CN111351569B - 一种测量连续激光器线宽的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光器线宽测量技术领域，为了解决现有技术中激光线宽测量精度不足，测量范围小的问题，提供了一种测量连续激光器线宽的装置及方法，装置包括频率鉴别装置、功率谱密度获取装置、伺服锁定装置和软件处理单元；频率鉴别装置用于根据待测激光器发出的激光得到频率参考信号；所述功率谱密度获取装置用于得到激光的残余误差功率谱密度；伺服锁定装置用于对待测激光器进行调制和伺服锁定；软件处理单元用于对残余误差功率谱密度数据进行分析得到激光线宽的大小。本发明基于残余误差功率谱密度的几何划分，实现对激光线宽的测量及实时显示，具有可测量范围广，测量速度快，可移植能力强、测量精度高等诸多优点。

Description

一种测量连续激光器线宽的装置及方法

技术领域

本发明属于激光器线宽测量技术领域，具体是一种测量连续激光器线宽的装置及方法。

背景技术

随着激光技术的发展，单频连续激光器由于其窄线宽，低噪声，高相干性，高稳定性等特征被广泛应用于原子物理，量子光学，高分辨频率计量等方面的研究。同时，窄线宽激光器在光通讯，精密测量等领域有着重要的意义。在实际应用中，激光线宽往往用来当作激光器的频率波动程度的评价指标。

最初的检测激光器线宽的方法是利用频率参考仪，但是传统的频率参考仪往往通过旋转光栅来确定待测激光的波长，这种方法受限于其光栅刻线的精度，一般都在纳米量级。利用高精度的法布里珀罗干涉仪可以测量兆赫兹量级的激光线宽，该方法是通过扫描法布里珀罗干涉仪的腔长来获取激光的线宽，但是价格高昂而且不能测量千赫兹量级以下的激光线宽，这也限制了其被广泛用于激光线宽的测量。随后又继续提出双光束拍频法和单光束延迟自拍频法。传统的双光束拍频是指将一束稳定频率的激光与待测激光进行拍频，通过测量拍频线宽确定激光器的线宽。这种方法往往需要复杂的实验系统。单光束延迟自拍频法往往需要通过光纤进行延时，这会带来光路的损耗，偏振的改变等一系列复杂情况，同时过长的光纤不但提高了成本，而且系统的体积的增加还导致其使用不方便。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种可以快速获得待测激光器的线宽，操作方便，而且激光线宽测量精确程度高的测量连续激光器线宽的装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种测量连续激光器线宽的装置，包括频率鉴别装置、功率谱密度获取装置、伺服锁定装置和软件处理单元；

所述频率鉴别装置用于根据待测激光器发出的激光得到频率参考信号；

所述功率谱密度获取装置用于对频率参考装置的频率参考信号进行光电转化得到电信号；对电信号进行解调得到残余误差信号；以及对残余误差信号进行频谱分析，得到激光的残余误差功率谱密度；

所述伺服锁定装置用于对待测激光器进行调制，还用于根据所述功率谱密度获取装置解调得到的残余误差信号对激光器进行伺服锁定；

所述软件处理单元用于对所述功率谱密度获取装置获得的残余误差功率谱密度数据进行分析，利用快慢调制区划分线对频谱数据划分得到慢调制区，以及计算慢调制区面积，并根据慢调制区的面积得到激光线宽的大小。

所述频率鉴别装置包括光栅频率参考仪和频率参考装置，所述光栅频率参考仪用于识别激光器发出激光的波长，所述频率参考装置用于获得待测激光器的频率参考信号；

所述功率谱密度获取装置包括探测器、解调装置和频谱仪，所述探测器用于对频率参考信号进行光电转化得到电信号，所述解调装置用于对电信号进行解调得到残余误差信号，所述频谱仪用于对残余误差信号进行频谱分析，得到激光的残余误差功率谱密度；

所述伺服锁定装置包括调制信号发生器和伺服控制器，所述调制信号发生器与激光器的调制端口连接，所述伺服控制器的输入端与所述解调装置的输出端连接，所述伺服控制器的输入端与激光器的控制输入端连接。

所述频率参考装置为法布里珀罗干涉仪或饱和吸收谱装置。

所述软件处理单元对残余误差功率谱密度数据进行分析时，将功率谱密度数据S_δv(f)大于快慢调制区划分线S₀(f)的频率f划分到慢调制区，所述快慢调制区划分线为

计算慢调制区面积S的公式为：

其中H表示单位阶梯函数，当x>0时，有H(x)＝1；当x<0时，有H(x)＝0；

激光线宽FWHM的计算公式为：

另一方面，本发明还提供了一种测量连续激光器线宽的方法，包括以下步骤：

S1、对待测激光器进行频率调制，通过频率参考装置获取待测激光器的频率参考信号，并将频率参考信号转化为残余误差信号，同时将残余误差信号发送至伺服锁定装置对待测激光器进行频率锁定；

S2、通过频谱仪对残余误差信号进行频谱分析，得到激光的残余误差功率谱密度；

S3、对得到的残余误差功率谱密度数据进行分析，利用快慢调制区划分线对频谱数据划分得到慢调制区，然后计算慢调制区面积，并根据慢调制区的面积计算得到激光线宽的大小。

所述步骤S1中，还包括通过光栅频率参考仪对激光进行检测得到激光波长所处的范围，并选择频率参考装置的步骤；所述频率参考装置为与激光器波长对应的法布里珀罗干涉仪或者原子或分子的饱和吸收谱装置。

所述步骤S1中，待测激光器的频率调制频率为MHz量级。

所述步骤S3中，对残余误差功率谱密度数据进行分析时，将功率谱密度数据S_δv(f)大于快慢调制区划分线S₀(f)的频率f划分到慢调制区，所述快慢调制区划分线为：

计算慢调制区面积S的公式为：

其中H表示单位阶梯函数，当x>0时，有H(x)＝1；当x<0时，有H(x)＝0；

激光线宽FWHM的计算公式为：

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明提供了一种测量连续激光器线宽的装置及方法，利用残余误差功率谱密度进行分析计算，可以精确快速的测量激光的线宽，本发明具有可移植性强，测量速度快，测量精度高等明显优势。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种测量连续激光器线宽的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中测量得到的腔模频率参考信号及残余误差信号的示意图；

图3为本发明实施例中测量得到的残余误差功率谱密度分布示意图，图中虚线表示快慢调制区划分线。

图中：1为频率鉴别装置，2为功率谱密度获取装置，3为伺服锁定装置，4为软件处理单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种测量连续激光器线宽的装置，包括频率鉴别装置1、功率谱密度获取装置2、伺服锁定装置3和软件处理单元4。

其中，所述频率鉴别装置1用于根据待测激光器发出的激光得到频率参考信号；所述功率谱密度获取装置2用于对频率参考装置的频率参考信号进行光电转化得到电信号；对电信号进行解调得到残余误差信号；以及对残余误差信号进行频谱分析，得到激光的残余误差功率谱密度；所述伺服锁定装置3用于对待测激光器进行调制，还用于根据所述功率谱密度获取装置2解调得到的残余误差信号对激光器进行伺服锁定；所述软件处理单元4用于对所述功率谱密度获取装置2获得的残余误差功率谱密度数据进行分析，利用快慢调制区划分线对频谱数据划分得到慢调制区，以及计算慢调制区面积，并根据慢调制区的面积得到激光线宽的大小。

具体地，如图1所示，本实施例中，所述频率鉴别装置1包括光栅频率参考仪和频率参考装置，所述光栅频率参考仪用于识别激光器发出激光的波长，所述频率参考装置用于获得待测激光器的频率参考信号。所述功率谱密度获取装置2包括探测器、解调装置和频谱仪，所述探测器用于对频率参考信号进行光电转化得到电信号，所述解调装置用于对该电信号进行解调得到残余误差信号，所述频谱仪用于对残余误差信号进行频谱分析，得到激光的残余误差功率谱密度。此外，光栅频率参考仪具体可以为光栅光谱仪。

具体地，如图1所示，所述伺服锁定装置3包括调制信号发生器和伺服控制器，所述调制信号发生器与激光器的调制输入端口连接，所述伺服控制器的输入端与所述解调装置的输出端连接，所述伺服控制器的输入端与激光器的控制输入端连接。

进一步地，本实施例中，所述频率参考装置为法布里珀罗干涉仪或饱和吸收谱装置。本实施例中，光栅频率参考仪对激光进行检测可以知道激光波长所处的范围，从而选择合适的频率参考装置，若激光波长正好与某些原子跃迁线相对应，通过调谐激光器的频率，使用原子蒸汽池可以得到原子跃迁频率参考信号；若激光波长正好与某些分子跃迁线相对应，使用蒸汽池也可以得到相应的分子跃迁频率参考信号；同时选择合适波长的法布里珀罗干涉仪，也可以在法布里珀罗干涉仪后探测到共振腔模的频率参考信号。

本实施例中，功率谱密度获取装置2中的光电探测器通过对激光的强度变化的精密探测，可以得到当激光频率发生调谐时的法布里珀罗干涉仪或原子跃迁线所对应的频率参考信号。利用较小的调制幅度以及调制频率为兆赫兹量级的调制信号对待测激光器进行调制，通过解调装置可对所得到的频率参考信号进行解调，从而得到频率参考对应的残余误差信号。频率参考信号和残余误差信号如图2所示，对激光器频率锁定，频率的波动情况就会显示为频率参考信号幅度的波动情况。伺服锁定装置3中的伺服控制器通过接受功率谱密度获取装置2传输来的残余误差信号对激光器的频率进行伺服锁定。从而去除激光频率漂移中的长期漂移成分，包括温度，机械振动等的影响。激光的频率锁定完成后，功率谱密度获取装置2通过解调装置获得锁定后残余误差信号，并将残余误差信号输入频谱分析仪中进行残余误差功率谱密度的采集，最终将残余误差功率谱密度输入软件处理单元。

进一步地，本实施例中，所述软件处理单元4对残余误差功率谱密度数据进行分析时，将功率谱密度数据S_δυ(f)大于快慢调制区划分线S₀(f)的频率f划分到慢调制区，所述快慢调制区划分线为：

计算慢调制区面积S的公式为：

其中H表示单位阶梯函数，当x>0时，有H(x)＝1；当x<0时，有H(x)＝0。

激光线宽FWHM的计算公式为：

下面介绍本实施例中，软件处理单元对残余误差功率谱密度数据进行分析得到及激光线宽的工作原理。

将残余误差信号输入频谱仪，可以直接得到如图3所示的残余误差功率谱密度S_δυ(f)的分布示意图。对残余误差功率谱密度数据进行分析，激光的光场强度表达式为：

其中E₀为振幅，t为时间，

为相位，v为激光中心频率，其自相关函数为：

R(t)＝<E(t)*E(t-τ)^*>； (5)

其中，τ为时间间隔。由频谱仪可知残余误差功率谱密度S_δυ(f)，其自相关函数可以写为：

其中，f表示频率，此时激光的线型函数S_E(τ)可以由自相关函数R_E(τ)傅里叶变换得到，其表达式为：

对残余误差功率谱密度数据进行单位换算并转移到计算单元。功率谱密度和激光的线型函数有关。功率谱密度的变化导致了激光线型函数的变化，也就导致了激光线宽的变化。

然后利用快慢调制区划分线对误差功率谱密度进行划分。以f₀作为划分的频率临界点，通过对线型函数的分析可得，当频率小于f₀时，对线型函数积分可得：

此时激光线型呈高斯分布：

线宽可表示为：

FWHM(g)＝8*ln 2f₀S_δυ1； (10)

其中S_δυ1是在频率大于f₀时功率谱的值；当频率大于f₀时，对线型函数积分得到：

此时为激光呈洛伦兹分布：

线宽可表示为：

FWHM(l)＝π*S_δυ2。 (13)

其中S_δυ2是在频率小于f₀时功率谱的值，把功率谱作为应变量，频率就是自变量，低频部分导致了激光线型成高斯分布，对激光的线宽影响大，高频部分导致了激光线型成洛伦兹分布，对激光线宽影响小，因此，低频到高频的转化的临界点可以作为快慢调制区的分界频率。取高斯线型到洛伦兹线型相互转化的频率为f₀，令：

对(14)式求解可得：

由此可对残余误差功率谱密度数据进行划分，令

则当S_δυ(f)<S₀(f)时，线宽呈洛伦兹线型，和频率无关，将该部分划分为快调制区，表征对激光线宽的影响较小；当S_δυ(f)>S₀(f)时，线宽呈高斯线型，大小和频率有关，将该部分划分为慢调制区，该部分对激光线宽的影响较大。因此，式(1)即为快调制区和慢调制区的划分线。通过公式进行划分得到快调制区和满调制区，则通过公式(2)和公式(3)，即可以计算得到待测激光器的线宽，因此，本发明通过对残余误差功率谱密度进行分析计算，可以精确快速的测量激光的线宽。这种方式有着可移植性强，测量速度快，测量精度高等明显优势。

进一步地，本发明实施例还提供了一种测量连续激光器线宽的方法，包括以下步骤：

S1、对待测激光器进行频率调制，通过频率参考装置获取待测激光器的频率参考信号，并将频率参考信号转化为残余误差信号，同时将残余误差信号发送至伺服锁定装置3对待测激光器进行频率锁定；

S2、通过频谱仪对残余误差信号进行频谱分析，得到激光的残余误差功率谱密度；

S3、对得到的残余误差功率谱密度数据进行分析，利用快慢调制区划分线对频谱数据划分得到慢调制区，然后计算慢调制区面积，并根据慢调制区的面积计算得到激光线宽的大小。

进一步地，所述步骤S1中，还包括通过光栅频率参考仪对激光进行检测得到激光波长所处的范围，并选择频率参考装置的步骤；所述频率参考装置为与激光器波长对应的法布里珀罗干涉仪或者原子或分子的饱和吸收谱装置。

进一步地，所述步骤S1中，待测激光器的频率调制频率为MHz量级。

其中，所述步骤S3中，对残余误差功率谱密度数据进行分析时，将功率谱密度数据S_δυ(f)大于快慢调制区划分线S0的频率f划分到慢调制区，所述快慢调制区划分线，慢调制区的面积S和激光线宽的计算公式分别为式(1)～式(3)。

采用本发明对窄线宽可调谐半导体激光器(DL pro，Toptica公司)的线宽进行测量，其中通过法布里珀罗干涉仪作为频率参考进行频率锁定，利用快慢调制区划分线对残余误差功率谱密度对进行划分，最后通过对慢调制区面积进行积分计算激光的线宽。图2为腔模频率参考信号以及误差信号，频率参考信号中是一个完整的腔模信号，其自由光谱区为4000MHz，腔模信号做了归一化处理；误差信号是通过调制解调技术获得的。图3为测得残余误差功率谱密度分布，其中阴影部分的面积为S＝27639300Hz²，被划分为慢调制区。经过计算，该激光器的线宽为12.38kHz，同时我们利用光梳拍频测量得到的线宽为12.53kHz。由此证明该方法可行性高。

综上所述，本发明提供了一种测量连续激光器线宽的装置和方法，其通过对激光器进行频率调制，然后利用频率参考装置得到频率参考信号，对参考信号进行解调后得到残余误差信号，一方面将残余误差信号发送至伺服锁定装置对待测激光器进行频率锁定，另一方面通过频谱仪得到激光的残余误差功率谱密度，并通过快慢调制区划分线对频谱数据划分得到慢调制区，然后计算慢调制区面积，并根据慢调制区的面积计算得到激光线宽的大小，可以精确快速的测量激光的线宽，具有可移植性强，测量速度快，测量精度高等明显优势。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (8)

1.一种测量连续激光器线宽的装置，其特征在于，包括频率鉴别装置（1）、功率谱密度获取装置（2）、伺服锁定装置（3）和软件处理单元（4）；

所述频率鉴别装置（1）用于根据待测激光器发出的激光得到频率参考信号；

所述功率谱密度获取装置（2）用于对频率鉴别装置（1）得到的频率参考信号进行光电转化得到电信号；对电信号进行解调得到残余误差信号；以及对残余误差信号进行频谱分析，得到激光的残余误差功率谱密度；

所述伺服锁定装置（3）用于对待测激光器进行调制，还用于根据所述功率谱密度获取装置（2）解调得到的残余误差信号对激光器进行伺服锁定；

所述软件处理单元（4）用于对所述功率谱密度获取装置（2）获得的残余误差功率谱密度数据进行分析，利用快慢调制区划分线对频谱数据划分得到慢调制区，以及计算慢调制区面积，并根据慢调制区的面积得到激光线宽的大小；

所述软件处理单元（4）对残余误差功率谱密度数据进行分析时，将功率谱密度数据

大于快慢调制区划分线

的频率f划分到慢调制区，所述快慢调制区划分线为

。

2.根据权利要求1所述的一种测量连续激光器线宽的装置，其特征在于，所述频率鉴别装置（1）包括光栅频率参考仪和频率参考装置，所述光栅频率参考仪用于识别激光器发出激光的波长，所述频率参考装置用于获得待测激光器的频率参考信号；

所述功率谱密度获取装置（2）包括探测器、解调装置和频谱仪，所述探测器用于对频率参考信号进行光电转化得到电信号，所述解调装置用于对电信号进行解调得到残余误差信号，所述频谱仪用于对残余误差信号进行频谱分析，得到激光的残余误差功率谱密度；

所述伺服锁定装置（3）包括调制信号发生器和伺服控制器，所述调制信号发生器与激光器的调制端口连接，所述伺服控制器的输入端与所述解调装置的输出端连接，所述伺服控制器的输出端与激光器的控制输入端连接。

3.根据权利要求1所述的一种测量连续激光器线宽的装置，其特征在于，所述频率参考装置为法布里珀罗干涉仪或饱和吸收谱装置。

4.根据权利要求1所述的一种测量连续激光器线宽的装置，其特征在于，所述软件处理单元（4）计算慢调制区面积S的公式为：

；

其中H表示单位阶梯函数，当 x>0 时，有H(x)=1；当 x<0 时，有 H(x)=0；

激光线宽FWHM的计算公式为：

。

5.一种测量连续激光器线宽的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对待测激光器进行频率调制，通过频率参考装置获取待测激光器的频率参考信号，并将频率参考信号转化为残余误差信号，同时将残余误差信号发送至伺服锁定装置（3）对待测激光器进行频率锁定；

S2、通过频谱仪对残余误差信号进行频谱分析，得到激光的残余误差功率谱密度；

S3、对得到的残余误差功率谱密度数据进行分析，利用快慢调制区划分线对频谱数据划分得到慢调制区，然后计算慢调制区面积，并根据慢调制区的面积计算得到激光线宽的大小；

所述步骤S3中，对残余误差功率谱密度数据进行分析时，将功率谱密度数据

大于快慢调制区划分线

的频率f划分到慢调制区，所述快慢调制区划分线为

。

6.根据权利要求5所述的一种测量连续激光器线宽的方法，其特征在于，所述步骤S1中，还包括通过光栅频率参考仪对激光进行检测得到激光波长所处的范围，并选择频率参考装置的步骤；所述频率参考装置为与激光器波长对应的法布里珀罗干涉仪或者原子或分子的饱和吸收谱装置。

7.根据权利要求5所述的一种测量连续激光器线宽的方法，其特征在于，所述步骤S1中，待测激光器的频率调制频率为MHz量级。

8.根据权利要求5所述的一种测量连续激光器线宽的方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算慢调制区面积S的公式为：

；

其中H表示单位阶梯函数，当 x>0 时，有H(x)=1；当 x<0 时，有 H(x)=0；

激光线宽FWHM的计算公式为：

。

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