CN108872750B - 光学平衡互相关的远距离锁模激光短期稳定性测量装置 - Google Patents

光学平衡互相关的远距离锁模激光短期稳定性测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于光学平衡互相关的远距离锁模激光器短期稳定性测量装置，包括：对向共路传输的第一锁模激光器和第二锁模激光器，以及上位机；所述上位机对第一锁模激光器和第二锁模激光器时间抖动变化量进行分析，获得短期稳定性噪声功率频谱。本申请所述技术方案结合光学平衡互相关法与激光脉冲共光路双向对称传递配置，消除激光脉冲传播路径变化引入的误差，可实现远距离锁模激光器的高精度短期稳定性测试。

Description

光学平衡互相关的远距离锁模激光短期稳定性测量装置
技术领域
本发明涉及一种基于光学平衡互相关的远距离锁模激光器短期稳定性测量装置。
背景技术
锁模激光器较普通的射频频率发生及综合模块，例如，原子钟，频率综合器等，具有更加优异的短期时域稳定特性(τ<100ms)。通常，在测量锁模激光器的短期稳定性时，须要进行光电转换，从而引入附加噪声。
为有效降低附加光电转换噪声的影响，通常采用光学平衡互相关法测量锁模激光器的短期时域稳定特性。光学平衡互相关法将激光脉冲之间的相对时间差转换为电压信号，等效于激光脉冲之间的直接检测，避免了激光脉冲直接转换为电信号后相对较高噪声底的电学检测。
然而，在实际测试中，激光脉冲从激光器输出至光电探测之间历经传递介质光程变化，一定程度上增加测量误差。例如，温度变化对光程相对变化的影响为10-7/K量级，对于10mK的温度波动，脉冲时间延迟对应为fs量级，接近锁模激光器的时域抖动性能指标。因此，有效抑制传递路径引入的测量误差在高精度短期稳定性测量方面显得尤为重要。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供一种基于光学平衡互相关的远距离锁模激光器短期稳定性测量装置。
本实施例提供的锁模激光器短期稳定性测量装置，一种基于光学平衡互相关的远距离锁模激光器短期稳定性测量装置，包括：对向共路传输的第一锁模激光器和第二锁模激光器，以及上位机；
所述第一锁模激光器产生的第一路激光脉冲与第二锁模激光器产生的第一路激光脉冲共路传输；
所述第一锁模激光器产生的第二路激光脉冲与第二锁模激光器产生的第二路激光脉冲同时输入第一光学平衡互相关探测模块，获得第一待处理信号；
所述第一待处理信号通过所述第一数据采集卡进入所述上位机；
所述第一锁模激光器产生的第二路激光脉冲与第二锁模激光器产生的第二路激光脉冲同时输入第二光学平衡互相关探测模块，获得第二待处理信号；
所述第二待处理信号通过所述第二数据采集卡进入所述上位机；
所述上位机对从所述待处理信号中获取的第一锁模激光器和第二锁模激光器时间抖动变化量进行分析，获得短期稳定性噪声功率频谱。
可选地，所述光学平衡互相关探测模块包括：分束器、周期极化钛氧磷酸钾晶体、反射镜及光电平衡探测器；
输入所述光学平衡互相关探测模块的激光脉冲经周期极化钛氧磷酸钾晶体产生两路倍频脉冲，一路透过输出端面输入光电平衡探测器，另一路经过分束器和反射镜至光电平衡探测器。
可选地，所述第一锁模激光器的重复频率为fr，所述第二锁模激光器的重复频率为fr+Δfr；或者，
所述第二锁模激光器的重复频率为fr，所述第一锁模激光器的重复频率为fr+Δfr。
可选地，所述待处理信号为所述光学平衡互相关探测模块对输入的激光脉冲进行处理后的脉冲时域重合标记。
可选地，所述周期极化钛氧磷酸钾晶体的输入端面设有基频光增透膜，其输出端面设有倍频光增透膜。
可选地，所述光电平衡探测器包括设置在每条光路上的感光元件。
可选地，所述光电平衡探测器对感光元件输出的信号进行处理，获得“S”形信号。
可选地，所述上位机根据“S”形信号的时间偏差计算出第一锁模激光器和第二锁模激光器的时间抖动变化τ12(t)，对τ12(t)进行频谱分析得到短期稳定性噪声功率频谱。
可选地，周期极化钛氧磷酸钾晶体根据输入的激光脉冲重合部分的强度乘积产生倍频光脉冲，透过输出端面镀膜的倍频光脉冲输入光电平衡探测器，未透过输出端面镀膜的倍频光脉冲再次通过周期极化钛氧磷酸钾晶体产生另一倍频光脉冲，另一倍频光脉冲经过分束器和反射镜至光电平衡探测器。
有益效果如下：
基于光学平衡互相关的远距离锁模激光器短期稳定性测量装置包括：第一锁模激光器、第二锁模激光器、第一光学平衡互相关探测模块、第二光学平衡互相关探测模块、第一数据采集卡、第二数据采集卡及上位机；第一锁模激光器输出的激光脉冲输入第一光学平衡互相关探测模块，第一光学平衡互相关探测模块的输出通过第一数据采集卡进入上位机；第二锁模激光器输出的激光脉冲输入第二光学平衡互相关探测模块，第二光学平衡互相关探测模块的输出通过第二数据采集卡进入上位机。该锁模激光器短期稳定性测量装置结合光学平衡互相关法与激光脉冲共光路双向对称传递配置，消除激光脉冲传播路径变化引入的误差，可实现远距离锁模激光器的高精度短期稳定性测试。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的具体实施例，其中：
图1为本发明实施例中的一种基于光学平衡互相关的远距离锁模激光器短期稳定性测量装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中的一种光学平衡互相关探测模块的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。
在实际测试中，激光脉冲从激光器输出至光电探测之间历经传递介质光程变化，一定程度上增加测量误差。例如，温度变化对光程相对变化的影响为10-7/K量级，对于10mK的温度波动，脉冲时间延迟对应为fs量级，接近锁模激光器的时域抖动性能指标。因此，有效抑制传递路径引入的测量误差在高精度短期稳定性测量方面显得尤为重要。
基于此，本发明实施例提供了一种基于光学平衡互相关的远距离锁模激光器短期稳定性测量装置，包括：第一锁模激光器、第二锁模激光器、第一光学平衡互相关探测模块、第二光学平衡互相关探测模块、第一数据采集卡、第二数据采集卡及上位机；第一锁模激光器输出的激光脉冲输入第一光学平衡互相关探测模块，第一光学平衡互相关探测模块的输出通过第一数据采集卡进入上位机；第二锁模激光器输出的激光脉冲输入第二光学平衡互相关探测模块，第二光学平衡互相关探测模块的输出通过第二数据采集卡进入上位机。该锁模激光器短期稳定性测量装置结合光学平衡互相关法与激光脉冲共光路双向对称传递配置，消除激光脉冲传播路径变化引入的误差，可实现远距离锁模激光器的高精度短期稳定性测试。
该锁模激光器短期稳定性测量装置，包括：第一锁模激光器、第二锁模激光器、第一光学平衡互相关探测模块、第二光学平衡互相关探测模块、第一数据采集卡、第二数据采集卡及上位机。
第一锁模激光器产生的第二路激光脉冲与第二锁模激光器产生的第二路激光脉冲同时输入第一光学平衡互相关探测模块，第一光学平衡互相关探测模块的输出通过第一数据采集卡进入上位机。
所述第一锁模激光器产生的第二路激光脉冲与第二锁模激光器产生的第二路激光脉冲同时输入第二光学平衡互相关探测模块，第二光学平衡互相关探测模块的输出通过第二数据采集卡进入上位机。
其中，光学平衡互相关探测模块用于对输入的激光脉冲进行脉冲时域重合标记。
光学平衡互相关探测模块包括：分束器、周期极化钛氧磷酸钾PPKTP晶体、反射镜及光电平衡探测器。除此之外，还可以包括二向色镜。光电平衡探测器包括感光元件。PPKTP晶体的输出端面镀膜。
输入的激光脉冲经分束器进入PPKTP晶体，PPKTP晶体输出2束光，1束至光电平衡探测器，另1束通过反射镜至光电平衡探测器。
具体的，PPKTP晶体根据输入的激光脉冲重合部分的强度乘积产生倍频光脉冲，透过输出端面镀膜的倍频光脉冲输入光电平衡探测器，未透过输出端面镀膜的倍频光脉冲再次通过PPKTP晶体产生另一倍频光脉冲，另一倍频光脉冲通过反射镜至光电平衡探测器。
另外，光电平衡探测器的输出为“S”形信号。
可选地，锁模激光器输出的2束激光脉冲，1束输入光学平衡互相关探测模块，1束进行本地脉冲重合探测。
另外，第一锁模激光器的重复频率为fr，所述第二锁模激光器的重复频率为fr+Δfr；或者第二锁模激光器的重复频率为fr，所述第一锁模激光器的重复频率为fr+Δfr。
可选地，上位机根据“S”形信号的时间偏差计算出第一锁模激光器和第二锁模激光器的时间抖动变化τ12(t)，对τ12(t)进行频谱分析得到短期稳定性噪声功率频谱。
上述锁模激光器短期稳定性测量装置结合光学平衡互相关法与激光脉冲共光路双向对称传递配置，消除激光脉冲传播路径变化引入的误差，可实现远距离锁模激光器的高精度短期稳定性测试。
图1示出了本实施例提供的锁模激光器短期稳定性测量装置的一种实现结构。如图1所示，第一锁模激光器与第二锁模激光器输出的激光脉冲分为两束，一束用于本地脉冲重合探测，一束用于共光路双向传递。两台锁模激光器的重复频率分别为fr与fr+Δfr，使得来自不同激光器的脉冲发生时域扫描，同时，使脉冲偏振方向正交。脉冲时域重合标记由第一光学平衡互相关探测模块与第二光学平衡互相关探测模块产生。光学平衡互相关探测模块内部结构如图2所示。当偏振正交脉冲在时域重合时，PPKTP晶体根据脉冲重合部分的强度乘积产生倍频光脉冲，其输出端面镀膜使倍频光脉冲透过，残余基频光被反射并再次通过PPKTP晶体，进而产生另一倍频光脉冲。两个倍频光脉冲被光电平衡探测器的感光元件探测，将两个倍频光脉冲转换为电信号。这两个电信号相减即为光电平衡探测器的输出信号，此信号沿时间轴呈“S”形信号，其过零点位置为脉冲重合时刻。“S”形信号被第一数据采集卡与第二数据采集卡离散化。之后，波形数据在上位机中拟合出过零点时刻。在实际测量中，随着时间变化。激光脉冲的周期重合与分离会产生一系列“S”形信号。两台激光器之间的状态相对变化会使这些“S”形信号过零点时刻与理想出现时刻存在偏差ΔT1(t)与ΔT2(t)。根据双向测量原理，利用双向测量的时间偏差可计算出两台激光器的时间抖动变化τ12(t)，对其做频谱分析可获得短期稳定性噪声功率频谱Sτ12(f)。
有益效果：基于光学平衡互相关的远距离锁模激光器短期稳定性测量装置包括：第一锁模激光器、第二锁模激光器、第一光学平衡互相关探测模块、第二光学平衡互相关探测模块、第一数据采集卡、第二数据采集卡及上位机；第一锁模激光器输出的激光脉冲输入第一光学平衡互相关探测模块，第一光学平衡互相关探测模块的输出通过第一数据采集卡进入上位机；第二锁模激光器输出的激光脉冲输入第二光学平衡互相关探测模块，第二光学平衡互相关探测模块的输出通过第二数据采集卡进入上位机。该锁模激光器短期稳定性测量装置结合光学平衡互相关法与激光脉冲共光路双向对称传递配置，消除激光脉冲传播路径变化引入的误差，可实现远距离锁模激光器的高精度短期稳定性测试。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种基于光学平衡互相关的远距离锁模激光器短期稳定性测量装置，其特征在于，包括：对向共路传输的第一锁模激光器和第二锁模激光器，以及上位机；
所述第一锁模激光器产生的第一路激光脉冲与第二锁模激光器产生的第一路激光脉冲共路传输；
所述第一锁模激光器产生的第二路激光脉冲与第二锁模激光器产生的第二路激光脉冲同时输入第一光学平衡互相关探测模块，获得第一待处理信号；
所述第一待处理信号通过第一数据采集卡进入所述上位机；
所述第一锁模激光器产生的第二路激光脉冲与第二锁模激光器产生的第二路激光脉冲同时输入第二光学平衡互相关探测模块，获得第二待处理信号；
所述第二待处理信号通过第二数据采集卡进入所述上位机；
所述上位机对从所述待处理信号中获取的第一锁模激光器和第二锁模激光器时间抖动变化量进行分析，获得短期稳定性噪声功率频谱；
所述第一锁模激光器的重复频率为f r，所述第二锁模激光器的重复频率为f r+Δf r；或者，
所述第二锁模激光器的重复频率为f r，所述第一锁模激光器的重复频率为f r+Δf r；
所述上位机根据S形信号的时间偏差计算出第一锁模激光器和第二锁模激光器的时间抖动变化τ 12(t)，对τ 12(t)进行频谱分析得到短期稳定性噪声功率频谱；
所述光学平衡互相关探测模块包括：分束器、周期极化钛氧磷酸钾晶体、反射镜及光电平衡探测器；
输入所述光学平衡互相关探测模块的激光脉冲经周期极化钛氧磷酸钾晶体产生两路倍频光脉冲，一路透过输出端面输入光电平衡探测器，另一路经过分束器和反射镜至光电平衡探测器；
所述光电平衡探测器包括设置在每条光路上的感光元件；
两路倍频光脉冲被光电平衡探测器的感光元件探测，将两路倍频光脉冲转换为电信号，这两个电信号相减即为光电平衡探测器的输出信号，此信号沿时间轴呈S形信号。
2.根据权利要求1所述的远距离锁模激光器短期稳定性测量装置，其特征在于，所述待处理信号为所述光学平衡互相关探测模块对输入的激光脉冲进行处理后的脉冲时域重合标记。
3.根据权利要求1所述的远距离锁模激光器短期稳定性测量装置，其特征在于，所述周期极化钛氧磷酸钾晶体的输入端面设有基频光增透膜，其输出端面设有倍频光增透膜。
4.根据权利要求3所述的远距离锁模激光器短期稳定性测量装置，其特征在于，周期极化钛氧磷酸钾晶体根据输入的激光脉冲重合部分的强度乘积产生倍频光脉冲，透过输出端面镀膜的倍频光脉冲输入光电平衡探测器，未透过输出端面镀膜的基频光脉冲再次通过周期极化钛氧磷酸钾晶体产生另一倍频光脉冲，另一倍频光脉冲经过分束器反射镜入射至至光电平衡探测器。
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