CN110567594A - 精密激光波长测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于激光波长精密测量技术领域，涉及一种精密激光波长测量系统，所述系统包括光梳梳齿光处理装置、被测光处理装置、重合转换处理装置以及波长测量装置；通过将一束弱功率的被测激光耦合后进入保偏光纤，通过将所述光梳梳齿光与被测激光合束后，在保偏光纤芯内实现所述光梳梳齿光与被测激光的精密重合，从而产生光学干涉，以实现激光波长测量。即当所述被测激光与光梳梳齿光的频率差小于光电探测器的探测带宽时，所述光电探测器输出激光频差的光拍频信号，通过记录所述光拍频信号的频率实现被测激光波长的精密测量。本发明实施例可以实现弱激光波长的高灵敏度、高准确度地测量，产生的光拍频信号信噪比高，波长测量数据可靠。
Description
技术领域
本发明属于激光波长精密测量技术领域，尤其涉及一种精密激光波长测量系统。
背景技术
对激光波长进行精密测量在精密几何量测量、光谱探测以及光纤传感等领域都具有重要作用。目前常用激光波长的测量方法主要是基于空间光激光光拍频测量方法，该方法普遍用于单色激光之间的光拍频测量。
然而，对于使用光梳梳齿光测量弱功率稳频激光器发射的被测激光波长，由于受到光梳梳齿功率和被测激光弱功率的限制，使用传统空间光光拍频方法难以实现高信噪比的光拍频测量。
基于上述问题，本发明需提出一种精密激光波长测量系统，以实现高信噪比光拍频测量激光波长，有效地提高了光梳梳齿光测量弱功率激光的信噪比。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了精密激光波长测量系统，以解决现有技术难以满足高信噪比光拍频测量激光波长的需求。
本发明提供了一种精密激光波长测量系统，所述系统包括光梳梳齿光处理装置、被测光处理装置、重合转换处理装置以及波长测量装置；
所述光梳梳齿光处理装置包括依次设置的飞秒激光器、第一二分之一波片、第一耦合透镜、第一光纤准直镜以及第一保偏光纤；其中，所述飞秒激光器用于产生飞秒激光光学频率梳；
所述被测光处理装置包括依次设置的稳频激光器、第二二分之一波片、第二耦合透镜、第二光纤准直镜以及第二保偏光纤；其中，所述稳频激光器用于产生弱功率的被测激光；
所述重合转换处理装置包括依次设置的光纤偏振合束器、第三保偏光纤、第三光纤准直镜、反射镜、第三二分之一波片、偏振分光棱镜、光栅以及光阑；
所述波长测量装置包括光电探测器、窄带频率滤波器、微波放大器以及频率计数器；
其中，所述飞秒激光器产生的飞秒激光光学频率梳输出光梳梳齿光，所述光梳梳齿光依次通过所述第一二分之一波片、所述第一耦合透镜、所述第一光纤准直镜以及所述第一保偏光纤，输出第一光纤光；
所述稳频激光器产生弱功率的被测激光，所述被测激光通过所述第二二分之一波片、所述第二耦合透镜、所述第二光纤准直镜以及所述第二保偏光纤，输出第二光纤光；所述第一光纤光与所述第二光纤光的偏振方向相互垂直；
所述第一光纤光与所述第二光纤光分别同时进入所述光纤偏振合束器进行重合，并将重合后得到的第三光纤光依次通过所述第三保偏光纤、所述第三光纤准直镜、所述反射镜、所述第三二分之一波片、所述偏振分光棱镜、所述光栅以及所述光阑，输出干涉光束；
所述光电探测器接收所述干涉光束并将所述干涉光束转换成光拍频信号，将所述光拍频信号输入所述窄带频率滤波器进行滤波处理、并将滤波处理得到的信号输入所述功率放大器进行功率放大处理得到高功率拍频信号，并将所述高功率拍频信号输入所述频率计数器进行频率测量，经频率测量得到的信号频率为所述被测激光的激光波长。
可选地，在本发明所述精密激光波长测量系统的另一个实施例中，所述第一二分之一波片、所述第二二分之一波片、第三二分之一波片均用于调节光的偏振方向；所述第一二分之一波片与所述第二二分之一波片调节的偏振方向相互垂直；所述第三二分之一波片还用于控制从所述第三光纤准直镜输出的两束空间光激光在所述偏振分光棱镜透射方向的投影比例，以调节所述光拍频信号的信噪比。
可选地，在本发明所述精密激光波长测量系统的另一个实施例中，所述第一耦合透镜、第二耦合透镜均用于对光进行耦合处理；所述第一光纤准直镜、第二光纤准直镜、第三光纤准直镜均用于对光进行准直处理；所述第三光纤准直镜还用于将所述重合后得到的第三光纤光转换为偏振方向相互垂直的两束空间光激光。
可选地，在本发明所述精密激光波长测量系统的另一个实施例中，所述第一保偏光纤、第二保偏光纤、第三保偏光纤均用于保证光的偏振方向不变以提高相干信噪比。
可选地，在本发明所述精密激光波长测量系统的另一个实施例中，所述光纤偏振合束器用于实现将所述第一光纤光与所述第二光纤光进行波前重合；所述反射镜用于对光进行反射处理；所述偏振分光棱镜用于将偏振方向相互垂直的所述两束空间光激光进行分离；所述光栅用于实现将所述光梳梳齿光在空间分离出光谱、以提升所述两束空间光激光的空间投影效率并提高所述光拍频信号的信噪比；所述光阑用于遮挡所述光梳梳齿光分离出的光谱、并允许与所述被测激光重合的部分所述光梳梳齿光通过。
可选地，在本发明所述精密激光波长测量系统的另一个实施例中，所述窄带频率滤波器具体用于滤除所述飞秒激光光学频率梳的周期性微波信号和杂波信号；所述频率计数器用于对输入的所述高功率拍频信号的频率进行测量。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的精密激光波长测量系统实施例的组成结构图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
目前常用激光波长的测量方法主要是基于空间光激光光拍频测量方法，该方法普遍用于单色激光之间的光拍频测量。然而，对于使用光梳梳齿光测量弱功率稳频激光器发射的被测激光波长，由于受到光梳梳齿功率和被测激光弱功率的限制，使用传统空间光光拍频方法难以实现高信噪比的光拍频测量。本发明需提出一种精密激光波长测量系统，以实现高信噪比光拍频测量激光波长，并有效地提高光梳梳齿光测量弱功率激光的信噪比。
为了具体说明上述精密激光波长测量系统，下面通过具体实施例来进行说明。
如图1所示，图1是本发明提供的精密激光波长测量系统实施例的组成结构图。所述系统包括光梳梳齿光处理装置、被测光处理装置、重合转换处理装置以及波长测量装置。
所述光梳梳齿光处理装置包括依次设置的飞秒激光器1、第一二分之一波片2、第一耦合透镜3、第一光纤准直镜4以及第一保偏光纤5；其中，所述飞秒激光器1用于产生飞秒激光光学频率梳。
所述被测光处理装置包括依次设置的稳频激光器6、第二二分之一波片7、第二耦合透镜8、第二光纤准直镜9以及第二保偏光纤10；其中，所述稳频激光器6用于产生弱功率的被测激光。譬如，被测激光为100μW的弱功率激光。
所述重合转换处理装置包括依次设置的光纤偏振合束器11、第三保偏光纤12、第三光纤准直镜13、反射镜14、第三二分之一波片15、偏振分光棱镜16、光栅17以及光阑18。
所述波长测量装置包括光电探测器19、窄带频率滤波器20、微波放大器21以及频率计数器22。
本发明具体实施时，所述飞秒激光器1产生的飞秒激光光学频率梳输出光梳梳齿光，所述光梳梳齿光依次通过所述第一二分之一波片2、所述第一耦合透镜3、所述第一光纤准直镜4以及所述第一保偏光纤5，以输出第一光纤光。所述稳频激光器6产生弱功率的被测激光，所述被测激光通过所述第二二分之一波片7、所述第二耦合透镜8、所述第二光纤准直镜9以及所述第二保偏光纤10，输出第二光纤光。其中，所述第一光纤光与所述第二光纤光的偏振方向相互垂直。所述第一光纤光与所述第二光纤光分别同时进入所述光纤偏振合束器11进行重合，并将重合后得到的第三光纤光依次通过所述第三保偏光纤12、所述第三光纤准直镜13、所述反射镜14、所述第三二分之一波片15、所述偏振分光棱镜16、所述光栅17以及所述光阑18，输出干涉光束。
通过所述第三保偏光纤12内实现两束激光光束空间重合，提高了两束激光光束在空间重合程度，实现两束激光光波前的一致性。即将两束偏振方向相互垂直的激光以90％的通过率耦合进同一保偏光纤，能有效地减少了光功率的损失。该方式解决了经典空间光光拍频测量激光波长中测量光与被测光之间的空间重合以及波前重合问题，尤其对于本发明采用光梳梳齿光测量激光波长来说，实现测量光与被测光之间的空间重合将更加重要。
所述光电探测器19接收所述干涉光束并将所述干涉光束转换成光拍频信号，将所述光拍频信号输入所述窄带频率滤波器20进行滤波处理、并将滤波处理得到的信号输入所述功率放大器进行功率放大处理得到高功率拍频信号，并将所述高功率拍频信号输入所述频率计数器22进行频率测量，经频率测量得到的信号频率为所述被测激光的激光波长。
通过将一束弱功率的被测激光耦合后进入保偏光纤，通过将所述光梳梳齿光与被测激光合束后，在保偏光纤芯内实现所述光梳梳齿光与被测激光的精密重合，从而产生光学干涉，以实现激光波长测量。即当所述光梳梳齿光与被测激光的频率差小于光电探测器的探测带宽时，所述光电探测器输出激光频差的光拍频信号，通过记录所述光拍频信号的频率实现所述被测激光波长的精密测量。本发明实施例可以实现弱激光波长的高灵敏度、准确的测量，产生的光拍频信号信噪比高，波长测量数据可靠。本发明的激光光波测量系统基于光纤耦合重合波前实现高信噪比光拍频频率测量，从而有效地将光梳梳齿光测量弱功率激光的信噪比提高至30dB以上。
进一步地，所述第一二分之一波片2、所述第二二分之一波片7、第三二分之一波片15均用于调节光的偏振方向；所述第一二分之一波片2与所述第二二分之一波片7调节的偏振方向相互垂直；所述第三二分之一波片15还用于控制从所述第三光纤准直镜13输出的两束空间光激光在所述偏振分光棱镜16透射方向的投影比例，以调节所述光拍频信号的信噪比。
进一步地，所述第一耦合透镜3、第二耦合透镜8均用于对光进行耦合处理；所述第一光纤准直镜4、第二光纤准直镜9、第三光纤准直镜13均用于对光进行准直处理；所述第三光纤准直镜13还用于将所述重合后得到的第三光纤光转换为偏振方向相互垂直的两束空间光激光。
进一步地，所述第一保偏光纤5、第二保偏光纤10、第三保偏光纤12均用于保证光的偏振方向不变以提高相干信噪比。
进一步地，所述光纤偏振合束器11用于实现将所述第一光纤光与所述第二光纤光进行波前重合；经重合后得到的光纤光转换为偏振方向相互垂直的两束空间光激光，此时偏振方向相互垂直的两束空间光激光通过光纤偏振合束器11实现高效率地波前重合，有效地避免了合束过程中的功率损失。
所述反射镜14用于对光进行反射处理；即采用反射镜14可以根据需要调节光的传播方向。所述偏振分光棱镜16用于将偏振方向相互垂直的所述两束空间光激光进行分离；所述光栅17用于实现将所述光梳梳齿光在空间分离出光谱、以提升所述两束空间光激光的空间投影效率并提高所述光拍频信号的信噪比；所述光阑18用于遮挡所述光梳梳齿光分离出的光谱、并允许与所述被测激光重合的部分所述光梳梳齿光通过。
进一步地，所述窄带频率滤波器20具体用于滤除所述飞秒激光光学频率梳的周期性微波信号和杂波信号；所述频率计数器22用于对输入的所述高功率拍频信号的频率进行测量。由于采用激光光学频率梳光拍频测量激光波长，通常情况下会产生大量杂波干扰微波信号，为有效提取真实光拍频产生的微波信号，本发明引入了窄带带通频率滤波器和微波放大器，实现对有效微波信号的提取，以提高频率计测量频率的可靠性和可信度。
本发明提供的精密激光波长测量系统，包括光梳梳齿光处理装置、被测光处理装置、重合转换处理装置以及波长测量装置，通过将一束弱功率的被测激光耦合后进入保偏光纤，通过将所述光梳梳齿光与被测激光合束后，在保偏光纤芯内实现所述光梳梳齿光与被测激光的精密重合，从而产生光学干涉，以实现激光波长测量。即当所述光梳梳齿光与被测激光的频率差小于光电探测器的探测带宽时，所述光电探测器输出激光频差的光拍频信号，通过记录所述光拍频信号的频率实现所述被测激光波长的精密测量。本发明实施例可以实现弱激光波长的高灵敏度、准确的测量，产生的光拍频信号信噪比高，波长测量数据可靠且环境适应能力强，可广泛应用于精密光波长检测、光谱探测中输出波长的漂移记录以及精密干涉测量中的精密波长分辨等方面。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种精密激光波长测量系统，其特征在于，所述系统包括光梳梳齿光处理装置、被测光处理装置、重合转换处理装置以及波长测量装置；
所述光梳梳齿光处理装置包括依次设置的飞秒激光器、第一二分之一波片、第一耦合透镜、第一光纤准直镜以及第一保偏光纤；其中，所述飞秒激光器用于产生飞秒激光光学频率梳；
所述被测光处理装置包括依次设置的稳频激光器、第二二分之一波片、第二耦合透镜、第二光纤准直镜以及第二保偏光纤；其中，所述稳频激光器用于产生弱功率的被测激光；
所述重合转换处理装置包括依次设置的光纤偏振合束器、第三保偏光纤、第三光纤准直镜、反射镜、第三二分之一波片、偏振分光棱镜、光栅以及光阑；
所述波长测量装置包括光电探测器、窄带频率滤波器、微波放大器以及频率计数器；
其中，所述飞秒激光器产生的飞秒激光光学频率梳输出光梳梳齿光，所述光梳梳齿光依次通过所述第一二分之一波片、所述第一耦合透镜、所述第一光纤准直镜以及所述第一保偏光纤，输出第一光纤光；
所述稳频激光器产生弱功率的被测激光，所述被测激光通过所述第二二分之一波片、所述第二耦合透镜、所述第二光纤准直镜以及所述第二保偏光纤，输出第二光纤光；所述第一光纤光与所述第二光纤光的偏振方向相互垂直；
所述第一光纤光与所述第二光纤光分别同时进入所述光纤偏振合束器进行重合，并将重合后得到的第三光纤光依次通过所述第三保偏光纤、所述第三光纤准直镜、所述反射镜、所述第三二分之一波片、所述偏振分光棱镜、所述光栅以及所述光阑，输出干涉光束；
所述光电探测器接收所述干涉光束并将所述干涉光束转换成光拍频信号，将所述光拍频信号输入所述窄带频率滤波器进行滤波处理、并将滤波处理得到的信号输入所述功率放大器进行功率放大处理得到高功率拍频信号，并将所述高功率拍频信号输入所述频率计数器进行频率测量，经频率测量得到的信号频率为所述被测激光的激光波长。
2.如权利要求1所述精密激光波长测量系统，其特征在于，所述第一二分之一波片、所述第二二分之一波片、第三二分之一波片均用于调节光的偏振方向；所述第一二分之一波片与所述第二二分之一波片调节的偏振方向相互垂直；所述第三二分之一波片还用于控制从所述第三光纤准直镜输出的两束空间光激光在所述偏振分光棱镜透射方向的投影比例，以调节所述光拍频信号的信噪比。
3.如权利要求1所述精密激光波长测量系统，其特征在于，所述第一耦合透镜、第二耦合透镜均用于对光进行耦合处理；所述第一光纤准直镜、第二光纤准直镜、第三光纤准直镜均用于对光进行准直处理；所述第三光纤准直镜还用于将所述重合后得到的第三光纤光转换为偏振方向相互垂直的两束空间光激光。
4.如权利要求1所述精密激光波长测量系统，其特征在于，所述第一保偏光纤、第二保偏光纤、第三保偏光纤均用于保证光的偏振方向不变以提高相干信噪比。
5.如权利要求1所述精密激光波长测量系统，其特征在于，所述光纤偏振合束器用于实现将所述第一光纤光与所述第二光纤光进行波前重合；所述反射镜用于对光进行反射处理；所述偏振分光棱镜用于将偏振方向相互垂直的所述两束空间光激光进行分离；所述光栅用于实现将所述光梳梳齿光在空间分离出光谱、以提升所述两束空间光激光的空间投影效率并提高所述光拍频信号的信噪比；所述光阑用于遮挡所述光梳梳齿光分离出的光谱、并允许与所述被测激光重合的部分所述光梳梳齿光通过。
6.如权利要求1所述精密激光波长测量系统，其特征在于，所述窄带频率滤波器具体用于滤除所述飞秒激光光学频率梳的周期性微波信号和杂波信号；所述频率计数器用于对输入的所述高功率拍频信号的频率进行测量。
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