CN112432767A - 一种基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法及装置 - Google Patents

一种基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法及装置，所述装置包括：光功分器、可调谐光延迟线、声光移频器、光合路器、光电探测器、射频信号源、鉴相器；所述光功分器的输入端连接被测激光器，输出端分别连接所述可调谐光延迟线和声光移频器的输入端；所述可调谐光延迟线和声光移频器的输出端连接光合路器的输入端；所述光合路器的输出端连接光电探测器的输入端；所述光电探测器的输出端连接所述鉴相器的输入端；所述射频信号源的输出端分别连接声光移频器的另一输入端和鉴相器的另一输入端。本发明能够不借助光谱仪以及另一个高稳定激光器的情况下，对激光器的波长漂移范围进行检测，具有结构简单，易于实施的优点。

Description

一种基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法及 装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法及装置。
背景技术
激光器自从出现之后，一直对于促进人类的生产进步和前沿科学研究具有重要意义。随着应用需求的不断发展，对激光器的性能要求也越来越高。如今，在某些特定的场合中，要求激光器具有窄线宽、高稳定等特征。激光激光器的波长是一项重要参数，在设计精细光学系统时往往需要予以重点关注。然而，尽管激光器的性能一直在不断提升，但随着环境条件等因素的发生变化，激光器输出的激光波长可能在一定范围内发生漂移。当漂移范围超出系统容限时，将有可能导致系统的性能发生恶化。因此，有必要对激光器的波长漂移范围进行测量。
光谱仪能够直接测量激光器的波长，因此可以用于测量波长的漂移范围。但是，当前主流商用的光谱仪的分辨率通常为0.01nm，在1550nm波长附近对应的频率分辨率约为1.25GHz，也就是说对于1.25GHz以内的波长漂移情况是不能够进行精细分辨的。在激光器应用的某些前沿领域，如军用微波光子信息系统中，这样的频率分辨率往往是不足够的。此外，目前还有商用的高精度光谱分析仪，波长分辨能力可以达到0.04pm量级，在1550nm波长附近对应的频率分辨率约为10MHz量级。但是，这种高精度光谱仪价格昂贵，且精密程度高，难以普及和适应外场环境下的应用。
另外，使用另一个高稳定的激光器，与被测量的激光器进行拍频，将激光信号转换为微波信号，使用常规的频谱仪也能够检测波长的漂移范围，且精度很高。但是，这种方法首先自身需要一台超高稳定度的激光器，且波长稳定性需要远远优于被测激光器。然而，这样的高稳定激光器本身就需要复杂的系统来实现，且工作条件苛刻，应用场合受到较大限制。
发明内容
本发明旨在提供一种基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法及装置，以解决使用光谱仪以及另一个高稳定激光器配合常规频谱仪对激光器波长漂移范围进行检测所存在的问题。
本发明提供的一种基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量装置，其特征在于，包括：光功分器、可调谐光延迟线、声光移频器、光合路器、光电探测器、射频信号源、鉴相器；所述光功分器的输入端连接被测激光器，输出端分别连接所述可调谐光延迟线和声光移频器的输入端；所述可调谐光延迟线和声光移频器的输出端连接光合路器的输入端；所述光合路器的输出端连接光电探测器的输入端；所述光电探测器的输出端连接所述鉴相器的输入端；所述射频信号源的输出端分别连接声光移频器的另一输入端和鉴相器的另一输入端。
本发明还提供一种基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法，所述测量方法上述的测量装置实现，包括如下步骤：
S1，被测激光器输出的激光经过光功分器之后被分为两路激光；
S2，所述光功分器输出的两路激光中的一路经过可调谐光延迟线，产生的延时量记为τ；
S3，所述光功分器输出的两路激光中的另一路经过声光移频器；所述声光移频器还接收射频信号源输出的一路射频信号，所述射频信号的频率为F，经过所述声光移频器的激光产生的移频量为F；
S4，将所述可调谐光延迟线和声光移频器输出的激光通过光合路器进行合路；
S5，所述光合路器输出的激光输入到光电探测器中，转换为频率为F的射频信号，并将所述射频信号输出到鉴相器；
S6，所述射频信号源输出的另一路射频信号直接输入到所述鉴相器中；
S7，所述鉴相器对步骤S5和步骤S6输入的两路射频信号进行鉴相，根据二者之间的相位差输出对应的电压值，所述电压值的大小可以表征被测激光器波长漂移范围。
进一步的，所述鉴相器输出的电压值的表达式为：
v(f,τ)∝cos[2πfτ+φ0]
其中，τ是所述可调谐光延迟线引入的延时量，φ0是整个测量装置中各信号传输路径中所经历的各种元器件所引入的相位；f是所述被测激光器输出的激光的频率，其与波长λ的换算关系为f＝c/λ，其中c是光在介质中传播的速度。
进一步的，若所述被测激光器输出的激光的频率f可以分解为固定中心频率f0和漂移频率Δf，即f＝f0+Δf，则所述鉴相器输出的电压值的表达式为：
v(Δf,τ)∝cos[2π(f0+Δf)τ+φ0]
其中，τ是所述可调谐光延迟线引入的延时量，φ0是整个测量装置中各信号传输路径中所经历的各种元器件所引入的相位，f是所述被测激光器输出的激光的频率，其与波长λ的换算关系为f＝c/λ，其中c是光在介质中传播的速度。
进一步的，由于τ可由所述可调谐光延迟线确定，而f0和φ0是恒定不变的，因此所述鉴相器输出的电压值的表达式还可表示为：
v(Δf)∝cos(2πτΔf+φ′)
其中，φ′＝φ0+2πf0代表了由被测激光器固定中心波长和整个测量装置中各信号传输路径中所经历的各种元器件所引入的固定相位。
进一步的，根据所述电压值的大小表征被测激光器波长漂移范围的方法为：
S71，持续测量一段时间得到所述鉴相器输出的电压值与被测激光器波长漂移范围的余弦函数曲线；
S72，根据步骤S2中的所述可调谐光延迟线引入的延时量τ，确定被测激光器波长漂移范围的参考值Δf；
S73，实际测得的所述余弦函数曲线的周期数为N，N为正实数，则被测激光器波长漂移范围为N×Δf。
进一步的，步骤S72中所述被测激光器波长漂移范围的参考值
Figure BDA0002742164110000031
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明能够不借助光谱仪以及另一个高稳定激光器的情况下，对激光器的波长漂移范围进行检测，具有结构简单，易于实施的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量装置的结构框图。
图2为本发明实施例基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法的流程框图。
图3为本发明实施例可调谐光延迟线的延时量τ＝2×10-9s时鉴相器输出的电压值的余弦函数曲线图。
图4为本发明实施例鉴相器输出的电压值的余弦函数曲线包含2个周期的波形图。
图5为本发明实施例鉴相器输出的电压值的余弦函数曲线包含0.6个周期的波形图。
图标：101-被测激光器、102-光功分器、103-可调谐光延迟线、104-声光移频器、105-光合路器、106-光电探测器、107-射频信号源、108-鉴相器。
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，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
实施例
如图1所示，本实施例提出一种基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量装置，包括：光功分器102、可调谐光延迟线103、声光移频器104、光合路器105、光电探测器106、射频信号源107、鉴相器108；所述光功分器102的输入端连接被测激光器101，输出端分别连接所述可调谐光延迟线103和声光移频器104的输入端；所述可调谐光延迟线103和声光移频器104的输出端连接光合路器105的输入端；所述光合路器105的输出端连接光电探测器106的输入端；所述光电探测器106的输出端连接所述鉴相器108的输入端；所述射频信号源107的输出端分别连接声光移频器104的另一输入端和鉴相器108的另一输入端。
基于所述测量装置实现的基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1，被测激光器101输出的激光经过光功分器102之后被分为两路激光；
S2，所述光功分器102输出的两路激光中的一路经过可调谐光延迟线103，产生的延时量记为τ；由于所述可调谐光延迟线103的延时参数是可调节的，因此所述延时量τ是可变化的，但是可以根据所述可调谐光延迟线103进行确定；
S3，所述光功分器102输出的两路激光中的另一路经过声光移频器104；所述声光移频器104还接收射频信号源107输出的一路射频信号，所述射频信号的频率为F，经过所述声光移频器104的激光产生的移频量为F；
S4，将所述可调谐光延迟线103和声光移频器104输出的激光通过光合路器105进行合路；
S5，所述光合路器105输出的激光输入到光电探测器106中，转换为频率为F的射频信号，并将所述射频信号输出到鉴相器108；
S6，所述射频信号源107输出的另一路射频信号直接输入到所述鉴相器108中；
S7，所述鉴相器108对步骤S5和步骤S6输入的两路射频信号进行鉴相，根据二者之间的相位差输出对应的电压值，所述电压值的大小可以表征被测激光器101波长漂移范围。
所述鉴相器108输出的电压值的表达式为：
v(f,τ)∝cos[2πfτ+φ0]
其中，τ是所述可调谐光延迟线103引入的延时量，φ0是整个测量装置中各信号传输路径中所经历的各种元器件所引入的相位(在各种元器件参数稳定的情况下，φ0也是稳定的)；f是所述被测激光器101输出的激光的频率，其与波长λ的换算关系为f＝c/λ，其中c是光在介质中传播的速度，因此，所述被测激光器101输出的激光波长漂移范围也可以用频率变化范围来表征。
假设所述被测激光器101输出的激光的频率f可以分解为固定中心频率f0和漂移频率Δf，即f＝f0+Δf，则所述鉴相器108输出的电压值的表达式为：
v(Δf,τ)∝cos[2π(f0+Δf)τ+φ0]
上式中，由于τ可由所述可调谐光延迟线103确定，而f0和φ0是恒定不变的，因此所述鉴相器108输出的电压值的表达式还可表示为：
v(Δf)∝cos(2πτΔf+φ′)
其中，φ′＝φ0+2πf0代表了由被测激光器101固定中心波长和整个测量装置中各信号传输路径中所经历的各种元器件所引入的固定相位，其值不影响测试结果。
上式还表明所述鉴相器108输出的电压值v是被测激光器101输出的激光频率(波长)漂移范围的余弦函数，但是，余弦函数存在周期性，那么根据所述电压值的大小表征被测激光器101波长漂移范围的方法为：
S71，持续测量一段时间得到所述鉴相器108输出的电压值与被测激光器101波长漂移范围的余弦函数曲线；
S72，根据步骤S2中的所述可调谐光延迟线103引入的延时量τ，确定被测激光器101波长漂移范围的参考值Δf，即，使得所述鉴相器108输出的电压值的余弦函数曲线正好包含一个周期的激光波长漂移范围，如下式所示：
Figure BDA0002742164110000061
例如，假设所述可调谐光延迟线103(103)的初始延时量设为2×10-9s，根据上式可计算得到，该延时量对应的激光波长漂移范围的参考值为500MHz(即所述鉴相器108输出的电压值的余弦函数曲线正好为一个周期时对应的激光波长漂移范围为500MHz)，如图3所示。
S73，实际测得的所述余弦函数曲线的周期数为N，N为正实数，则被测激光器101波长漂移范围为N×Δf。例如，实际测得的所述余弦函数曲线的周期数为N＝2，则可以得到被测激光器101实际的波长漂移范围为500MHz×2＝1000MHz；如图4所示。又例如，实际测得的所述余弦函数曲线的周期数为N＝0.6，则可以得到被测激光器101实际的波长漂移范围为500MHz×0.6＝300MHz，如图5所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量装置，其特征在于，包括：光功分器、可调谐光延迟线、声光移频器、光合路器、光电探测器、射频信号源、鉴相器；所述光功分器的输入端连接被测激光器，输出端分别连接所述可调谐光延迟线和声光移频器的输入端；所述可调谐光延迟线和声光移频器的输出端连接光合路器的输入端；所述光合路器的输出端连接光电探测器的输入端；所述光电探测器的输出端连接所述鉴相器的输入端；所述射频信号源的输出端分别连接声光移频器的另一输入端和鉴相器的另一输入端。
2.一种基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法，其特征在于，所述测量方法基于权利要求1所述的测量装置实现，包括如下步骤：
S1，被测激光器输出的激光经过光功分器之后被分为两路激光；
S2，所述光功分器输出的两路激光中的一路经过可调谐光延迟线，产生的延时量记为τ；
S3，所述光功分器输出的两路激光中的另一路经过声光移频器；所述声光移频器还接收射频信号源输出的一路射频信号，所述射频信号的频率为F，经过所述声光移频器的激光产生的移频量为F；
S4，将所述可调谐光延迟线和声光移频器输出的激光通过光合路器进行合路；
S5，所述光合路器输出的激光输入到光电探测器中，转换为频率为F的射频信号，并将所述射频信号输出到鉴相器；
S6，所述射频信号源输出的另一路射频信号直接输入到所述鉴相器中；
S7，所述鉴相器对步骤S5和步骤S6输入的两路射频信号进行鉴相，根据二者之间的相位差输出对应的电压值，所述电压值的大小可以表征被测激光器波长漂移范围。
3.根据权利要求2所述的基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法，其特征在于，所述鉴相器输出的电压值的表达式为：
v(f，τ)∝cos[2πfτ+φ0]
其中，τ是所述可调谐光延迟线引入的延时量，φ0是整个测量装置中各信号传输路径中所经历的各种元器件所引入的相位；f是所述被测激光器输出的激光的频率，其与波长λ的换算关系为f＝c/λ，其中c是光在介质中传播的速度。
4.根据权利要求2或3所述的基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法，其特征在于，若所述被测激光器输出的激光的频率f可以分解为固定中心频率f0和漂移频率Δf，即f＝f0+Δf，则所述鉴相器输出的电压值的表达式为：
v(Δf，τ)∝cos[2π(f0+Δf)τ+φ0]
其中，τ是所述可调谐光延迟线引入的延时量，φ0是整个测量装置中各信号传输路径中所经历的各种元器件所引入的相位，f是所述被测激光器输出的激光的频率，其与波长λ的换算关系为f＝c/λ，其中c是光在介质中传播的速度。
5.根据权利要求4所述的基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法，其特征在于，由于τ可由所述可调谐光延迟线确定，而f0和φ0是恒定不变的，因此所述鉴相器输出的电压值的表达式还可表示为：
v(Δf)∝cos(2πτΔf+φ′)
其中，φ′＝φ0+2πf0代表了由被测激光器固定中心波长和整个测量装置中各信号传输路径中所经历的各种元器件所引入的固定相位。
6.根据权利要求2所述的基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法，其特征在于，根据所述电压值的大小表征被测激光器波长漂移范围的方法为：
S71，持续测量一段时间得到所述鉴相器输出的电压值与被测激光器波长漂移范围的余弦函数曲线；
S72，根据步骤S2中的所述可调谐光延迟线引入的延时量τ，确定被测激光器波长漂移范围的参考值Δf；
S73，实际测得的所述余弦函数曲线的周期数为N，N为正实数，则被测激光器波长漂移范围为N×Δf。
7.根据权利要求2所述的基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法，其特征在于，步骤S72中所述被测激光器波长漂移范围的参考值
Figure FDA0002742164100000031
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