CN111537200B - 一种基于循环自外差法测量激光器线宽的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于循环自外差法测量激光器线宽的装置及方法，包括：待测激光器；待测激光器通过光纤依次连接有光纤可调衰减器、环形器和部分法拉第旋转镜；部分法拉第旋转镜的输入端g与环形器的端口b相连接，部分法拉第旋转镜的输出端h与Y型耦合器的分支端口d相连接；Y型耦合器的合束端口e与第一法拉第旋转镜连接，Y型耦合器的分支端口f通过光纤依次连接有延时光纤、声光频移器和第二法拉第旋转镜连接，形成光束可往返循环的自外差环路。本发明采用延时亚相干的循环自外差干涉方法，通过对拍频光谱相干包络的分析，可达到精密测量超窄激光器线宽的目的。

Description

一种基于循环自外差法测量激光器线宽的装置及方法

技术领域

本发明属于光谱测量技术领域，特别涉及一种基于循环自外差法测量激光器线宽的装置及方法。

背景技术

超窄线宽的激光具有极低相位噪声和优异的相干长度，在科学研究和工程技术领域中具有重要的应用；例如，高精密光谱、光钟、相干通信等。激光器的线宽对这些系统的噪声性能、测量范围、精度和灵敏度等起着决定性作用，对超窄激光器的线宽进行高精度测量显得至关重要。

目前，kHz超窄激光器线宽的测量方法主要有两种：拍频法和延时自外差法。传统的拍频法具有测量精度高的特点，但该方法条件苛刻，往往需要另一台线宽更窄且更加稳定的光源用作参考，且这两个独立光源频率匹配。延迟自外差法是一种测量超窄线宽较理想方法，系统只需要一个光源，结构简单，价格便宜适用于工程化。

近年来，国内外很多小组针对延迟自外差测量激光线宽进行深入的理论研究和实验探索。1980年日本学者T.Okoshi首次提出采用非等臂干涉仪测量激光器线宽，并获得50kHz的分辨率。在这类方案中，光纤的延迟时间(τ)至少要大于激光相干时间(τc)的六倍以上，拍频信号才能正确反映待测激光器的线宽。因此对于kHz量级的窄线宽激光器而言，测量所需要的光纤延迟线需要上百公里，这使得整个测试系统的额外噪声增大，限制了其在kHz窄激光线宽测量中的应用。

2006年，美国弗吉尼亚州理工X.P.Chen等人首次在实验中利用损耗补偿的环路自外差干涉仪测量亚kHz激光线宽。这种实验方案需要对系统的重要参数进行严格选择并仔细调试，才能减小环路中干扰光的交叉耦合，降低谱型的畸变；同时，百公里的长光纤会引入1/f噪声导致谱线展宽，需要对实验结果进行Voigt拟合分析，提取谱型中的高斯成分，即对频谱进行修正。

综上，亟需一种新的基于循环自外差法测量激光器线宽的装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于循环自外差法测量激光器线宽的装置及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明采用延时亚相干的循环自外差干涉方法，通过对拍频光谱相干包络的分析，可达到精密测量超窄激光器线宽的目的。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种基于循环自外差法测量激光器线宽的装置，包括：待测激光器；待测激光器通过光纤依次连接有光纤可调衰减器、环形器和部分法拉第旋转镜；部分法拉第旋转镜的输入端g与环形器的端口b相连接，部分法拉第旋转镜的输出端h与Y型耦合器的分支端口d相连接；Y型耦合器的合束端口e与第一法拉第旋转镜连接，Y型耦合器的分支端口f通过光纤依次连接有延时光纤、声光频移器和第二法拉第旋转镜连接，形成光束可往返循环的自外差环路。

本发明的一种基于循环自外差法测量激光器线宽的装置，包括：

衰减器，衰减器的输入端用于通过光纤连接待测激光器的输出端，用于接收待测激光器发出的光束；

环形器，环形器设置有端口a、端口b和端口c，从端口a进入的光信号在端口b输出，从b端口输入的信号从端口c输出；环形器的端口a与衰减器的输出端通过光纤相连接；

部分法拉第旋转镜，部分法拉第旋转镜与环形器的端口b通过光纤相连接，用于接收环形器发出的光束，并将接收的光束进行透射和反射，反射的光束通过端口b进入环形器；

Y型耦合器，Y型耦合器设置有总端口e、分支端口d和分支端口f；分支端口d与部分法拉第旋转镜通过光纤相连接，用于接收部分法拉第旋转镜透射的光束；

第一法拉第旋转镜，第一法拉第旋转镜通过光纤与Y型耦合器的总端口e相连接；

其中，Y型耦合器的分支端口f通过光纤依次连接有延时光纤、声光频移器和第二法拉第旋转镜；第一法拉第旋转镜、Y型耦合器、延时光纤、声光频移器和第二法拉第旋转镜连接形成可循环的自外差环路。

本发明的进一步改进在于，部分法拉第旋转镜中的平面镜镀有增透膜，激光通过该元件大部分光会进入自外差环路，小部分光被平面镜反射沿原路返回再次进入环形器。

本发明的进一步改进在于，还包括：环形器的端口c通过光纤依次连接有光电探测器和频谱分析仪。

本发明的一种基于循环自外差法测量激光器线宽的方法，包括以下步骤：

衰减器接收待测激光器输出的光束，然后输出；

环形器通过端口a接收衰减器输出的光束，环形器通过端口b输出光束；

部分法拉第旋转镜接收环形器的端口b输出的光束，输出反射光束和透射光束；

环形器的端口b接收反射光束，通过环形器的端口c输出；

Y型耦合器的分支端口d接收透射光束，透射光束进入自外差环路中循环；部分循环光通过Y型耦合器的分支端口d输出，通过部分法拉第旋转镜并与参考光进行干涉拍频；

根据拍频光获得多组待测激光器的拍频信号；

对多组拍频信号的功率谱进行拟合分析，获得待测激光器线宽。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的装置是一种基于延时亚相干的自外差法测量激光器线宽的装置，具有操作简单、光路偏振不敏感、测量精度高的特点；该装置采用延时亚相干的循环自外差法，通过对拍频信号光功率谱的仿真拟合及其相干包络的分析，达到精密测量超窄激光器线宽的目的。其中，第一法拉第旋转镜、Y型耦合器、延时光纤、声光频移器和第二法拉第旋转镜连接形成闭合环路，光在两个法拉第镜及光器件之间循环。

具体体现在：

(1)测量精度高：传统的自外差法测量kHz量级的激光线宽需上百公里的延时光纤，本发明通过研究自外差拍频信号的功率谱进行拟合分析，只需要几公里的延时光纤便可获得kHz激光器的线宽，几乎可以忽略1/f频率噪声引起的频谱加宽的影响；同时，本发明采用改进的循环自外差法，利用法拉第旋转镜，有效降低偏振衰落，提高拍频信号的信噪比。单次实验便可获得多组反映激光线宽的拍频信号，因此该方法具有对超窄(可以是kHz量级)激光器线宽进行准确测量的优点。

(2)光学系统全光纤化：各光纤元件熔接相连，无需光学器件在自由空间内严格组建，具有抗干扰能力强、成本低、易于集成化等优势。

本发明的方法是一种基于延时亚相干的自外差技术测量超窄激光线宽的方法，具有操作简单、光路偏振不敏感、测量精度高的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明实施例的一种用于测量激光器线宽的装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中，自外差法中τ/τc对拍频光谱谱型的影响示意图；

图3是本发明实施例中，τ/τc与拍频信号包络大小的关系示意图；

图4是本发明实施例中，测得的1阶拍频信号及其仿真拟合曲线的示意图；

图中，1、待测激光器；2、衰减器；3、环形器；4、部分法拉第旋转镜；5、Y型耦合器；6、第一法拉第旋转镜；7、延时光纤；8、声光频移器；9、第二法拉第旋转镜；10、光电探测器；11、频谱分析仪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，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一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例的一种用于测量激光器线宽的装置，是一种基于延时亚相干的循环自外差技术精密测量超窄激光线宽装置，包括：待测激光器1、衰减器2、环形器3、部分法拉第旋转镜4、Y型耦合器5、第一法拉第旋转镜6、延时光纤7、声光频移器8、第二法拉第旋转镜9、光电探测器10和频谱分析仪11。待测激光器1为窄线宽激光器，衰减器2为可调衰减器。

窄线宽激光器通过光纤依次连接有光纤可调的衰减器2、环形器3、部分法拉第旋转镜4。其中，环形器3的b端输出的光束经部分法拉第旋转镜4分成两部分：一部分光被部分法拉第旋转镜4反射沿原路返回；另一部分光经部分法拉第旋转镜4透射，然后由Y型耦合器5的分支端d进入总端口e输出。Y型耦合器的总端e连接至第一法拉第旋转镜6，而其分支端f端与延时光纤7相连接。通过光纤第一法拉第旋转镜6、Y型耦合器5、延时光纤7、声光频移器8、第二法拉第旋转镜9依次连接形成可循环的自外差环路。

本发明实施例中，上述环形器3的输出端c连接至光电探测器10的探测端。探测器将测得的光信号转换为电信号连接到频谱分析仪11进行激光拍频光谱采集。

本发明实施例的一种用于测量激光器线宽的方法，包括以下步骤：

待测激光器输出的光束通过可调衰减器和环形器进入部分法拉第旋转镜，光束通过该旋转镜将分成两部分：一部分光在d端被反射，沿原路返回并从b端口再次进入环形器；另一部分光作为信号光经部分法拉第旋转镜透射，从分支端d进入由Y型耦合器、第一法拉第旋转镜、延时光纤(延时τ＝nL/c)、声光频移器(频移量Ω)、第二法拉第旋转镜构成的振荡腔中循环。信号光束在自循环光路中循环一次，延时2τ并频移2ΩMHz。在环路中n次循环的延时信号光(频移量为2nΩMHz)可通过的Y型耦合器的d端输出，然后再次通过部分法拉第旋转镜并与参考光进行干涉拍频，最后拍频光通过环形器进入光电探测器和频谱分析仪，进而获得多组干涉拍频信号。

本发明实施例中，上述长光纤的延时时间远小于激光的相干时间，因此只需要几千米的实验光纤就可获得kHz量级激光器的线宽。实验通过仿真拟合拍频信号相干包络的大小，使仿真功率谱和实验数据相吻合，最终分析得到被测激光器的线宽。

本发明实施例中，为了降低环外噪声(如声音、振动、温度、气流等噪声)对系统(特别是延时光纤)的干绕，整个光学装置放在包裹有保温棉的隔音箱中并通过被动隔振台减小系统的振动敏感度。

本发明实施例中，对多组拍频信号的相干包络进行分析拟合，修正测量结果得到激光器线宽。

本发明实施例的工作原理如下：

自外差法测激光线宽的基本原理是利用不等臂干涉仪获取激光器的频率噪声。待测激光器输出的光信号分为两部分：一部分光作为信号光在长光纤中传播并通过声光频移器移频(减小拍频信号的低频干扰)，另一部分作为本地光只在非常短的光纤中传播(与长光纤相比短光纤的长度可以忽略)。当两束光再次合束拍频时，它们的拍频信号就会携带激光器的频率噪声。拍频信号的功率谱S(ω,τ)表示为：

其中，n为延时光纤的折射率，L为延时光纤的长度，△f为激光器的线宽，τc为激光器的相干时间,τ为长光纤产生的延时,P为两路光光场的振幅之比,Ω为声光频移器的移频量，ν是激光的光学频率。由以上公式可以得到拍频光谱的相干包络周期是三角函数的周期1/τ(等于c/nL)，延时光纤越长，包络的周期越小。图2所示为τ/τc对拍频信号谱型的影响：τ/τc的值越大(即延时越长)，相干包络越小，包络的周期越小。在实际测量中，第一个波包的峰值受环境等噪声的影响，并不是严格的相干波包和delta函数的叠加，所以在实际测量中，主要研究其他较稳定的相干波包(如第二个或第三个波包)。

当光纤的延迟时间远大于激光光源的相干时间时，即τ/τc非常大时(S≈S0),干涉仪中的两路光之间已经完全失去了相干性,拍频信号两翼包络消失(如图2所示，τ/τc＝10，相干包络非常小几乎可以忽略)。此时相当于是从两个不同的激光器发出的,其拍频谱为洛伦兹线型函数。但在实验中，长光纤会引入额外的噪声(呈高斯线型)，这使得拍频谱变宽谱型呈Voigt线型，为了获得比较准确的激光线宽，需要提取谱型中的高斯成分对频谱进行修正。

当光纤的延迟时间(τ)远小于激光的相干时间(τc)时，拍频信号的两翼会有明显的相干包络。如果待测激光器和延时光纤的长度不变，即τ/τc的值不变，相干包络的大小就不变。图2所示为τ/τc＝1时，拍频信号的相干包络很明显。以其拍频光谱的第二个包络的功率差值D2为例(波谷：拍频谱的第二个周期处Cos(2π*(v-Ω)τ)＝-1，Sin(2π*(v-Ω)τ)]＝0，波峰：1.5个周期处Cos(2π*(v-Ω)τ)＝1，Sin(2π*(v-Ω)τ)]＝0)：

当τ/τc＝1时，相干包络D2为5.83，这与图3中的值相吻合。通过以上公式可知τ/τc的值不变，相干包络的大小就不变。延时光纤越长，即τ/τc的值越大，相干包络D2的强度也越小(如图3所示)。因此当延时光纤长度确定时，只需通过拍频相干包络的大小，就可分析得到待测激光器的线宽。

本发明实施例中，kHz的激光器一般称为窄线宽激光器。本发明的方法适用于亚kHz、kHz及以上线宽的激光器的测量。

具体实施例

请参阅图1，本发明实施例中基于延时亚相干的循环自外差法测量激光器线宽的系统由以下部件组成：

待测激光器1，采用商用光纤激光器，中心波长1550nm，线宽Δf约为1kHz左右(出自于产品测试报告)；

衰减器2，调节循环光路的光功率；

环形器3为光纤环形器，是不可逆光学器件，从端口a进入的光信号在端口b低损耗输出，从b端口输入的信号从端口c低损耗输出；

部分法拉第旋转镜4，旋转角度45度，平面镜镀有90％高透射率和10％反射率的增透膜；

Y型耦合器5，d端和f端的分光比10:90。

第一法拉第旋转镜6，光单次通过偏振方向旋转45度，平面镜反射率大于99.99％。它能非常有效地减小光纤中热扰动和机械扰动引起的偏振态变化，从而实现光纤干涉仪的偏振不敏感；

延时光纤7，1550nm的单模光纤，折射率1.468，长度5km。信号光在自循环光路中往返循环一次延时τ＝2nL/c～50μs)。

声光频移器8，光束往返次通过频移器，频移50MHz；

光电探测10，带宽约1.5GHz；

频谱分析仪11，用以测量拍频信号的功率谱。

本发明实施例的上述器件的位置关系和信号流动方向如下：待测激光器输出的光通过衰减器和环形器后，被部分法拉第旋转镜分为两部分，一部分光(10％)作为参考光，经部分法拉第旋转镜反射返回环形器：另一部分(90％)作为信号光，从Y型耦合器的分支端d进入由Y型耦合器、第一法拉第旋转镜、延时光纤、声光频移器、第二法拉第旋转镜构成的振荡腔中循环。信号光束在自循环光路中往返循环一次，延时50μs并频移50MHz。n次循环的延时信号光(中心频率为50n MHz)可通过Y型耦合器的d端输出，然后再次通过部分法拉第旋转镜并与参考光进行干涉拍频，最后通过光电探测器和频谱仪获取激光器的拍频信号。

根据公式(1)可对几组中心频率为50*n MHz(n为循环次数)的拍频信号的功率谱进行非线性仿真拟合，通过自小二乘法无限逼近系统输出拍频信号，使仿真功率谱的相干包络和实验曲线相吻合，实现kHz激光器线宽的测量

请参阅图4，图4是第一阶拍频信号，灰色虚线代表实验数据，黑色曲线代表拟合曲线。由图4可知，主峰左右两侧的第二个和第三个波包都可以和实验数据相吻合。拟合得到延时光纤的实际长度是4.98km，激光器的洛伦兹线宽0.86kHz。采用同样的方法对第二阶(光往返循环两次)和第三阶拍频信号的的功率谱进行非线性拟合分析，使仿真功率谱的相干包络和实验数据相吻合，得到另外两组激光器的线宽(0.87kHz，0.89kHz)。最后对三组激光线宽数据求平均减小测量误差，提高所测线宽的精度。

本发明实施例中，为了降低环外噪声(声音、振动、温度、气流等噪声)对测试系统的干绕，整个装置放于包裹有保温棉的隔音箱中。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于循环自外差法测量激光器线宽的装置，其特征在于，应用于亚kHz、kHz及以上线宽的激光器的测量，包括：

衰减器，衰减器的输入端用于通过光纤连接待测激光器的输出端，用于接收待测激光器发出的光束；

环形器，环形器设置有端口a、端口b和端口c，从端口a进入的光信号在端口b输出，从b端口输入的信号从端口c输出；环形器的端口a与衰减器的输出端通过光纤相连接；

部分法拉第旋转镜，部分法拉第旋转镜与环形器的端口b通过光纤相连接，用于接收环形器发出的光束，并将接收的光束进行透射和反射，反射的光束通过端口b进入环形器；

Y型耦合器，Y型耦合器设置有总端口e、分支端口d和分支端口f；分支端口d与部分法拉第旋转镜通过光纤相连接，用于接收部分法拉第旋转镜透射的光束；

第一法拉第旋转镜，第一法拉第旋转镜通过光纤与Y型耦合器的总端口e相连接；

其中，Y型耦合器的分支端口f通过光纤依次连接有延时光纤、声光频移器和第二法拉第旋转镜；第一法拉第旋转镜、Y型耦合器、延时光纤、声光频移器和第二法拉第旋转镜连接形成可循环的自外差环路；

部分法拉第旋转镜旋转角度45度，部分法拉第旋转镜中的平面镜镀有90％高透射率和10％反射率的增透膜，激光通过所述部分法拉第旋转镜后90％的激光作为信号光进入自外差环路，10％的激光作为参考光被平面镜反射沿原路返回再次进入环形器；

环形器的端口c通过光纤依次连接有光电探测器和频谱分析仪；

光电探测器将测得的光信号转换为电信号连接到频谱分析仪进行激光拍频光谱采集；

根据拍频光获得多组待测激光器的拍频信号；

所述拍频信号的功率谱S(w,t)表示为：

其中，n为延时光纤的折射率，L为延时光纤的长度，△f为激光器的线宽，τc为激光器的相干时间，τ为长光纤产生的延时，P为两路光光场的振幅之比,Ω为声光频移器的移频量，ν是激光的光学频率；

对多组拍频信号的相干包络进行分析拟合，当延时光纤的延迟时间τ远小于激光的相干时间τc时，拍频信号的两翼有相干包络，且延时光纤长度确定时，通过拍频相干包络的大小，分析得到激光器线宽。

2.一种基于循环自外差法测量激光器线宽的方法，其特征在于，基于权利要求1所述的装置，包括以下步骤：

衰减器接收待测激光器输出的光束，然后输出；

环形器通过端口a接收衰减器输出的光束，环形器通过端口b输出光束；

部分法拉第旋转镜接收环形器的端口b输出的光束，输出反射光束和透射光束；部分法拉第旋转镜旋转角度45度，部分法拉第旋转镜中的平面镜镀有90％高透射率和10％反射率的增透膜；

环形器的端口b接收反射光束，通过环形器的端口c输出；

Y型耦合器的分支端口d接收透射光束，透射光束进入自外差环路中循环；部分循环光通过Y型耦合器的分支端口d输出，通过部分法拉第旋转镜并与参考光进行干涉拍频；

根据拍频光获得多组待测激光器的拍频信号；

所述拍频信号的功率谱S(w,t)表示为：

其中，n为延时光纤的折射率，L为延时光纤的长度，△f为激光器的线宽，τc为激光器的相干时间，τ为长光纤产生的延时，P为两路光光场的振幅之比，Ω为声光频移器的移频量，ν是激光的光学频率；对多组拍频信号的功率谱进行拟合分析，获得待测激光器线宽，包括：

对多组拍频信号的相干包络进行分析拟合，当延时光纤的延迟时间τ远小于激光的相干时间τc时，拍频信号的两翼有相干包络，且延时光纤长度确定时，通过拍频相干包络的大小，分析得到激光器线宽。

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