CN112098054B - 基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置，主要由光纤干涉仪和相位漂移检测电路组成，其中光纤干涉仪为迈克尔逊光纤干涉仪或马赫‑曾德尔光纤干涉仪。光纤干涉仪的参考光纤相对于测量光纤的温度延时系数的倍数等于参考光纤相对于测量光纤的长度的倍数相位漂移检测电路的输出端输出激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量和/或激光器激光频率漂移量。本发明不仅能够在普通工作环境下，实现高精度的激光器频率漂移检测，从而能够将商用窄线宽激光器频率稳定性提高一至两个数量级，或者为光纤干涉仪校正激光器频率漂移造成的系统误差提供参考依据；而且能够满足封装体积紧凑和低成本的需求。

Description

基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置。

背景技术

窄线宽激光器具有良好的相干性能，广泛应用于激光雷达、光学仪器以及各种光纤传感技术领域。现有的窄线宽激光器，如窄线宽光纤激光器和窄线宽半导体激光器等，其一般采用紧凑的F-P干涉仪进行稳频，由于F-P腔的腔长过短且存在热力学噪声、环境振动噪声等因素的影响，现有窄线宽激光器在普通环境下的激光频率稳定性仅能控制在10MHz量级。而气体分子饱和吸收、超稳腔等技术手段不利于紧凑结构设计，建造使用成本高，难以推广应用。然而，在一些精密测量领域，窄线宽激光器的频率漂移成为主要的系统检测误差来源，为此需要对窄线宽激光器的频率漂移进行检测，以利用该频率漂移检测结果来对窄线宽激光器进行补偿，或者利用该频率漂移检测结果来校正系统检测误差。

发明内容

本发明所要解决的是现有窄线宽激光器频率漂移稳定性不足的问题，提供一种基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置，主要由光纤干涉仪和相位漂移检测电路组成；所述光纤干涉仪为迈克尔逊光纤干涉仪，其由光纤耦合器、测量光纤、参考光纤和2个法拉第磁旋转反射镜组成；其中测量光纤和参考光纤具有不同的温度延时系数；光纤耦合器的左侧包括至少2个端口，其中一个端口形成光纤干涉仪的输入端，另一个端口形成光纤干涉仪的输出端；光纤耦合器的右侧包括至少2个端口；其中一个端口经由测量光纤与一个法拉第磁旋转反射镜连接，另一个端口经由参考光纤与另一个法拉第磁旋转反射镜连接；光纤干涉仪的输入端形成该窄线宽激光器频率漂移检测装置的输入端，并输入窄线宽激光器的监测激光；光纤干涉仪的输出端与相位漂移检测电路的输入端连接；相位漂移检测电路的输出端形成该窄线宽激光器频率漂移检测装置的输出端，并输出激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量和/或激光器激光频率漂移量。

上述方案中，光纤耦合器为2×2光纤耦合器或3×3光纤耦合器。

上述方案中，相位漂移检测电路输出的激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量N_A为：

相位漂移检测电路输出的激光器激光频率漂移量Δf为：

式中：N为光纤干涉仪检测到的相干周期量，n为光纤折射率，f为激光频率，c为真空光速，L₁为测量光纤的长度，B为测量光纤的温度延时系数，A为参考光纤相对于测量光纤的温度延时系数的倍数，且A≠1。

上述方案中，参考光纤相对于测量光纤的温度延时系数的倍数等于参考光纤相对于测量光纤的长度。

另一种基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置，主要由光纤干涉仪和相位漂移检测电路组成；所述光纤干涉仪为马赫-曾德尔光纤干涉仪，其由输入光纤耦合器、测量光纤、参考光纤和输出光纤耦合器组成；其中测量光纤和参考光纤具有不同的温度延时系数；输入光纤耦合器的左侧包括至少1个端口，该端口形成光纤干涉仪的输入端；输出光纤耦合器的右侧包括至少1个端口，该端口形成光纤干涉仪的输出端；输入光纤耦合器的右侧包括至少2个端口；输出光纤耦合器的左侧包括至少2个端口；输入光纤耦合器的右侧的一个端口经由测量光纤与输出光纤耦合器的左侧的一个端口连接；输入光纤耦合器的右侧的另一个端口经由参考光纤与输出光纤耦合器的左侧的另一个端口连接；光纤干涉仪的输入端形成该窄线宽激光器频率漂移检测装置的输入端，并输入窄线宽激光器的监测激光；光纤干涉仪的输出端与相位漂移检测电路的输入端连接；相位漂移检测电路的输出端形成该窄线宽激光器频率漂移检测装置的输出端，并输出激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量和/或激光器激光频率漂移量。

上述方案中，输入光纤耦合器为1×2光纤耦合器、2×2光纤耦合器或3×3光纤耦合器；输出光纤耦合器为2×1光纤耦合器、2×2光纤耦合器或3×3光纤耦合器。

上述方案中，相位漂移检测电路输出的激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量N_A为：

相位漂移检测电路输出的激光器激光频率漂移量Δf为：

式中：N为光纤干涉仪检测到的相干周期量，n为光纤折射率，f为激光频率，c为真空光速，L₁为测量光纤的长度，B为测量光纤的温度延时系数，A为参考光纤相对于测量光纤的温度延时系数的倍数，且A≠1。

上述方案中，参考光纤相对于测量光纤的温度延时系数的倍数等于参考光纤相对于测量光纤的长度。

与现有技术相比，本发明基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置，不仅能够在普通工作环境下，实现高精度的激光器频率漂移检测，从而能够将商用窄线宽激光器频率稳定性提高一至两个数量级，或者为光纤干涉仪校正激光器频率漂移造成的系统误差提供参考依据；而且能够满足封装体积紧凑和低成本的需求。

附图说明

图1为一种基于非平衡光纤干涉仪(迈克尔逊光纤干涉仪)的窄线宽激光器频率漂移检测装置的原理图。

图2为另一种基于非平衡光纤干涉仪(马赫-曾德尔光纤干涉仪)的窄线宽激光器频率漂移检测装置的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明所提出的基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置，由光纤干涉仪、光电探测器及相位漂移检测电路组成。其中光纤干涉仪的测量臂和参考臂分别使用两种温度延时系数(单位为ps/km/k，k为开氏度，1k＝1℃)不同的光纤。窄线宽激光器发射一束监控激光信号接入光纤干涉仪，由光纤干涉仪进行光纤相位漂移检测，并根据光纤干涉仪的相位漂移检测结果求出窄线宽激光器的实时频率漂移量，该实时频率漂移量一方面可以用于激光器频率漂移反馈补偿控制，另一方面可以用于光纤传感器修正激光器频率漂移产生的系统误差。

实施例1：

参见图1，一种基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置，主要由光纤干涉仪和相位漂移检测电路组成。所述光纤干涉仪为迈克尔逊光纤干涉仪，其由光纤耦合器、测量光纤、参考光纤和2个法拉第磁旋转反射镜组成。其中测量光纤和参考光纤具有不同的温度延时系数。在本实施例中，参考光纤选用普通光纤，测量光纤选用与普通光纤温度漂移不同的光纤。光纤耦合器的左侧包括至少2个端口，其中一个端口形成光纤干涉仪的输入端，另一个端口形成光纤干涉仪的输出端。光纤耦合器的右侧包括至少2个端口。其中一个端口经由测量光纤与一个法拉第磁旋转反射镜连接，另一个端口经由参考光纤与另一个法拉第磁旋转反射镜连接。光纤干涉仪的输入端形成该窄线宽激光器频率漂移检测装置的输入端，并输入窄线宽激光器的监测激光。光纤干涉仪的输出端与相位漂移检测电路的输入端连接。相位漂移检测电路的输出端形成该窄线宽激光器频率漂移检测装置的输出端，并输出激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量和/或激光器激光频率漂移量。

迈克尔逊光纤干涉仪可以是基于2×2光纤耦合器的迈克尔逊光纤干涉仪，也可以是基于3×3光纤耦合器的迈克尔逊光纤干涉仪。当迈克尔逊光纤干涉仪是基于2×2光纤耦合器的迈克尔逊光纤干涉仪时，每个迈克尔逊光纤干涉仪的1个输出端接入相位漂移检测电路的1个光电探测器。当迈克尔逊光纤干涉仪是基于3×3光纤耦合器的迈克尔逊光纤干涉仪时，每个迈克尔逊光纤干涉仪的2个输出端接入相位漂移检测电路的2个光电探测器。

当相位漂移检测电路所检测出的激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量或激光频率漂移量用于光纤传感器修正激光器频率漂移产生的系统误差时，相位漂移检测电路与外部误差修正系统的输入端相连。当相位漂移检测电路所检测出的激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量或激光频率漂移量用于激光器频率漂移反馈补偿控制时，相位漂移检测电路信号输出端接入激光器频率漂移反馈补偿装置，窄线宽激光器根据相位漂移检测电路检测到的激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量或激光频率漂移量，反馈控制频率漂移调节器件，使窄线宽激光器频率漂移处于最低水平。

光纤干涉仪的测量臂由光纤耦合器尾纤、法拉第磁旋转反射镜尾纤和测量光纤组成；其中光纤耦合器尾纤和法拉第磁旋转反射镜尾纤的长度之和为等价光纤L₀，测量光纤的长度为L₁，测量臂长度为L₀+L₁。光纤干涉仪的参考臂由光纤耦合器尾纤、法拉第磁旋转反射镜尾纤、以及参考光纤组成；其中光纤耦合器尾纤和法拉第磁旋转反射镜尾纤的长度之和为L₀，参考光纤的长度为L₂，参考臂长度为L₀+L₂。

设测量光纤的温度延时系数为B，参考光纤的温度延时系数是测量光纤温度延时系数的A倍，测量光纤与参考光纤两种光纤在同样环境下有同样的温度变化，则有：

并满足参考光纤的长度是测量光纤长度的A倍，即：

L₂＝AL₁(2)

其中，ΔL₁、ΔL₂分别为测量光纤和参考光纤两种光纤在同样环境、同样的温度变化下产生的光纤延时变化量，A、B都是可测量的已知量。

假设L₀、L₁和L₂都为恒定值，即不产生光纤延时变化，窄线宽激光器从频率f₁变化到频率f₂，在测量臂上产生的相干周期数量N₁、在参考臂上产生的相干周期数量N₂分别为：

光纤干涉仪检测到的相干周期为窄线宽激光器从频率f₁变化到频率f₂的测量臂和参考臂之差的相干周期，由(2)、(3)、(4)式得：

其中，激光器频率f₁变化到频率f₂的变化量为Δf，N₁、N₂、N_A为包含小数部分的有理数，n为光纤折射率，c为真空光速。

假设激光器工作频率为恒定值，即不产生频率漂移，待测光纤长度受温度影响产生相位漂移，等价光纤L₀变化到L′₀，测量光纤长度L₁变化到L′₁，参考光纤长度L₂变化到L′₂，测量臂产生的相干周期数量N₃和参考臂产生的相干周期数量N₄分别为：

其中，N₃和N₄为包含小数部分的有理数。

光纤干涉仪检测到的相干周期为测量臂相位漂移和参考臂相位漂移之差，为：

(1)和(2)带入(8)式有：

不考虑振动对光纤延时的影响的情况，光纤干涉仪检测到的相位漂移结果包含了两种相位漂移：光纤延时变化产生的相位漂移，激光频率漂移产生的相位漂移。则光纤干涉仪测量到的相干周期数量N与激光频率漂移量Δf之间的关系为：

其中，N为光纤干涉仪实际检测的相干周期量，N为有理数。

因此可以通过非平衡光纤干涉仪使用不同温度延时系数的光纤求出激光频率漂移量Δf。即相位漂移检测电路利用光电探测器所探测到的光纤干涉仪所产生的相干波信号获得相干周期数量，并基于该相干周期数量计算激光频率漂移量Δf：

(11)式带入(5)式，得光纤干涉仪检测到的激光器频率漂移产生的光纤相位漂移量为

其中，N为光纤干涉仪检测到的相干周期量，A为参考光纤相对于测量光纤的温度延时系数的倍数，B为测量光纤的温度延时系数，c为真空光速，n为光纤折射率，L₁为测量光纤的长度，f为激光频率。需注意，N_A为对应光纤长度(|L₁-L₂|)的激光器频率变化产生的光纤相位漂。

实施例2：

参见图2，另一种基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置，所述光纤干涉仪为马赫-曾德尔光纤干涉仪，其由输入光纤耦合器、测量光纤、参考光纤和输出光纤耦合器组成。其中测量光纤和参考光纤具有不同的温度延时系数。在本实施例中，参考光纤选用普通光纤，测量光纤选用与普通光纤温度漂移不同的光纤。输入光纤耦合器的左侧包括至少1个端口，该端口形成光纤干涉仪的输入端。输出光纤耦合器的右侧包括至少1个端口，该端口形成光纤干涉仪的输出端。输入光纤耦合器的右侧包括至少2个端口。输出光纤耦合器的左侧包括至少2个端口。输入光纤耦合器的右侧的一个端口经由测量光纤与输出光纤耦合器的左侧的一个端口连接。输入光纤耦合器的右侧的另一个端口经由参考光纤与输出光纤耦合器的左侧的另一个端口连接。光纤干涉仪的输入端形成该窄线宽激光器频率漂移检测装置的输入端，并输入窄线宽激光器的监测激光。光纤干涉仪的输出端与相位漂移检测电路的输入端连接。相位漂移检测电路的输出端形成该窄线宽激光器频率漂移检测装置的输出端，并输出激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量和/或激光器激光频率漂移量。

马赫-曾德尔光纤干涉仪的输入光纤耦合器为1×2光纤耦合器、2×2光纤耦合器或3×3光纤耦合器。马赫-曾德尔光纤干涉仪的输出光纤耦合器为2×1光纤耦合器、2×2光纤耦合器或3×3光纤耦合器。当马赫-曾德尔光纤干涉仪的输出光纤耦合器是2×2或2×1光纤耦合器时，马赫-曾德尔光纤干涉仪的1个输出端接入相位漂移检测电路的1个光电探测器。当光纤干涉仪输出光纤耦合器是3×3光纤耦合器时，每个迈克尔逊光纤干涉仪的2个输出端接入相位漂移检测电路的2个光电探测器。

当相位漂移检测电路所检测出的激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量或激光频率漂移量用于光纤传感器修正激光器频率漂移产生的系统误差时，相位漂移检测电路与外部误差修正系统的输入端相连。当相位漂移检测电路所检测出的激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量或激光频率漂移量用于激光器频率漂移反馈补偿控制时，相位漂移检测电路信号输出端接入激光器频率漂移反馈补偿装置，窄线宽激光器根据相位漂移检测电路检测到的激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量或激光频率漂移量，反馈控制频率漂移调节器件，使窄线宽激光器频率漂移处于最低水平。

光纤干涉仪的测量臂由输入光纤耦合器右侧尾纤1、输出光纤耦合器左侧尾纤1和测量光纤组成；其中光纤耦合器右侧尾纤1和输出光纤耦合器左侧尾纤1的长度之和为L₀，测量光纤的长度为L₁，此时测量臂长度为L₀+L₁。光纤干涉仪的参考臂由输入光纤耦合器右侧尾纤2、输出光纤耦合器左侧尾纤2和参考光纤组成；其中光纤耦合器右侧尾纤2和输出光纤耦合器左侧尾纤2的长度之和为L₀，参考光纤的长度为L₂，此时参考臂长度为L₀+L₂。

设测量光纤的温度延时系数为B，参考光纤的温度延时系数是测量光纤温度延时系数的A倍，测量光纤与参考光纤两种光纤在同样环境下有同样的温度变化，则有：

并满足参考光纤的长度是测量光纤长度的A倍，即：

L₂＝AL₁ (14)

其中，ΔL₁、ΔL₂分别为测量光纤和参考光纤两种光纤在同样环境、同样的温度变化下产生的光纤延时变化量，A、B都是可测量的已知量。

假设L₀、L₁和L₂都为恒定值，即不产生光纤延时变化，窄线宽激光器从频率f₁变化到频率f₂，在测量臂上产生的相干周期数量N₁、在参考臂上产生的相干周期数量N₂分别为：

光纤干涉仪检测到的相干周期为窄线宽激光器从频率f₁变化到频率f₂的测量臂和参考臂之差的相干周期数量，由(14)、(15)、(16)式得：

其中，激光器频率f₁变化到频率f₂的变化量为Δf，N₁、N₂、N_A为包含小数部分的有理数，n为光纤折射率，c为真空光速。

假设激光器工作频率为恒定值，即不产生频率漂移，光纤长度受温度影响产生相位漂移，等价光纤L₀变化到L′₀，测量光纤长度L₁变化到L′₁，参考光纤长度L₂变化到L′₂，测量臂产生的相干周期数量N₃和参考臂产生的相干周期数量N₄分别为：

其中，N₃和N₄为包含小数部分的有理数。

光纤干涉仪检测到的相干周期为测量臂相位漂移和参考臂相位漂移之差，为：

(13)和(14)带入(20)式有：

不考虑振动对光纤延时的影响的情况，光纤干涉仪检测到的相位漂移结果包含了两种相位漂移：光纤延时变化产生的相位漂移，激光频率漂移产生的相位漂移。则光纤干涉仪测量到的相干周期数量N与激光频率漂移Δf之间的关系为：

其中，N为光纤干涉仪实际检测的相干周期量，N为有理数。

因此可以通过非平衡光纤干涉仪使用不同温度延时系数的光纤求出激光频率漂移量Δf。即相位漂移检测电路利用光电探测器所探测到的光纤干涉仪所产生的相干波信号获得相干周期数量，并基于该相干周期数量计算激光频率漂移量Δf：

(23)式带入(17)式，得光纤干涉仪检测到的激光器频率漂移产生的光纤相位漂移量为：

其中，N为为光纤干涉仪检测到的相干周期量，A为参考光纤相对于测量光纤的温度延时系数的倍数，B为测量光纤的温度延时系数，c为真空光速，n为光纤折射率，L₁为测量光纤的长度，f为激光频率。需注意，N_A为对应光纤长度(|L₁-L₂|)的激光器频率变化产生的光纤相位漂移。

由于所设参考光纤与测量光纤的温度延时系数比值A并非恒定值，而是在光纤干涉仪工作在固定温度较小温度波动范围内可近似为常数，在该温度范围内L₂＝AL₁成立。当工作温度变化较大(比如超过±1℃，不同材料的光纤温度延时系数在不同温度点的值不一样)、A值漂移造成L₂＝AL₁误差较大(比如超过2％)时，基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置的系统误差可能会超过允许值。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (4)

1.基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置，其特征是，主要由光纤干涉仪和相位漂移检测电路组成；

所述光纤干涉仪为迈克尔逊光纤干涉仪，其由光纤耦合器、测量光纤、参考光纤和2个法拉第磁旋转反射镜组成；其中测量光纤和参考光纤具有不同的温度延时系数；光纤耦合器为2×2光纤耦合器或3×3光纤耦合器；光纤耦合器的左侧包括至少2个端口，其中一个端口形成光纤干涉仪的输入端，另一个端口形成光纤干涉仪的输出端；光纤耦合器的右侧包括至少2个端口；其中一个端口经由测量光纤与一个法拉第磁旋转反射镜连接，另一个端口经由参考光纤与另一个法拉第磁旋转反射镜连接；

光纤干涉仪的输入端形成该窄线宽激光器频率漂移检测装置的输入端，并输入窄线宽激光器的监测激光；光纤干涉仪的输出端与相位漂移检测电路的输入端连接；相位漂移检测电路的输出端形成该窄线宽激光器频率漂移检测装置的输出端，并输出激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量和/或激光器激光频率漂移量；

相位漂移检测电路输出的激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量为：

相位漂移检测电路输出的激光器激光频率漂移量为：

式中：为光纤干涉仪检测到的相干周期量，为光纤折射率，为激光频率，为真空光速，为测量光纤的长度，为测量光纤的温度延时系数，为参考光纤相对于测量光纤的温度延时系数的倍数，且。

2.根据权利要求1所述的基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置，其特征是，参考光纤相对于测量光纤的温度延时系数的倍数等于参考光纤相对于测量光纤的长度。

3.基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置，其特征是，主要由光纤干涉仪和相位漂移检测电路组成；

所述光纤干涉仪为马赫-曾德尔光纤干涉仪，其由输入光纤耦合器、测量光纤、参考光纤和输出光纤耦合器组成；其中测量光纤和参考光纤具有不同的温度延时系数；输入光纤耦合器为1×2光纤耦合器或2×2光纤耦合器或3×3光纤耦合器；输出光纤耦合器为2×1光纤耦合器或2×2光纤耦合器或3×3光纤耦合器；输入光纤耦合器的左侧包括至少1个端口，该端口形成光纤干涉仪的输入端；输出光纤耦合器的右侧包括至少1个端口，该端口形成光纤干涉仪的输出端；输入光纤耦合器的右侧包括至少2个端口；输出光纤耦合器的左侧包括至少2个端口；输入光纤耦合器的右侧的一个端口经由测量光纤与输出光纤耦合器的左侧的一个端口连接；输入光纤耦合器的右侧的另一个端口经由参考光纤与输出光纤耦合器的左侧的另一个端口连接；

光纤干涉仪的输入端形成该窄线宽激光器频率漂移检测装置的输入端，并输入窄线宽激光器的监测激光；光纤干涉仪的输出端与相位漂移检测电路的输入端连接；相位漂移检测电路的输出端形成该窄线宽激光器频率漂移检测装置的输出端，并输出激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量和/或激光器激光频率漂移量；

相位漂移检测电路输出的激光器频率漂移产生的测量光纤相位漂移量为：

相位漂移检测电路输出的激光器激光频率漂移量为：

式中：为光纤干涉仪检测到的相干周期量，为光纤折射率，为激光频率，为真空光速，为测量光纤的长度，为测量光纤的温度延时系数，为参考光纤相对于测量光纤的温度延时系数的倍数，且。

4.根据权利要求3所述的基于非平衡光纤干涉仪的窄线宽激光器频率漂移检测装置，参考光纤相对于测量光纤的温度延时系数的倍数等于参考光纤相对于测量光纤的长度。