中所产生的条纹数目，λ为多纵模 激光器出射激光波长。

从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

1本发明能够实现非接触实时高精度测量；

2本发明测量装置结构简单，调节光路方便，成本较低；

3.本发明测量响应速度快，可快速实时跟踪激光器谐振腔FSR的实时变化；

4.本发明无需额外的位置测量工具，且测量精度较高。

附图说明

图1是本发明的测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的仿真模拟结果示意图；

图3是本发明实施例的仿真模拟结果示意图；

图4是本发明实施例的仿真模拟结果示意图；

图5是本发明实施例的仿真模拟结果示意图。

具体实施方式

结合图1至图5，详细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利 要求做任何限定。

自混合干涉技术是一项精密测量技术，由于其系统结构简单、紧凑且易准直 而被用于高灵敏和高精确的非接触测量。该技术已得到较广泛的研究和应用，主 要应用在物体运动相关物理量(例如：振动，位移，速度和应力等)的传感测量 与激光器相关参数(例如：线宽展宽因子α和反馈水平因子C)的测量等。

激光器一般由光学谐振腔、增益介质和激励源组成。其中激光器谐振腔自由 光谱区与FP腔标准具自由光谱区定义一致，FSR一般用Δν表示。激光器谐振腔 的FSR表达式为：

FSR＝Δν＝c/2n_gL_in (1)

式(1)中：L_in是激光器谐振腔腔长，n_g是谐振腔内介质的群折射率，c是真空 中的光速。

基于自混合干涉技术，本发明提供一种利用大振幅激光自混合振动信号测量 多纵模激光器谐振腔FSR的装置及方法。

如图1所示，测量装置包括多纵模激光器1、振动目标2、传动机构、电机 3、信号发生器4、分束器5、光电探测器6、信号预处理单元7和信号处理单元 8，传动机构包括滑块9、丝杠10和滑轨11；

多纵模激光器1为待测激光光源，出射激光到振动目标2的受光面上；

振动目标2的受光面上附着有反馈结构12，底部固定于滑块9上；

电机3由信号发生器4驱动，电机3通过丝杠10驱动滑块9沿滑轨11往复 运动，进而带动振动目标直线往复运动，直线往复运动所在直线与出射激光平行， 直线往复运动的振幅大于多纵模激光器1谐振腔体长度所对应光程的二分之一；

振动目标2在直线往复运动的同时接收多纵模激光器1出射的激光并通过反 馈结构12反馈回多纵模激光器1谐振腔内，形成激光自混合振动信号；

分束器5设置于多纵模激光器1与振动目标2之间的光路上，用于将激光自 混合振动信号分束到光电探测器6上；

光电探测器6用于将接收到的激光自混合振动信号转化为电信号后发送到 信号预处理单元7；

信号预处理单元7用于对接收到的电信号进行预处理，预处理至少包括整 形、滤波；

信号处理单元8用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得激光器FSR 测量结果。

上述装置中：

1.信号发生器可以输出正弦波或者锯齿波。

2.信号处理单元可以为计算机或者示波器

3.当多纵模激光器采用半导体激光器时，可以选择集成有PD的多纵模半导 体激光器，即将装置中的光电探测器集成于多纵模激光器内，此时，分束器可以 取消设置。

4.反馈结构由具有反射或者散射特性的材料制成，具体可以采用反射平面 镜、反射膜、纸、金属片等。

基于激光自混合理论模型，利用上述测量装置，对多纵模激光器谐振腔的 FSR进行测量，具体方法如下：

电机3由信号发生器4驱动，电机3通过传动机构带动振动目标2进行直线 往复运动，直线往复运动所在直线与多纵模激光器出射激光平行，直线往复运动 的振幅大于多纵模激光器谐振腔体长度所对应光程的二分之一，与此同时，多纵 模激光器1作为待测激光光源，出射激光到振动目标2上，出射激光经反馈结构 12反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合振动信号，从而形成在不同激 光器外腔长度下的激光自混合振动信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长 度下的激光自混合振动信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合振动信号进 行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合振动信号进行分析， 即可得出激光器谐振腔的FSR，具体分析方法如下：

基于多纵模的激光器的激光自混合振动信号，认为不同激光器不同纵模仅和 自身模式发生干涉，因此最终形成的激光器自混合振动信号可以认为是各自纵模 形成的激光自混合振动信号的强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，能够进一 步获得多纵模激光器自混合振动信号强度为：

式(2)中：I₀表示初始光强，β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示 多纵模激光器中第j个纵模模式，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，k_0j表示 真空中j模式的波数，n₀表示外腔折射率，L_ext(t)表示实时外腔长；

当外腔折射率n₀＝1时，

式(3)中：ω₀表示激光的角频率，c表示真空中的光速，FSR表示激光器谐振 腔自由光谱区；

因此，可得：

如果要使不同模式激光自混合振动信号叠加不存在波形分立，需要各个模式 单独的波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍；

在外腔振动目标振动过程中，t₁时刻产生完整激光自混合振动信号时，外腔 长度应满足下式：

式(5)中：m为激光器的外腔模式级数，为正整数；继续振动过程中，瞬时外 腔长度随时间发生变化时，不同纵模激光自混合振动信号不再等相位，会产生波 形分立现象，直到t₂时刻激光自混合振动信号再次产生完整波形且t₂时刻振动目 标的运动方向与t₁时刻振动目标的运动方向一致时，t₂时刻的外腔长度应满足下 式：

相邻两次完整波形产生的时间差为Δt，Δt＝t₁-t₂；

因此，多纵模激光器的谐振腔FSR可表示为：

式(7)中：L_ext(Δt)为从t₁时刻到t₂时刻时间段内的外腔变化量，通过测量L_ext(Δt)， 即可进一步获得多纵模激光器谐振腔的FSR。

上述测量方法中，测量L_ext(Δt)的方法包括两种，分别为：

(1)测量相邻两次完整波形产生的时刻差Δt，结合信号发生器的驱动信 号和振动目标随驱动信号的位移响应，可获得Δt时间段内的外腔变化量

L_ext(Δt)，具体计算公式如下：

式(8)中：F₁(t)为信号发生器产生的驱动信号函数，F₂(t)为振动目标位移对驱 动信号的响应函数。

(2)测量L_ext(Δt)的方法为：当t₁时刻获得完整波形时开始记录激光自混合 振动信号条纹数(通过改变条纹计数的阈值和半高宽条件，避免波形分立带来额 外的计数误差)，到t₂时刻再度出现完整激光自混合振动信号时波形截止，通过 获得的条纹数目N和多纵模激光器出射激光的波长λ，可获得Δt时间段内的外 腔变化量L_ext(Δt)，具体计算公式如下：

式(9)中：N为产生相邻两次完整波形过程中所产生的条纹数目，λ为多纵模 激光器出射激光波长。

本发明所述的测量装置中，为了便于调节反馈光水平，在分束器与振动目标 之间的光路上设置有光衰减器，利用光衰减器调节反馈光的强度，从而提高测量 精确度。

建立实验模型，对上述测量方法进行模拟仿真。选取双纵模激光器，FSR为88.24GHz，模拟参数如下：初始外腔长度为15.30mm，外界振动目标振动(即直 线往复运动)引起的外腔变化为Asin(ωt)，A＝3mm为外界目标振动的振幅； ω＝400π，为外界振动目标的振动角频率；不同时刻处，叠加后的激光器自混 合振动信号仿真模拟结果如图2至图5所示。

如图2和图5所示，时刻为t₁和t₂时，相位延迟为2π整数倍，此时两个模 式各自产生的激光自混合振动信号相位保持同相位，它们之间的波形叠加不会造 成波形的改变；

如图3和图4所示。而t₃和t₄(介于t₁和t₂之间时)时，当外腔长度不是谐 振腔腔长的整数倍时，由于相位延迟不是2π的整数倍，不同模式各自产生的激 光自混合振动信号波形在时域上的位置会有所差异，波形叠加后波形会产生分立 现象，通过测量激光自混合信号波形变化一个周期(即Δt时间段内)外腔振动 目标的位移距离，可进一步获得激光器谐振腔的FSR为88.24GHz，与仿真条件 保持一致。

综上所述，本发明具有以下优点：

1本发明能够实现非接触实时高精度测量；

2本发明测量装置结构简单，调节光路方便，成本较低；

3.本发明测量响应速度快，可快速实时跟踪激光器谐振腔FSR的实时变化；

4.本发明无需额外的位置测量工具，且测量精度较高。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限 于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以 对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都 在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用大振幅激光自混合振动信号测量多纵模激光器谐振腔FSR的装置，其特征在于：包括多纵模激光器、振动目标、传动机构、电机、信号发生器、分束器、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；

所述多纵模激光器为待测激光光源，出射激光到振动目标的受光面上；

所述振动目标的受光面上附着有反馈结构，底部固定于传动机构上；

所述电机由信号发生器驱动，所述电机通过传动机构带动振动目标进行直线往复运动，所述直线往复运动所在直线与出射激光平行，直线往复运动的振幅大于多纵模激光器谐振腔体长度所对应光程的二分之一；

所述振动目标在直线往复运动的同时接收多纵模激光器出射的激光并通过反馈结构反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合振动信号；

所述分束器设置于多纵模激光器与振动目标之间的光路上，用于将激光自混合振动信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光自混合振动信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理至少包括整形、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得激光器FSR测量结果。

2.根据权利要求1所述的利用大振幅激光自混合振动信号测量多纵模激光器谐振腔FSR的装置，其特征在于：所述信号发生器输出正弦波或者锯齿波。

3.根据权利要求1所述的利用大振幅激光自混合振动信号测量多纵模激光器谐振腔FSR的装置，其特征在于：所述传动机构包括滑块、丝杠和滑轨，所述振动目标底部固定于滑块上，所述电机通过丝杠驱动滑块沿滑轨往复运动，进而带动振动目标直线往复运动。

4.根据权利要求1所述的利用大振幅激光自混合振动信号测量多纵模激光器谐振腔FSR的装置，其特征在于：所述分束器与振动目标之间的光路上设置有光衰减器。

5.根据权利要求1所述的利用大振幅激光自混合振动信号测量多纵模激光器谐振腔FSR的装置，其特征在于：所述信号处理单元为计算机或者示波器。

6.根据权利要求1所述的利用大振幅激光自混合振动信号测量多纵模激光器谐振腔FSR的装置，其特征在于：所述反馈结构由具有反射或者散射特性的材料制成。

7.根据权利要求6所述的利用大振幅激光自混合振动信号测量多纵模激光器谐振腔FSR的装置，其特征在于：所述反馈结构为反射平面镜、反射膜、纸或者金属片。

8.基于权利要求1-7任意一项所述的利用大振幅激光自混合振动信号测量多纵模激光器谐振腔FSR的装置的多纵模激光器谐振腔FSR测量方法，其特征在于：电机由信号发生器驱动，电机通过传动机构带动振动目标进行直线往复运动，直线往复运动所在直线与多纵模激光器出射激光平行，直线往复运动的振幅大于多纵模激光器谐振腔体长度所对应光程的二分之一，与此同时，多纵模激光器作为待测激光光源，出射激光到振动目标上，出射激光经反馈结构反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合振动信号，从而形成在不同激光器外腔长度下的激光自混合振动信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合振动信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合振动信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合振动信号进行分析，即可得出激光器谐振腔的FSR，具体分析方法如下：

基于多纵模的激光器的激光自混合振动信号，认为不同激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，因此最终形成的激光器自混合振动信号可以认为是各自纵模形成的激光自混合振动信号的强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，能够进一步获得多纵模激光器自混合振动信号强度为：

式(2)中：I₀表示初始光强，β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示多纵模激光器中第j个纵模模式，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，k_0j表示真空中j模式的波数，n₀表示外腔折射率，L_ext(t)表示实时外腔长；

当外腔折射率n₀＝1时，

式(3)中：ω₀表示激光的角频率，c表示真空中的光速，FSR表示激光器谐振腔自由光谱区；

因此，可得

如果要使不同模式激光自混合振动信号叠加不存在波形分立，需要各个模式单独的波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍；

在外腔振动目标振动过程中，t₁时刻产生完整激光自混合振动信号时，外腔长度应满足下式：

式(5)中：m为激光器的外腔模式级数，为正整数；继续振动过程中，瞬时外腔长度随时间发生变化时，不同纵模激光自混合振动信号不再等相位，会产生波形分立现象，直到t₂时刻激光自混合振动信号再次产生完整波形且t₂时刻振动目标的运动方向与t₁时刻振动目标的运动方向一致时，t₂时刻的外腔长度应满足下式：

相邻两次完整波形产生的时间差为Δt，Δt＝t₁-t₂；

因此，多纵模激光器的谐振腔FSR可表示为：

式(7)中：L_ext(Δt)为从t₁时刻到t₂时刻时间段内的外腔变化量，通过测量L_ext(Δt)，即可进一步获得多纵模激光器谐振腔的FSR。

9.根据权利要求8所述的多纵模激光器谐振腔FSR的测量方法，其特征在于：测量L_ext(Δt)的方法为：测量相邻两次完整波形产生的时刻差Δt，结合信号发生器的驱动信号和振动目标随驱动信号的位移响应，可获得Δt时间段内的外腔变化量L_ext(Δt)，具体计算公式如下：

式(8)中：F₁(t)为信号发生器产生的驱动信号函数，F₂(t)为振动目标位移对驱动信号的响应函数。

10.根据权利要求9所述的多纵模激光器谐振腔FSR的测量方法，其特征在于：测量L_ext(Δt)的方法为：当t₁时刻获得完整波形时开始记录激光自混合振动信号条纹数，到t₂时刻再度出现完整激光自混合振动信号时波形截止，通过获得的条纹数目N和多纵模激光器出射激光的波长λ，可获得Δt时间段内的外腔变化量L_ext(Δt)，具体计算公式如下：

式(9)中：N为产生相邻两次完整波形过程中所产生的条纹数目，λ为多纵模激光器出射激光波长。