CN108760251A - 一种采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置，包括第一光纤分束器、第一光纤合束器、延时模块、声光移频器、第二光纤分束器、第二光纤合束器、光电转换器和频谱分析仪，待测激光源发射的激光经过第一光纤分束器分为两束光，其中一束经过由第一光纤合束器、延时模块、声光移频器、第二光纤分束器组成的循环结构，并与第二束光在第二光纤合束器耦合产生包含固定频率的整数倍频率的拍频信号，经由光电转换器变成电压信号，通过频谱分析仪选取合适的中心频率即可测出激光的线宽。本发明具有体积小、灵敏度高、适应性强的优点，且大大降低了成本，增强了普适性。

Description

一种采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置
技术领域
本发明属于激光线宽测量技术，具体涉及一种采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置。
背景技术
窄线宽激光器具有线宽窄、噪声低、抗电磁干扰、安全和可远程控制等特性，广泛应用于光纤通信、光纤传感、矿井监测、材料技术以及高精度光谱等领域。早期激光器线宽能达到10MHz量级，后来采用外腔技术大大压窄了光谱线宽，激光器线宽已经可以低于千赫兹量级。对于传统激光源，一般采用光谱分析仪进行谱线分析，光谱分析仪采用扫描衍射光栅作为选频滤波器，其波长扫描范围宽、动态范围大，但波长分辨率限制在十几皮米(大于1GHz)，因此，用光谱分析仪对千赫兹量级的窄线宽光纤激光器进行分析是很困难的。
目前，测试分析窄线宽激光器的主要手段是采用混频法，通过光混频把光频信号频移到微波频段，通过频谱分析仪测量电频谱的半高全宽，并根据谱形特征计算出光谱的线宽。常用的混频法是光外差法，它分为双光束外差法和单激光器的延时自外差法。但双光束外差法需要两个激光器，对激光器的频率、幅度等稳定性有十分苛刻的要求，实验系统复杂，现在也很少使用。目前常采用的是1980年日本学者Okoshi等提出的延时自外差干涉法(DSHI)，相较于双光束外差法，系统只需一个光源，测试环境简单，具有更好的稳定性。但是，这种方法也存在着很大的缺陷，随着激光器线宽越来越窄，需要的延时模块的也越来越长，使整个方案体积庞大、使用不便且成本过高。
发明内容
本发明的目的在于提出一种采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置，能有效解决延时自外差系统体积大成本高的问题，并实现对更窄线宽的激光器的分析测量。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置，包括第一光纤分束器、第一光纤合束器、延时模块、声光移频器、第二光纤分束器、第二光纤合束器、光电转换器和频谱分析仪，所述第一光纤分束器的输入端与待测激光源连接，所述第一光纤分束器的一个输出端与第一光纤合束器的一个输入端连接，第一光纤合束器的输出端与延时模块的一端连接，延时模块的另一端与声光移频器的输入端连接，声光移频器的输出端与第二光纤分束器的输入端连接，第二光纤分束器的一个输出端与第一光纤合束器的另一个输入端连接，第二光纤分束器的另一个输出端与第二光纤合束器的一个输入端连接，第一光纤分束器的另一个输出端与第二光纤合束器的另一个输入端连接，第二光纤合束器的输出端与光电转换器的输入端连接，光电转换器的输出端与频谱分析仪的输入端连接。
优选地，所述第一光纤合束器为50/50光纤分束器，所述第二光纤分束器为40/60光纤分束器。
优选地，所述延时模块为长度为2Km的单模光纤。
待测激光源发射的激光经过第一光纤分束器分为两束光，其中一束经过由第一光纤合束器、延时模块、声光移频器、第二光纤分束器组成的循环结构，并与第二束光在第二光纤合束器耦合产生包含固定频率的整数倍频率的拍频信号，经由光电转换器变成电压信号，通过频谱分析仪选取合适的中心频率即可测出激光的线宽。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用了循环结构，在实现了相同分辨率的情况下，所使用的延时模块长度缩减了一个数量级以上，提高了系统灵敏度，减小了整个装置的体积，并大大降低了成本；(2)本发明装置结构简单，与其它短延时模块方法相比，不需要复杂的数据处理和频谱分析，测量更加方便，可靠性更高。
附图说明
图1为本发明一种采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置的结构示意图。
图2为扫描宽度为1.5GHz时的输出信号中心频率为500MHz的频谱图。
图3为扫描宽度为1MHz时的输出信号中心频率为100MHz的频谱图。
图4为扫描宽度为1MHz时的输出信号中心频率为1000MHz的频谱图。
具体实施方式
依据本发明的技术方案，对不同线宽的激光器进行测量时，会根据实际情况选择不同的延时模块和不同中心频率的频谱，得到的结果也会相应发生改变。因此，以下具体实施方式和附图仅是对测试激光源的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者本技术方案的局限。
一种采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置，包括第一光纤分束器、第一光纤合束器、延时模块、声光移频器、第二光纤分束器、第二光纤合束器、光电转换器和频谱分析仪，所述第一光纤分束器的输入端与待测激光源连接，所述第一光纤分束器的一个输出端与第一光纤合束器的一个输入端连接，第一光纤合束器的输出端与延时模块的一端连接，延时模块的另一端与声光移频器的输入端连接，声光移频器的输出端与第二光纤分束器的输入端连接，第二光纤分束器的一个输出端与第一光纤合束器的另一个输入端连接，第二光纤分束器的另一个输出端与第二光纤合束器的一个输入端连接，第一光纤分束器的另一个输出端与第二光纤合束器的另一个输入端连接，第二光纤合束器的输出端与光电转换器的输入端连接，光电转换器的输出端与频谱分析仪的输入端连接。
进一步的实施例中，所述第一光纤合束器为50/50光纤分束器，所述第二光纤分束器为40/60光纤分束器。
进一步的实施例中，所述延时模块为长度为2Km的单模光纤。
进一步的实施例中，所述光电转换器和频谱分析仪通过铜导线连接，其他器件均通过单模光纤连接。
进一步的实施例中，所述第一光纤合束器、第二光纤合束器均为50/50光纤合束器。
进一步的实施例中，所述光纤耦合器的输出端与一个FC/UPC光纤跳线头连接，并将激光聚焦在光电转换器的光探头位置。
进一步的实施例中，所述第一光纤分束器、第一光纤合束器、第二光纤分束器、第一光纤合束器均为3dB耦合器。
实施例1
结合图1，本实施例中一种采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置，包括50/50光纤分束器2、50/50光纤合束器3、Hi1060光纤4、声光移频器5、40/60光纤分束器6、50/50光纤合束器7、光电转换器8和频谱分析仪9，所述50/50光纤分束器2的输入端与待测激光源1连接，其中一个输出端与50/50光纤合束器3一个输入端连接，50/50光纤合束器3的输出端与Hi1060光纤4的一端连接，Hi1060光纤4的另一端与声光移频器5的输入端连接，声光移频器5的输出端与40/60光纤分束器6的输入端连接，40/60光纤分束器6分光比例为60％的一端与50/50光纤合束器3另一个输入端连接，40/60光纤分束器6分光比例为40％的一端与50/50光纤合束器7的一个输入端连接，50/50光纤分束器2的另一个输出端与50/50光纤合束器7的另一个输入端连接，50/50光纤合束器7的输出端与光电转换器8的输入端连接，光电转换器8的输出端与频谱分析仪9的输入端连接。
待测激光源1是窄线宽连续激光器，它发射的激光经50/50光纤分束器分为等量的两束激光，其中一束直接进入50/50光纤合束器7，另一束经过由50/50光纤合束器3、Hi1060光纤4(2Km)、声光移频器5(频移100MHz)和40/60光纤分束器6构成的循环结构，产生了能量渐弱的频移量为100MHz(经过了2Km光纤延时)、200MHz(经过了4Km光纤延时)、300MHz(经过了6Km光纤延时)等100MHz整数倍的激光分量，最后不同频移量(对应不同的延长光纤)的激光分量输入50/50光纤合束器7与第一束激光耦合，产生不同中心频率的拍频光。该拍频光经过光电转换器8将光信号转换成电信号，实现把光频信号频移到微波频段，通过频谱分析仪9测量电频谱的3dB带宽，并根据谱形特征计算出光谱的线宽。
结合图2，通过频谱分析仪9，设置扫描宽度为1.5GHz，中心频率为500MHz，最多能观察到13个信号分量，即同时能观察到延迟光纤为2Km、4Km、6Km、8Km、10Km、12Km、14Km、16Km、18Km、20Km、22Km、24Km和26Km时的拍频光信号。
结合图3，通过频谱分析仪9，设置扫描宽度为1MHz，中心频率为100MHz，能观察到延时模块为2Km时的频谱。从图中可看出信号的形状是一个尖峰，说明2Km延时模块的延时并不能满足远大于激光的相干时间，无法测出实际的线宽。
结合图4，通过频谱分析仪9，设置扫描宽度为1MHz，中心频率为1000MHz，能观察到延时模块为20Km时的频谱。从图中可看到信号是一个平滑的曲线，从中可读出半高全宽，即可得到激光的线宽68KHz。

Claims (7)

1.一种采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置，其特征在于，包括第一光纤分束器、第一光纤合束器、延时模块、声光移频器、第二光纤分束器、第二光纤合束器、光电转换器和频谱分析仪，所述第一光纤分束器的输入端与待测激光源连接，所述第一光纤分束器的一个输出端与第一光纤合束器的一个输入端连接，第一光纤合束器的输出端与延时模块的一端连接，延时模块的另一端与声光移频器的输入端连接，声光移频器的输出端与第二光纤分束器的输入端连接，第二光纤分束器的一个输出端与第一光纤合束器的另一个输入端连接，第二光纤分束器的另一个输出端与第二光纤合束器的一个输入端连接，第一光纤分束器的另一个输出端与第二光纤合束器的另一个输入端连接，第二光纤合束器的输出端与光电转换器的输入端连接，光电转换器的输出端与频谱分析仪的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置，其特征在于，所述第一光纤合束器为50/50光纤分束器，所述第二光纤分束器为40/60光纤分束器。
3.根据权利要求1所述的采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置，其特征在于，所述延时模块为长度为2Km的单模光纤。
4.根据权利要求1所述的采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置，其特征在于，所述光电转换器和频谱分析仪通过铜导线连接，其他器件均通过单模光纤连接。
5.根据权利要求1所述的采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置，其特征在于，所述第一光纤合束器、第二光纤合束器均为50/50光纤合束器。
6.根据权利要求1所述的采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置，其特征在于，所述光纤耦合器的输出端与一个FC/UPC光纤跳线头连接，并将激光聚焦在光电转换器的光探头位置。
7.根据权利要求1所述的采用循环延时自外差结构的激光线宽测量装置，其特征在于，所述第一光纤分束器、第一光纤合束器、第二光纤分束器、第一光纤合束器均为3dB耦合器。
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