CN112595424B - 一种激光器波长实时采集测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光器波长实时采集测量系统及方法，包括：稳频参考激光器，用于产生一稳频参考激光；合束器，用于对待测激光与稳频参考激光进行拍频，产生一差频光信号；光电探测器，用于将差频光信号转化为电信号；微波滤波器，用于将电信号中的频率与幅度进行同步；低通滤波与比例电路，用于过滤电信号，得到带有幅度变化的调谐信号，并对该调谐信号进行放大；ADC信号采集，用于高速实时采集激光信息；FPGA信号处理器，用于将数据进行处理，得到激光器波长实时变化信息。本发明提供的测量系统相较于常用的光波长计和光频谱仪，具备实时测量并记录激光器波长变化的功能，并且结构简单，体积功耗可控制在较小范围。

Description

一种激光器波长实时采集测量系统及方法

技术领域

本发明涉及光学工程技术领域，具体涉及一种激光器波长实时采集测量系统及方法。

背景技术

随着光纤传感技术的不断进步，光纤传感系统广泛应用于石油勘探、测风雷达、光纤水听和光纤陀螺等领域。大多数光纤传感系统的指标要求越来越高，由此分配给光源的指标要求也愈发苛刻。以一种光纤水听系统为例，该系统要求光源在窄线宽高稳频的前提下还需要满足2KHz到30KHz速率的电流直接调谐，并且对由电流到波长变化的过程当中的噪声系数要求高，这时候就需要测试光源是否满足该项要求，目前尚无系统能实时采集测试激光器波长变化。光波长计和光频谱仪虽然也可以显示波长变化，但是由于其均采用机械扫描的方式对波长进行扫描跟踪和显示，该方式对波长采样频率极低，小于100Hz，无法实时测量出波长变化范围在＞1pm，周期＞2kHz的激光波长变化。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本发明主要针对实时测量激光器波长变化速度提供了一种激光器波长实时采集测量系统及方法，用于至少部分解决传统测量设备采样频率低、体积功耗大等技术问题。

(二)技术方案

本发明一方面提供了一种激光器波长实时采集测量系统，包括：稳频参考激光器，用于产生一稳频参考激光；合束器，用于对待测激光与稳频参考激光进行拍频，产生一差频光信号；光电探测器，用于将差频光信号转化为电信号；微波滤波器，用于将电信号中的频率与幅度进行同步；低通滤波与比例电路，用于过滤电信号，得到带有幅度变化的调谐信号，并对该调谐信号进行放大；ADC信号采集，用于高速实时采集激光信息；FPGA信号处理器，用于将数据进行处理，得到激光器波长实时变化信息。

进一步地，还包括：可调光衰减器，用于衰减稳频参考激光或待测激光的光功率，以选取与待测激光光功率接近的稳频参考激光。

进一步地，光电探测器包括PIN探测器，PIN探测器的带宽大于待测激光与稳频参考激光差频的最大值。

进一步地，微波滤波器包括高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。

进一步地，低通滤波器包括切比雪夫滤波器、巴特沃夫滤波器。

进一步地，光电探测器输出的电信号如下：

其中，f₁为参考激光的频率，f₂为待测激光的频率，α为合束器衰减系数，β为光电探测器的光电转换系数，I₁为参考激光输出光强，

为参考激光输出光场的初始相位，

为待测激光输出光场的初始相位。

进一步地，微波滤波器输出的信号如下：

其中，γ为微波滤波器固有传输系数，f₁为参考激光的频率，f₂为待测激光的频率，α为合束器衰减系数，β为光电探测器的光电转换系数，I₁为参考激光输出光强，

为参考激光输出光场的初始相位，

为待测激光输出光场的初始相位。

本发明另一方面提供了一种激光器波长实时采集测量方法，包括：S1，待测激光与稳频参考激光拍频后产生差频光信号；S2，将差频光信号转化为电信号；S3，将电信号中转化为频率与幅度同步变化的电信号；S4，过滤电信号得到带有幅度变化的调谐信号；S5，将调谐信号经过放大、高速实时采集激光信息、数据处理，得到激光器波长实时变化信息。

进一步地，S1之前还包括：选取与待测激光的发光波长接近的稳频参考激光。

进一步地，S1之前还包括：选取与待测激光的光功率接近的稳频参考激光。

(三)有益效果

本发明实施例提供的一种激光器波长实时采集测量系统及方法，通过将微波信号的频率变化对应到微波信号的强度变化等处理，可直接测量激光器波长波动轨迹并得到波动轨迹的频谱，该系统较已有的光波长计和光谱仪具有实时性，可得到光波长波动轨迹，并且结构简单，体积功耗可控制在较小范围，同时该系统可设计成模块化组装，可以更加方便的应用于实时测量各种波段各种波长变化强度。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明实施例激光器波长实时采集测量系统的示意框图；

图2示意性示出了根据本发明实施例激光器波长实时采集测量的方法流程图。

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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明主要针对光学工程中的光波长变化测量，具体应用于对光纤传感系统(例如光纤水听，光纤陀螺)中的光源指标测量，可以用于评估所测光源是否达到所设计的光纤传感系统的要求。

本发明的实施例提供了一种激光器波长实时采集测量系统，请参见图1，包括：稳频参考激光器，用于产生一稳频参考激光；合束器，用于对待测激光与稳频参考激光进行拍频，产生一差频光信号；光电探测器，用于将差频光信号转化为电信号；微波滤波器，用于将电信号中的频率与幅度进行同步；低通滤波与比例电路，用于过滤电信号，得到带有幅度变化的调谐信号，并对该调谐信号进行放大；ADC信号采集，用于高速实时采集激光信息；FPGA信号处理器，用于将数据进行处理，得到激光器波长实时变化信息。

该系统包含的器件有：稳频参考光源、合束器、光电探测器、微波滤波器、低通滤波电路、ADC实时采集电路、FPGA信号处理单元和PC端软件显示。该系统利用内置稳频参考光源与待测激光器拍频，产生的差频光信号经光电探测器转换为差频微波信号，经微波滤波器边沿过滤后将微波信号的频率变化对应到微波信号的强度变化，经低通滤波电路后得到携带待测激光器波长变化信息的电域强度信号，由高速的ADC进行实时采样再经由FPGA处理即可实时得到激光器波长变化信息。该系统相较于常用的光波长计和光频谱仪，具备实时测量并记录激光器波长变化的功能。本发明可以实时显示波长变化变化范围在1pm～100pm(对应125MHz～12.5GHz)量级，周期高达200kHz的激光波长变化。

在上述实施例的基础上，还包括：可调光衰减器，用于衰减稳频参考激光或待测激光的光功率，以选取与待测激光光功率接近的稳频参考激光。

为提高系统测量精度，稳频参考光源输出光功率应与待测光源的输出光功率接近，可以采用可调光衰来调节两光源的强度。

在上述实施例的基础上，光电探测器包括PIN探测器，PIN探测器的带宽大于待测激光与稳频参考激光差频的最大值。

光电探测器可采用一般的PIN探测器，本发明主要要求其对频率变化的响应时间要短，因为需要采集频率为两光源差频的微波信号，对其带宽要求只需大于两光源差频的最大值即可。

在上述实施例的基础上，微波滤波器包括高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。

微波滤波器的作用是将频率变化而幅度不变化的微波信号转化为幅度随频率变化也变化的微波信号，本发明主要利用微波滤波器的通带边缘，对微波滤波器的类型无要求，可以是高通滤波器也可以是低通滤波器和带通、带阻滤波器。本发明为提高系统精确度同时也减少后续频率变化信息的恢复难度，要求微波滤波器在通带边缘附近的传递函数尽量接近线性。

在上述实施例的基础上，低通滤波器包括切比雪夫滤波器、巴特沃夫滤波器。

经过微波滤波器出来的信号是频率与幅度同步变化的微波信号，该信号经低通滤波得到微波信号幅度包络。本发明可以用切比雪夫滤波器也可以用巴特沃夫滤波器，切比雪夫滤波器具有通带平坦，阻带下降慢的特点，巴特沃夫滤波器具有通带等纹波，阻带下降较快特点。输出信号再经过合适的比例放大到ADC的输入范围，FPGA通过高速ADC实时采集激光器波长信息后可进行数据处理，例如可以做傅里叶变换的到信号的频谱分析。经FPGA处理的信号可通过usb协议与上位机通信，满足实时显示的功能。

本发明的系统结构简单，适应于模块化装备，使用灵活，可视具体测试环境而更换相应模块以达到测试要求。且本发明所需器件均属于光电系统的常见器件，而且价格相对便宜，该套系统的制作成本不高，且能满足测试需求。

在上述实施例的基础上，光电探测器输出的电信号如下：

其中，f₁为参考激光的频率(作为系统参考光源，在测量时保持不变)，f₂为待测激光的频率(本系统需要实时采集测量的量)，α为合束器衰减系数，β为光电探测器的光电转换系数(输出电压/输入光功率)，I₁为参考激光输出光强，

为参考激光输出光场的初始相位，

为待测激光输出光场的初始相位。

稳频参考激光器和待测激光器均为窄线宽半导体激光器，其输出光场分别为：

参考激光器：

待测激光器：

其中I₁与I₂分别代表两光源输出光强。

两束光经2X1合束器，其输出光场为：

其中α为合束器衰减系数。

在本实例中，两束光的强度接近(即I₁≈I₂)，在本实例中可以选择两个输出光功率接近的光源，也可以通过对输出光功率较高的光进行衰减来实现从合束器输入的两路光功率接近。对(3)式和差化积：

上式第一项

为输出光场，第二项

为光场相位，第三项为差频相位。输出拍频光信号的电场幅度为：

输出拍频光信号的光强幅度为：

两光波长相差范围在1pm～100pm(对应125MHz～12.5GHz)量级，本实例中取f₁-f₂在0.5GHz～1GHz范围内变化(w₁＝2πf₁，w₂＝2πf₂)，其中f₁为参考激光器光频率保持不变，f₂为待测激光器光频率。此拍频信号进入光电探测器，去掉直流偏压得到输出为频率等于f₁-f₂的电信号如下：

在上述实施例的基础上，微波滤波器输出的信号如下：

其中，γ为微波滤波器固有传输系数，f₁为参考激光的频率(作为系统参考光源，在测量时保持不变)，f₂为待测激光的频率(本系统需要实时采集测量的量)，α为合束器衰减系数，β为光电探测器的光电转换系数(输出电压/输入光功率)，I₁为参考激光输出光强，

为参考激光输出光场的初始相位，

为待测激光输出光场的初始相位。

光电探测器输出的电信号经过一个微波滤波器，该滤波器存在一个滤波边沿包含0.5GHz～1GHz范围，在本实例中该滤波器为高通滤波器，并且在0.5GHz～1GHz有线性递增的传输系数，即：

H_s＝γ(f_in-0.5) (8)

其中γ为微波滤波器固有传输系数。

经过微波滤波器后信号为：

该信号经过低通滤波器(该低通滤波器信号截至频率f_3dB＜＜f₁-f₂，本实例中取f_3dB＝100kHz)和比例电路的信号如下，该实例中可用电功率计实现：

E_filter2＝2γβα²I₁(f₁-f₂-0.5) (9)

该信号经高速ADC采样，可以得到E_filter2的幅度变化，由(9)式可知该信号与(f₁-f₂-0.5)成正比，所以待测激光器输出光频率f₂的变化可由ADC实时采集并由FPGA计算得出。

本发明的另一实施例提供了一种激光器波长实时采集测量方法，请参见图2，包括：S1，待测激光与稳频参考激光拍频后产生差频光信号；S2，将差频光信号转化为电信号；S3，将电信号中转化为频率与幅度同步变化的电信号；S4，过滤电信号得到带有幅度变化的调谐信号；S5，将调谐信号经过放大、高速实时采集激光信息、数据处理，得到激光器波长实时变化信息。

本发明测量方法测试目的在于实时采集待测激光器的波长变化轨迹数据，并经过进一步处理的到激光器波长调谐速度的频谱图。

本系统要求待测激光器与稳频参考激光器的发光波长接近，该条件需要在系统进行测试之前满足。待测激光器与稳频参考激光器经过合束器拍频后产生差频光信号。差频光信号过光电探测器转化为电信号。微波滤波器进行滤波转换，将信号频域上的变化转化为强度与频域上同步变化且一一对应的微波。低通电滤波器将微波频段过滤掉，也可用电功率计代替实现，留下带有强度变化的调谐信号。经过适当的放大，再经过高速ADC采样的到数字信号。带有激光器波长调谐信号的数字电信号在FPGA中经过初步处理即可恢复出所测指标数据。

在上述实施例的基础上，S1之前还包括：选取与待测激光的发光波长接近的稳频参考激光。

本发明要求稳频参考光源波长与待测激光器的波长接近，并且其波长波动相对于测量的精度要求可以忽略不计。本发明一般采用高稳频窄线宽半导体激光器作为系统内置参考光源，也可跟据具体应用场景选用不同等级的光源，例如应对稳频激光器的微小波长变化测量可以采用光纤激光器，而对于测量激光器波长较大范围调谐(GHz量级)可以采用较低要求的DFB激光器。

在上述实施例的基础上，S1之前还包括：选取与待测激光的光功率接近的稳频参考激光。

为提高系统测量精度，稳频参考光源输出光功率应与待测光源的输出光功率接近，可以采用可调光衰来调节两光源的强度。

本发明提供的一种激光器波长实时采集测量系统，为实时测量激光器波长波动轨迹提供一套可视化测试系统，并且经过傅里叶变换能得到激光器波长波动轨迹的频谱。该发明一方面为光纤传感系统(特别是光纤水听系统)筛选激光器，测量激光器波长波动谱噪声性能提供一种实时测量方案，另一方面可以为激光器的设计制造提供测试数据，为激光器的设计制造提供数据支撑。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光器波长实时采集测量系统，其特征在于，包括：

稳频参考激光器，用于产生一稳频参考激光；

合束器，用于对待测激光与所述稳频参考激光进行拍频，产生一差频光信号；

光电探测器，用于将所述差频光信号转化为电信号；

微波滤波器，用于将所述电信号中的频率与幅度进行同步，以使所述电信号的幅度随频率一同变化；所述微波滤波器存在一个滤波边沿，并且在所述滤波边沿处有线性递增的传输系数；

低通滤波与比例电路，用于过滤所述微波滤波器输出的电信号，得到带有幅度变化的调谐信号，并对该调谐信号进行放大；

ADC信号采集，用于高速实时采集激光信息；

FPGA信号处理器，用于将数据进行处理，得到激光器波长实时变化信息。

2.根据权利要求1所述的激光器波长实时采集测量系统，其特征在于，还包括：

可调光衰减器，用于衰减所述稳频参考激光或待测激光的光功率，以选取与所述待测激光光功率接近的稳频参考激光。

3.根据权利要求2所述的激光器波长实时采集测量系统，其特征在于，所述光电探测器包括PIN探测器，所述PIN探测器的带宽大于所述待测激光与稳频参考激光差频的最大值。

4.根据权利要求1所述的激光器波长实时采集测量系统，其特征在于，所述微波滤波器包括高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。

5.根据权利要求4所述的激光器波长实时采集测量系统，其特征在于，所述低通滤波器包括切比雪夫滤波器、巴特沃夫滤波器。

6.根据权利要求1所述的激光器波长实时采集测量系统，其特征在于，所述光电探测器输出的所述电信号如下：

其中，f₁为参考激光的频率，f₂为待测激光的频率，α为合束器衰减系数，β为光电探测器的光电转换系数，I₁为参考激光输出光强，

为参考激光输出光场的初始相位，

为待测激光输出光场的初始相位。

7.根据权利要求6所述的激光器波长实时采集测量系统，其特征在于，所述微波滤波器输出的信号如下：

其中，γ为微波滤波器固有传输系数，f₁为参考激光的频率，f₂为待测激光的频率；α为合束器衰减系数，β为光电探测器的光电转换系数，I₁为参考激光输出光强，

为参考激光输出光场的初始相位，

为待测激光输出光场的初始相位。

8.一种激光器波长实时采集测量方法，包括：

S1，待测激光与稳频参考激光拍频后产生差频光信号；

S2，将所述差频光信号转化为电信号；

S3，将所述电信号转化为频率与幅度同步变化的电信号；将所述电信号进行转化的微波滤波器存在一个滤波边沿，并且在所述滤波边沿处有线性递增的传输系数；

S4，过滤所述频率与幅度同步变化的电信号得到带有幅度变化的调谐信号；

S5，将所述调谐信号经过放大、高速实时采集激光信息、数据处理，得到激光器波长实时变化信息。

9.根据权利要求8所述的激光器波长实时采集测量方法，其特征在于，所述S1之前还包括：选取与所述待测激光的发光波长接近的稳频参考激光。

10.根据权利要求8所述的激光器波长实时采集测量方法，其特征在于，所述S1之前还包括：选取与所述待测激光的光功率接近的稳频参考激光。

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