CN114295325B - 一种基于窄线宽连续激光和随机耦合的光腔衰荡信号衰荡时间获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于窄线宽连续激光和随机耦合的光腔衰荡信号衰荡时间获取方法，将窄线宽连续激光束直接入射进入光学谐振腔，记录随机耦合产生的光腔衰荡信号，对记录的光腔衰荡信号采用双指数函数拟合，从而消除随机耦合过程时间特性的不确定性对衰荡时间获取的影响，通过多次测量结果统计平均获得衰荡时间的准确值。本方法与传统的采用调制光学谐振腔腔长实现共振耦合和采用声光调制器快速关断激光束的窄线宽连续激光光腔衰荡方法相比，具有构型简单、调节方便、成本低等优点，可用于基于光腔衰荡的高反/高透光学元件反射率/透过率/光学损耗测量和基于光腔衰荡光谱的痕量气体检测中。

Description

一种基于窄线宽连续激光和随机耦合的光腔衰荡信号衰荡时 间获取方法

技术领域

本发明涉及用于高反/高透光学元件反射率/透过率/光学损耗测量和痕量气体检测的光腔衰荡技术领域，特别涉及光腔衰荡技术中光腔衰荡信号衰荡时间的获取方法。

背景技术

光腔衰荡技术是一种高灵敏的超低损耗测量技术，主要用于高反/高透光学元件反射率/透过率/光学损耗的高精度测量和痕量气体的高灵敏检测/监测。与其他常规的测量方法不同，光腔衰荡技术通过测量衰荡时间来确定被测参量(光学元件反射率/透过率/光学损耗或痕量气体浓度)，因此衰荡时间的高精度测量是光腔衰荡技术获得广泛应用的基础。在连续波光腔衰荡技术中，为了高精度获取光腔衰荡信号的衰荡时间，一般采取激光束高速调制或快速关断的方法。例如，中国专利申请号200710098755.X的发明专利“基于半导体自混合效应的高反射率测量方法”和中国专利申请号200810102778.8的发明专利“基于频率选择性光反馈光腔衰荡技术的高反射率测量方法”使用连续光腔衰荡技术测量光学元件高反射率，采用激光器的光反馈效应实现激光束与光学谐振腔之间的耦合，通过高速调制激光束在调制信号的下降沿实现激光束的关断和衰荡信号的测量。中国专利申请号200710122408.6的发明专利“用于高反射率测量的开关激光器的时序优化方法”通过采用阈值触发电路关断激光束，实现衰荡时间的高精度确定。而当采用的激光光源为窄线宽激光时，通常通过采用压电驱动器(PZT)调制光学谐振腔(衰荡光腔)腔长实现激光束与衰荡光腔之间的共振耦合，而采用阈值触发电路和高速声光调制器实现激光束的快速关断，从而高精度确定衰荡时间，但测量装置构型复杂，不方便调节，对机械件的稳定性要求高，成本高。特别是在光腔衰荡光谱痕量气体检测应用中，常采用可调谐窄线宽连续激光器做光源实现被测痕量气体吸收光谱的高分辨测量，在调谐激光器波长的同时还需要调制光学谐振腔腔长和控制声光调制器关断激光束，控制和测量过程复杂，测量时间长，不利于痕量气体浓度的快速实时监测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有基于窄线宽连续激光的光腔衰荡技术中衰荡时间获取方法的不足，提出了一种基于窄线宽连续激光和随机耦合的光腔衰荡信号衰荡时间获取方法，既无需采用PZT调制衰荡光腔腔长，也无需采用声光调制器快速关断激光束，简化了测量装置构型，缩短了测量时间，降低了装置成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用双指数函数拟合记录的通过随机耦合产生的共振光腔衰荡信号，从而消除随机耦合过程时间特性的不确定性对衰荡时间获取的影响，其实现衰荡时间获取的步骤如下：

步骤(1)、将一束窄线宽连续激光输出的激光束注入一光学谐振腔，所述的窄线宽连续激光为输出光谱对环境温度敏感的激光器，中心波长在一定范围内快速随机变化，且线宽≤1GHz，输出功率≥1mW，输出光束为TEM₀₀模高斯光束；所述光学谐振腔由两块相同的平凹高反射镜构成直型腔，或者由两块相同的平凹高反射镜和一块平面高反射镜组成的折叠腔，窄线宽激光束从第一块平凹高反射镜注入光学谐振腔，由第二块平凹高反射镜输出，输出的光腔衰荡信号由光电探测器测量，将光电探测器链接示波器记录探测的光腔衰荡信号，并送入计算机进行数据处理；

步骤(2)、调节两平凹高反射镜或平面高反射镜俯仰角使光路对准，示波器上出现多个由于窄线宽激光束与光学谐振腔之间的随机耦合而出现的共振光腔衰荡信号；

步骤(3)、在示波器上选择上升沿触发方式，根据步骤(2)中的共振光腔衰荡信号幅值和时间范围设置触发阈值和时间记录范围，采用单次采集方式记录共振光腔衰荡信号，重复记录共振光腔衰荡信号至少10次以上；

步骤(4)、从记录的共振光腔衰荡信号中选择下降沿符合指数衰减特征的信号按双指数函数拟合，双指数函数的数学表达式为I(t)＝A[exp(-t/τ)-(τ₀/τ)exp(-t/τ₀)]+A₀，其中，I(t)为光腔衰荡信号，A为光腔衰荡信号幅值，A₀为光腔衰荡信号直流偏置，τ为光腔衰荡信号的衰荡时间，τ₀为随机耦合过程的特征时间，由此获得衰荡时间τ；对所有下降沿符合指数衰减特征的光腔衰荡信号进行双指数拟合，每个下降沿符合指数衰减特征的信号都获得一个衰荡时间；

步骤(5)、对步骤(4)获得的所有衰荡时间进行统计平均，其统计平均值即为获取的衰荡时间。

其中，所述的光电探测器的响应时间≤100ns。

其中，所述的示波器带宽≥100MHz。

其中，所述的光学谐振腔腔长≥0.5m，且在满足稳定腔条件下不超过1.5m。

本发明与现有技术相比具有如下技术优点：无需采用PZT调制衰荡光腔腔长和采用声光调制器关断激光束，简化了测量装置构型，缩短了测量时间，降低了装置成本，使基于本发明的光腔衰荡测量装置稳定性更高，更具有市场竞争力。

附图说明

图1为本发明的光腔衰荡装置结构示意图；

图2为本发明的示波器记录的随机耦合产生的多个共振光腔衰荡信号；

图3为本发明的示波器记录的单个光腔衰荡信号及其双指数函数拟合曲线；

图4为本发明的多次衰荡时间测量结果及其与传统关断方法测量结果的对比；

图5为本发明的图4所示的衰荡时间测量结果对应的高反射镜反射率结果。

图1中：1为窄线宽连续激光光源；2和3为平凹高反射镜；4为聚焦透镜；5为光电探测器；6为示波器；7为计算机。

具体实施方式

下面结合图1至图5描述本发明的一种基于窄线宽连续激光和随机耦合的光腔衰荡信号衰荡时间获取方法。

图1为本发明的光腔衰荡装置结构示意图，光源1选用窄线宽连续激光器，输出光谱对环境温度敏感，中心波长在一定范围内快速随机变化，且线宽≤1GHz，输出功率≥1mW，输出TEM₀₀模高斯光束；其输出光束进入由两块平凹高反射镜2和3组成的光学谐振腔(衰荡光腔)，腔长至少0.5m，且在满足稳定腔条件下不超过1.5m；由光学谐振腔输出的光腔衰荡信号经聚焦透镜4聚焦到光电探测器5探测，光电探测器响应时间应小于100ns，光电探测器的输出信号由示波器6记录，示波器带宽应至少100MHz，并输入到计算机进行数据处理。调节两平凹高反射镜俯仰角使光路对准，由于环境因素对窄线宽连续激光器输出光谱的影响，输出激光束的中心波长快速漂移，从而产生激光束与光学谐振腔之间的随机耦合，形成随机共振的光腔衰荡信号，如图2所示。在示波器上选择上升沿触发方式，并根据共振光腔衰荡信号幅值和时间范围设置合适的触发阈值和时间记录范围，采用单次采集方式记录共振光腔衰荡信号，然后对记录的光腔衰荡信号按双指数函数拟合，双指数函数的数学表达式为I(t)＝A[exp(-t/τ)-(τ₀/τ)exp(-t/τ₀)]+A₀，由此获得衰荡时间τ，如图3所示。重复示波器采集记录光腔衰荡信号至少10次以上，对所有下降沿符合指数衰减特征的信号进行双指数拟合，每个下降沿符合指数衰减特征的信号都获得一个衰荡时间，对获得的衰荡时间进行统计平均，统计平均值即为获取的衰荡时间，如图4为测量结果。为了验证测量结果的正确性，同时采用传统的声光调制器关断激光束的方法测量了相同条件下的衰荡时间，也显示在图4中。例如，在图4显示的结果中，采用本发明方法获取的衰荡时间统计结果为96.7±15.7μs，而采用传统关断方法获取的衰荡时间统计结果为88.8±3.9μs，由此计算得到的高反射镜反射率为99.9987±0.00026％和99.9986±0.00006％，虽然均方差存在较大差别，但统计平均值差别仅为0.0001％，验证了本发明方法的正确性。对应的反射率结果统计分布如图5所示。

总之，本发明提出了一种基于窄线宽连续激光和随机耦合的光腔衰荡信号衰荡时间获取方法，通过采用本发明方法，可实质简化基于窄线宽连续激光的光腔衰荡装置构型，提高光腔衰荡装置的稳定性，降低光腔衰荡装置的成本，可望在用于测量高反/高透光学元件反射率/透过率/光学损耗和监测痕量气体浓度的光腔衰荡技术中得到应用。

Claims (4)

1.一种基于窄线宽连续激光和随机耦合的光腔衰荡信号衰荡时间获取方法，其特征在于实现衰荡时间获取的步骤如下：

步骤(1)、将一束窄线宽连续激光输出的激光束注入一光学谐振腔，所述的窄线宽连续激光为输出光谱对环境温度敏感的激光器，中心波长在一定范围内快速随机变化，且线宽≤1GHz，输出功率≥1mW，输出光束为TEM₀₀模高斯光束；所述光学谐振腔由两块相同的平凹高反射镜构成直型腔，或者由两块相同的平凹高反射镜和一块平面高反射镜组成的折叠腔，窄线宽激光束从第一块平凹高反射镜注入光学谐振腔，由第二块平凹高反射镜输出，输出的光腔衰荡信号由光电探测器测量，将光电探测器链接至示波器记录探测的光腔衰荡信号，并送入计算机进行数据处理；

步骤(2)、调节两平凹高反射镜或平面高反射镜俯仰角使光路对准，示波器上出现多个由于窄线宽激光束与光学谐振腔之间的随机耦合而出现的共振光腔衰荡信号；

步骤(3)、在示波器上选择上升沿触发方式，根据步骤(2)中的共振光腔衰荡信号幅值和时间范围设置触发阈值和时间记录范围，采用单次采集方式记录共振光腔衰荡信号，重复记录共振光腔衰荡信号至少10次以上；

步骤(4)、从记录的共振光腔衰荡信号中选择下降沿符合指数衰减特征的信号按双指数函数拟合，双指数函数的数学表达式为I(t)＝A[exp(-t/τ)-(τ₀/τ)exp(-t/τ₀)]+A₀，其中，I(t)为光腔衰荡信号，A为光腔衰荡信号幅值，A₀为光腔衰荡信号直流偏置，τ为光腔衰荡信号的衰荡时间，τ₀为随机耦合过程的特征时间，由此获得衰荡时间τ；对所有下降沿符合指数衰减特征的光腔衰荡信号进行双指数拟合，每个下降沿符合指数衰减特征的信号都获得一个衰荡时间；

步骤(5)、对步骤(4)获得的所有衰荡时间进行统计平均，其统计平均值即为获取的衰荡时间。

2.根据权利要求1所述的光腔衰荡信号衰荡时间获取方法，其特征在于：所述的光电探测器的响应时间≤100ns。

3.根据权利要求1所述的光腔衰荡信号衰荡时间获取方法，其特征在于：所述的示波器带宽≥100MHz。

4.根据权利要求1所述的光腔衰荡信号衰荡时间获取方法，其特征在于：所述的光学谐振腔腔长≥0.5m，且在满足稳定腔条件下不超过1.5m。

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