CN110501141A - 利用频率梳光源测fp的透过率曲线的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置及方法，该装置包括依次设置在光路上的单频率脉冲激光器，用于产生单频率脉冲激光；频率梳激光器，将接收到的单频率脉冲激光转换成频率梳激光；待检测的FP，接收频率梳激光器输出的激光；所述装置还包括接收频率梳激光器输出端的激光并进行成分和光谱分析的第一接收单元、接收待检测的FP输出端的激光并进行成分和光谱分析的第二接收单元。由于频率梳光源具有频率间隔相等的多种频率成分，因此可以一次性测量FP标准具的透过率曲线。并且频率间隔和光谱范围可调。该方法大大降低了测量通过率曲线的成本，提高了测量精度和有效性，具有很好的理论和实用价值。

Description

利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置及方法
技术领域
本发明涉及检测FP的透过率的技术领域，尤其涉及利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置及方法。
背景技术
FP(法布里-珀罗标准具)是一种干涉仪，主要由两块平板玻璃或石英板组成。它可以作为高分辨率滤光片或用于高分辨率光谱分析精密波长计。在激光系统中，通常用来缩小腔内的线款或使激光系统以单模工作。它可以作为宽带皮秒激光器的介质带宽控制和调谐装置。它也可以作为鉴频器广泛应用于激光雷达的多普勒测风或气溶胶探测中。由于FP标准具的广泛应用，FP(法布里-珀罗标准具)的标准透过率曲线是一个非常重要的参数。
FP(法布里-珀罗标准具)的标准透过率曲线一般通过调节入射光源的波长、或者调节FP的腔长或入射光的角度来测量。但是具有波长调谐功能的激光光源非常昂贵，甚至一些宽自由光谱范围的FP标准具很难找到相应波长调谐范围宽的激光源，具有调节腔长的FP标准具也是非常的昂贵。而且波长的调谐和入射光的角度都很难保证其变化是线性的，并且每次变化的步长都会引入新的误差，最终导致测量精度不够。
具体地说，一个普通的标准具由两个相互平行的反射面组成。
平面光束U0入射到标准具中时，会在两个反射面上被不断的反射和透射，如图1所示，U0的入射角为θ。透射光束的振幅分别为：
U1'＝U0(1-R1)(1-R2)；
U'2＝U0(1-R1)(1-R2)R1R2eiδ；
….
其中，
透射光束总的振幅为
标准具的透过率为
其中U'*表示U'的共轭函数，表示U0的共轭函数，当标准具两个面的振幅反射率相等时，即R1＝R2，每个面的强度反射率为R＝R1 2。标准具的透过率可以简化为如下形式，
从上面的表达式可以看出，FP的透射率T与腔长、波长和入射光的角度有关。我们既可以通过改变波长直接得到FP的透射率曲线，也可以通过入射角度、腔长等变化引起的等效波长变化来测量透射率变曲线。但是，无论改变入射角度，改变腔长或激光光源的波长发生变化，都不能保证变化是线性且准确的，而且多次测量不同参数值的参数，会引入随机相对误差。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，为此，本发明提供利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置，包括依次设置在光路上的
单频率脉冲激光器，用于产生单频率脉冲激光；
频率梳激光器，将接收到的单频率脉冲激光转换成频率梳激光；
待检测的FP，接收频率梳激光器输出的激光；
所述装置还包括接收频率梳激光器输出端的激光并进行成分和光谱分析的第一接收单元、接收待检测的FP输出端的激光并进行成分和光谱分析的第二接收单元。
具体地说，所述装置还包括将频率梳激光分成第一路输出和第二路输出的第一分束器，第一路输出和第二路输出的激光分别发射到第一接收单元和所述待检测的FP中。
具体地说，所述第一接收单元包括接收第一分束器输出激光的第二分束器，第二分束器分出两束激光分别对应发射到第一接收单元中的第一探测器和第一光谱仪上。
具体地说，所述第二接收单元包括第三分束器、第二探测器和第一光谱仪上，第三分束器分出两束激光分别对应发射到第二探测器和第一光谱仪上。
具体地说，还包括设置有光学孔径的准直器，所述准直器设置在第一分束器与待检测的FP之间。
具体地说，所述待检测的FP为空气隙标准具。
另外的，所述待检测的FP还可以为固态标准具。
具体地说，装置还包括计算机，所述计算机的信号输入端分别与第一接收单元和第二接收单元的输出端连接，单频率脉冲激光器的受控端与计算机的信号输出端连接。
使用上述的利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置的方法，包括以下步骤：
S1、获取所需的单频率脉冲激光的单频率脉冲激光器和设定种类的频率梳激光器，组装装置；
S2、频率梳激光器将单频率脉冲激光输出的单频率脉冲激光变形成不同频率分量的激光，不同频率分量的激光经过FP，通过探测器和光谱仪一次性测量不同频率成分对应的透过率；
S3、计算机对所有的频率成分对应的透过率进行多项式拟合，获得透过率曲线。
具体地说，步骤S2中测量不同频率成分对应的透过率的具体步骤为：
S21、撤除装置中的FP，获得第一接收单元中的第一探测器和第二接收单元中的第二探测器中的能量，并得到能量比N1＝第一探测器的能量值/第二探测器的能量值，N1作为校准系数；
S22、校准完毕后，通过比较第一接收单元中第一光谱仪对应测量的频率分量和第二接收单元中第二光谱仪对应测量的频率分量的相对能量变化，该变化乘以校准系数，得到相应频率的透射率。
本发明的优点在于：由于频率梳光源具有频率间隔相等的多种频率成分，不存在非线性，因此可以一次性测量FP标准具的透过率曲线。并且频率间隔和光谱范围可调。该方法大大降低了测量通过率曲线的成本，提高了测量精度和有效性，具有很好的理论和实用价值。
附图说明
图1为背景技术中普通标准具透过率计算原理图。
图2为频率梳激光器的工作原理图，其中图a表示时域图，图b表示频域图。
图3为本发明的结构原理图。
图4为使用本发明获得透过率的原理图。
图5为理论计算获得的透过率曲线T和使用本发明的装置和方法获得的透过率曲线T1。
图中标注符号的含义如下：
1-单频率脉冲激光器 2-频率梳激光器 3-FP
41-第一分束器 42-第二分束器 43-第三分束器 5-准直器
61-第一探测器 62-第一光谱仪 71-第二探测器 72-第二光谱仪
具体实施方式
实施例1
如图3所示，利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置，包括依次设置在光路上的
单频率脉冲激光器1，用于产生单频率脉冲激光；
频率梳激光器2，将接收到的单频率脉冲激光转换成频率梳激光；
待检测的FP3，接收频率梳激光器2输出的激光；
所述装置还包括第一分束器41、第一接收单元、第二接收单元。第一接收单元用于接收频率梳激光器2输出端的激光并进行成分和光谱分析。第二接收单元用于接收待检测的FP3输出端的激光并进行成分和光谱分析。第一分束器41将频率梳激光分成第一路输出和第二路输出。第一路输出和第二路输出的激光分别发射到第一接收单元和所述待检测的FP3中。第一接收单元包括第二分束器42、第一探测器61、第一光谱仪62，第二分束器42将发射到第一接收单元中的光分出两束，分别发射到第一探测器61和第一光谱仪62中。第二接收单元包括第三分束器43、第二探测器71、第二光谱仪72，第三分束器43将发射到第二接收单元中的光分出两束，分别发射到第二探测器71和第二光谱仪72上。
单频率脉冲激光器1通过频率梳激光器2输出等间隔的多种频率分量，多种频率分量通过第一分束器41，分出为光束A1和光束A2。第二分束器42将光束A2分为光束B1和光束B2，然后通过第一光谱仪62检测光束B2的频率成分，第一探测器61接收光束B1的能量。光束A1穿过FP3标准具，通过第三分束器43把光束分为光束C1和光束C2，随后光束C2由第二光谱仪72检测其频率成分，光束C1由第二探测器71接收测量其能量。第一探测器61和第二探测器71的能量变化用于校准，然后通过比较FP3前后对应频率分量的相对能量变化，即可得到相应频率的透射率，并将各频率分量通过多项式拟合，即可得到传输曲线。
装置还包括设置有光学孔径的准直器5，所述准直器5设置在第一分束器41与待检测的FP3之间，对发射到待检测的FP3的光束进行调整。
具体地说，所述待检测的FP3为空气隙标准具或固态标准具。
装置还包括计算机(图中未示出)，所述计算机的信号输入端分别与第一接收单元和第二接收单元的输出端连接，单频率脉冲激光器1的受控端与计算机的信号输出端连接。计算机进行数据的控制和处理。
实施例2
使用实施例1所述的利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置的方法，包括以下步骤：
S1、获取所需的单频率脉冲激光的单频率脉冲激光器1和设定种类的频率梳激光器2，组装装置；
S2、按照图2中频率梳激光器2的工作原理，频率梳激光器2将单频率脉冲激光输出的单频率脉冲激光变形成不同频率分量的激光，不同频率分量的激光经过FP3，通过探测器和光谱仪一次性测量不同频率成分对应的透过率；
测量不同频率成分对应的透过率的具体步骤为：
S21、撤除装置中的FP3，获得第一接收单元中的第一探测器61和第二接收单元中的第二探测器71中的能量，并得到能量比N1＝第一探测器61的能量值/第二探测器71的能量值，N1作为校准系数；
S22、校准完毕后，通过比较第一接收单元中第一光谱仪62对应测量的频率分量和第二接收单元中第二光谱仪72对应测量的频率分量的相对能量变化，该变化乘以校准系数，得到相应频率的透射率。
S3、计算机对所有的频率成分对应的透过率进行多项式拟合，获得透过率曲线。
在该实施例中，以固态标准具为例，主要参数如下表所示。
技术参数 要求 技术参数 要求
中心波长(nm) 532 面型精度@633nm λ/100
材料折射率 1.461 精细数 17.9
光束发散全角(mrad) 8 峰值透过率 0.860
标准具厚度(mm) 0.1311 FWHM(pm) 41.3
光学孔径(mm) 40 中心波长(nm) 532.12
有效孔径(mm) 30 资源光谱范围(pm) 739
反射率 86％
从表中的参数结合背景技术中的计算方式，可得到标准具透过率曲线的数值模拟结果。
由以上数值模拟结果可知，当标准具厚度为131um，两光学表面镀有86％的反射膜时，标准具中心波长为532.37nm，峰值透过率为86％。
根据本方案，即按照如图4所示的原理，根据图4中不同的频率分量，当不同的频率分量通过FP3标准具时，透过率将随频率的变化而变化，并且整体变化趋势将和FP3的实际透过率曲线相一致，所以我们可以通过此方法一次性测量不同频率成分对应透过率，然后对所有的频率成分对应的透过率进行多项式拟合，即可得到我们所需的透过率曲线，如图5所示。
在图5中，T代表理论透过率曲线，T1代表本文所述方法得到的透射率曲线。从图中可以看出，二者吻合的非常好。这种通过一次测量就可以得到FP3透过率曲线的方法，大大提高了测量精度与有效性，有非常大的理论与应用价值。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置，其特征在于，包括依次设置在光路上的
单频率脉冲激光器(1)，用于产生单频率脉冲激光；
频率梳激光器(2)，将接收到的单频率脉冲激光转换成频率梳激光；
待检测的FP(3)，接收频率梳激光器(2)输出的激光；
所述装置还包括接收频率梳激光器(2)输出端的激光并进行成分和光谱分析的第一接收单元、接收待检测的FP(3)输出端的激光并进行成分和光谱分析的第二接收单元。
2.根据权利要求1所述的利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置，其特征在于，所述装置还包括将频率梳激光分成第一路输出和第二路输出的第一分束器(41)，第一路输出和第二路输出的激光分别发射到第一接收单元和所述待检测的FP(3)中。
3.根据权利要求2所述的利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置，其特征在于，所述第一接收单元包括接收第一分束器(41)输出激光的第二分束器(42)，第二分束器(42)分出两束激光分别对应发射到第一接收单元中的第一探测器(61)和第一光谱仪(62)上。
4.根据权利要求3所述的利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置，其特征在于，所述第二接收单元包括第三分束器(43)、第二探测器(71)和第一光谱仪(72)上，第三分束器(43)分出两束激光分别对应发射到第二探测器(71)和第一光谱仪(72)上。
5.根据权利要求1所述的利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置，其特征在于，还包括设置有光学孔径的准直器(5)，所述准直器(5)设置在第一分束器(41)与待检测的FP(3)之间。
6.根据权利要求1所述的利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置，其特征在于，所述待检测的FP(3)为空气隙标准具。
7.根据权利要求1所述的利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置，其特征在于，所述待检测的FP(3)为固态标准具。
8.根据权利要求7所述的利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置，其特征在于，装置还包括计算机，所述计算机的信号输入端分别与第一接收单元和第二接收单元的输出端连接，单频率脉冲激光器(1)的受控端与计算机的信号输出端连接。
9.使用权利要求1-8任意一项所述的利用频率梳光源测FP的透过率曲线的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取所需的单频率脉冲激光的单频率脉冲激光器(1)和设定种类的频率梳激光器(2)，组装装置；
S2、频率梳激光器(2)将单频率脉冲激光输出的单频率脉冲激光变形成不同频率分量的激光，不同频率分量的激光经过FP(3)，通过探测器和光谱仪一次性测量不同频率成分对应的透过率；
S3、计算机对所有的频率成分对应的透过率进行多项式拟合，获得透过率曲线。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤S2中测量不同频率成分对应的透过率的具体步骤为：
S21、撤除装置中的FP(3)，获得第一接收单元中的第一探测器(61)和第二接收单元中的第二探测器(71)中的能量，并得到能量比N1＝第一探测器(61)的能量值/第二探测器(71)的能量值，N1作为校准系数；
S22、校准完毕后，通过比较第一接收单元中第一光谱仪(62)对应测量的频率分量和第二接收单元中第二光谱仪(72)对应测量的频率分量的相对能量变化，该变化乘以校准系数，得到相应频率的透射率。
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