CN115598651A - 锁定式共焦f-p腔的激光扫频量控制与测定装置、方法 - Google Patents

锁定式共焦f-p腔的激光扫频量控制与测定装置、方法 Download PDF

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CN115598651A CN202211210106.5A CN202211210106A CN115598651A CN 115598651 A CN115598651 A CN 115598651A CN 202211210106 A CN202211210106 A CN 202211210106A CN 115598651 A CN115598651 A CN 115598651A
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Abstract

本发明公开了一种基于锁定式共焦F‑P腔的激光扫频量精确控制与测定装置与方法。装置通过低频电光相位调制器的波分复用分别实现共焦F‑P腔腔长相对于氦氖激光器的锁定和可调谐激光器激光频率在扫描开始与结束时相对于共焦F‑P腔的锁定；在激光扫描前通过高频电光相位调制器以微波频率基准来实现共焦F‑P腔自由光谱区FSR的测量，通过计数、控制两次激光频率锁定之间扫描的谐振峰的个数来实现扫频量控制和测定。本发明实现了频率扫描干涉法中激光频率扫描量的控制与测量，提高了共焦F‑P腔的FSR作为扫描频率参考的稳定性，并且以微波频率基准实现FSR的高精度测量，从而提高了频率扫描量测定精度，以此可提高扫频绝对测距的精度。

Description

锁定式共焦F-P腔的激光扫频量控制与测定装置、方法
技术领域
本发明属于激光干涉测量技术领域，具体涉及到一种基于锁定式共焦F-P腔的激光扫频量精确控制与测定装置与方法。
背景技术
激光频率扫描干涉绝对测距方法因测量范围大、相对精度高、无测量模糊范围等优点，被广泛应用于绝对距离干涉测量领域。激光频率扫描量的精确测定是激光扫频干涉测距的关键技术之一。激光扫频量测定的传统方法是通过波长计、光谱仪等仪器直接对激光频率进行测量，该方法受限于光频测量仪器的分辨率导致测量精度低，同时无法满足激光频率快速扫描时测量速度的要求。因此，在激光频率扫描时一般需要通过额外的频率参考来测量扫频量，如辅助干涉仪、飞秒光频梳、法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)腔等。在利用辅助干涉仪的方法中，用于产生稳定光程差的长光纤极易受到环境温度、振动以及光纤色散等因素的影响，导致扫频量的测量精度降低；虽然利用飞秒光频梳的方法能够提供高精度的光频测量，但现有飞秒光频梳的成本高昂且空间体积大，还难以广泛应用于工业现场激光扫频干涉绝对测距中扫频量的测定；而共焦F-P腔能够把与其腔长有关的自由光谱范围(Free Spectral Range,FSR)作为等间隔的频率参考，并且成本更低，因此共焦F-P腔被广泛应用于激光扫频干涉绝对测距中。但是，共焦F-P腔同样易受温度等环境因素影响，导致扫频量的测量精度不够高进而导致绝对距离测量精度难以提高。所以，提高共焦F-P腔腔长的稳定性以及提高共焦F-P腔的FSR的测量精度，是基于共焦F-P腔的激光扫频干涉绝对测距方法需要解决的关键问题。
发明内容
针对现有方法中存在的问题，本发明公开了一种基于锁定式共焦F-P腔的激光扫频量控制与测定方法，解决了基于共焦F-P腔的激光频率扫描量的高精度测量问题，可以广泛适用于激光扫频干涉测距技术领域。
本发明采用电光相位调制器，同时构建了共焦F-P腔锁定子系统与FSR精确测量子系统，提高了共焦F-P腔腔长的稳定性以及其FSR的测量精度，从而提高激光频率扫描量控制和测量精度。
本发明实现上述目的所采用的具体技术方案是：
一、一种锁定式共焦F-P腔的激光扫频量精确控制与测定装置：
装置包括参考氦氖激光器、光纤分束器、第一准直器、光隔离器、第一二向色镜、偏振片、倒置的扩束器、低频空间电光相位调制器、分光镜、高频光纤电光相位调制器、第二准直器、偏振分光镜、四分之一波片、共焦F-P腔、第二二向色镜、第一滤光片、第一凸透镜、第一光电探测器、第二滤光片、第二凸透镜和第二光电探测器。
作为待测对象的可调谐激光器发出的测量激光先经过光纤分束器分为两束光并分别入射到第一光纤准直器和高频光纤电光相位调制器，一束测量激光经过高频光纤电光相位调制器后再经第二光纤准直器转换为第二空间光并入射到分光镜发生反射，另一束测量激光通过第一光纤准直器转换为第一空间光并入射到第一二向色镜发生透射；
参考氦氖激光器发出原始的参考激光经过光隔离器后入射到第一二向色镜发生反射，被第一二向色镜反射的参考激光和被第一二向色镜透射的测量激光均依次经过偏振片转换偏振态、倒置的扩束器缩小光斑、空间电光相位调制器正弦相位调制后产生等频率间隔边带的光，等频率间隔边带的光入射到分光镜发生透射；
被分光镜发生透射的测量激光和参考激光以及分光镜发生反射的测量激光均入射到偏振分光镜发生反射，再透过四分之一波片进入共焦F-P腔且在共焦F-P腔内部多次来回反射使得光强衰减，共焦F-P腔内部来回反射后返回的参考激光逆反依次经四分之一波片透射、偏振分光镜透射后入射到第二二向色镜发生透射和反射，被第二二向色镜反射的光中的参考激光部分经过和参考氦氖激光器发出的原始参考激光相同波段的第二滤光片滤光和第二凸透镜聚光后被第二光电探测器探测接收；被第二二向色镜透射的光中的测量激光部分经过和可调谐激光器发出的原始参考激光相同波段的第一滤光片滤光和第一凸透镜聚光后被第一光电探测器探测接收。
本发明的待测对象为可调谐激光器，用于准确测量可调谐激光器的扫频范围。
所述的参考氦氖激光器为稳频激光器。
所述可调谐激光器、参考氦氖激光器发出激光的波段不同，第二滤光片的滤光波段和参考氦氖激光器发出激光的波段相同，第一滤光片的滤光波段和可调谐激光器发出激光的波段相同。
所述的共焦F-P腔上设置有用于控制共焦F-P腔腔长的PZT压电陶瓷，PZT压电陶瓷安装在一块腔镜上。
装置还包括第一高频放大器、信号源、移相器、混频器、低通滤波器、第二高频放大器、第一低频放大器、第二低频放大器和信号采集处理系统；
信号源经第一高频放大器和高频光纤电光相位调制器电连接，信号源经移相器和混频器连接，第一光电探测器直接连接到混频器，混频器经低通滤波器和信号采集处理系统连接；
信号采集处理系统分别和第一光电探测器、第二光电探测器电连接，信号采集处理系统经第二低频放大器和PZT压电陶瓷电连接，信号采集处理系统经第一低频放大器和可调谐激光器电连接，信号采集处理系统经第二高频放大器和空间电光相位调制器电连接。
所述的信号采集处理系统包括了AD转换模块、DA转换模块和FPGA，AD转换模块、DA转换模块均和FPGA连接，低通滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器均连接到AD转换模块，DA转换模块分别和第二低频放大器、第一低频放大器和第二高频放大器连接，FPGA可再与外部的计算机连接。
具体实施中，可调谐激光器和参考氦氖激光器之间发出的两束激光通过波分方式信号分离提取，可调谐激光器发出的激光经光纤分束器分束的两束激光经不同的相位调制，通过频分方式进行信号分离提取。
二、一种激光扫频量精确控制与测定方法：
1)参考氦氖激光器打开工作、可调谐激光器不打开工作：
参考氦氖激光器发出固定波段的参考激光被第二光电探测器探测到形成锁腔拍频信号，锁腔拍频信号输入到信号采集处理系统中处理获得锁腔误差信号，根据锁腔误差信号经PID控制反馈到PZT压电陶瓷调节共焦F-P腔的腔长，使得锁腔误差信号为零，进而使得共焦F-P腔的腔长对应匹配到参考氦氖激光器发出参考激光的稳定工作频率上，进而锁定固定共焦F-P腔的腔长；
2)参考氦氖激光器和可调谐激光器均打开工作：
可调谐激光器发出的经由第一光纤准直器经由空间电光相位调制器调制后的测量激光被第一光电探测器探测到形成低频拍频信号，低频拍频信号输入到信号采集处理系统中处理获得稳频误差信号，根据稳频误差信号经PID控制反馈到可调谐激光器调节可调谐激光器发出测量激光的频率，使得稳频误差信号为零，进而锁定固定可调谐激光器发出测量激光的频率；
通过移相器调整相位使得拍频信号与本振信号的相位
Figure BDA0003874849110000031
两个误差信号曲线分别输入到两个PID控制器中，一个用于控制共焦F-P腔腔长相对于稳频参考激光器进行锁定，另一个用于可调谐激光器激光频率相对于共焦F-P腔进行锁定。
本发明方案中，两者间需要有严格的前后关系，要先利用锁腔误差信号实现共焦F-P腔腔长的锁定，后再利用稳频误差信号实现可调谐激光器ECDL的激光频率的锁定。
3)参考氦氖激光器和可调谐激光器均打开工作：
可调谐激光器发出的经由高频光纤电光相位调制器调制后的测量激光被第一光电探测器探测到形成高频拍频信号，根据高频拍频信号处理获得FSR测量误差信号，根据FSR测量误差信号输入到信号采集处理系统中经PID控制反馈到高频光纤电光相位调制器调节高频光纤电光相位调制器的调制频率，使得FSR测量误差信号为零，此时高频光纤电光相位调制器调制产生的相邻激光频率边带之间的频率间距为共焦F-P腔的FSR自由光谱范围；
FSR的测量是通过电光相位调制器进行调制频率接近共焦F-P腔的FSR的高频正弦相位调制，当激光频率接近共焦F-P腔的某个谐振频率时，各阶边带分布在不同的谐振频率附近。各谐振峰之间的频率间隔一致且等于FSR，各阶边带之间的频率间隔一致且等于调制频率。
被探测到的频率等于FSR的高频拍频信号，经过模拟混频器与信号源给出的另一个移相后的本振信号下混频，两个信号相位差
Figure BDA0003874849110000041
为零，获得FSR测量的误差信号。在可调谐激光器锁定至略微偏离谐振频率时，扫描调制频率获得FSR测量误差信号，它的中心过零点对应的调制频率即为共焦F-P腔的FSR，从而实现对FSR的精确测量。
4)参考氦氖激光器打开工作、可调谐激光器打开工作：
解开锁定可调谐激光器发出测量激光的频率，将可调谐激光器启动频率扫描，可调谐激光器发出的测量激光被第一光电探测器探测到形成探测信号；在频率扫描过程中，计数探测信号中和可调谐激光器对应波段中扫过谐振峰的个数，再乘以3)测量获得的共焦F-P腔的自由光谱区FSR的值，获得可调谐激光器的扫描频率范围Δf，最终完成激光扫频的控制和扫频量的精确测量。
所述1)中的锁腔误差信号按照以下公式处理获得：
Figure BDA0003874849110000042
KH＝2H1EH 2J0(βH)J1(βH)
其中，S锁腔(h)表示由氦氖激光器发出的激光并在第二光电探测器处产生的频率为ωm1的干涉信号解调获得的用于锁定共焦F-P腔的腔长h的锁腔误差信号，ωm1也为低频空间电光相位调制器的调制频率，ωH表示参考氦氖激光器发出参考激光的频率，h表示共焦F-P腔的腔长，Re{}表示取复数的实部，F()和F*()表示共焦F-P腔的反射系数及其共轭，exp()表示以自然常数e为底的指数函数，i表示虚数单位，
Figure BDA0003874849110000051
表示锁腔拍频信号与对应本振信号的相位差，KH表示锁腔误差信号理想状态下的最大幅值，H1表示锁腔拍频信号预处理的电子缩放倍数，EH、βH分别表示参考氦氖激光器发出参考激光进入低频空间电光相位调制器的激光幅值和调制深度，J0()、J1()分别表示第0阶和第1阶的第一类贝塞尔函数。
所述2)中的稳频误差信号按照以下公式处理获得：
Figure BDA0003874849110000052
KE1＝2HE1EE1 2J0(βE1)J1(βE1)
其中，S稳频(ωE)表示由可调谐激光器发出的激光在第一光电探测器处的产生的频率为ωm1的干涉信号解调获得的用于稳定可调谐激光器激光频率ωE的稳频误差信号，ωm1也为低频空间电光相位调制器的调制频率，ωE表示可调谐激光器的激光频率，h表示共焦F-P腔的腔长，KE1表示稳频误差信号理想状态下的最大幅值，Re{}表示取复数的实部，F()和F*()表示共焦F-P腔的反射系数及其共轭，exp()表示以自然常数e为底的指数函数，i表示虚数单位，
Figure BDA0003874849110000054
表示低频拍频信号与对应本振信号的相位差，HE1表示对应的电子缩放倍数，EE1、βE1分别表示可调谐激光器发出的测量激光进入低频空间电光相位调制器的激光幅值和调制深度，J0()、J1()分别为第0阶和第1阶的第一类贝塞尔函数。
所述3)中的FSR测量误差信号按照以下公式处理获得：
Figure BDA0003874849110000053
KE2＝2HE2EE2 2J0(βE2)J1(βE2)
其中，SFSR(ωm2)表示由可调谐激光器发出的激光在第一光电探测器处产生的频率为ωm2的干涉信号解调获得的用于测量共焦F-P腔的自由光谱范围的FSR测量误差信号，ωm2也为高频光纤电光相位调制器的调制频率，h表示共焦F-P腔的腔长，Re{}表示取复数的实部，F()和F*()表示共焦F-P腔的反射系数及其共轭，exp()表示以自然常数e为底的指数函数，i表示虚数单位，
Figure BDA0003874849110000055
表示FSR测量的拍频信号与对应本振信号的相位差，KE2表示FSR测量误差信号理想状态下的最大幅值，HE2表示对应信号的电子缩放倍数，EE2、βE2表示进入高频光纤电光相位调制器的ECDL激光的幅度和调制深度，J0()、J1()分别为第0阶和第1阶的第一类贝塞尔函数。
所述4)中的可调谐激光器的扫描频率范围Δf具体按照以下公式计算获得：
Δf＝m·FSR
其中，m为扫过谐振峰的个数，FSR为共焦F-P腔的的自由光谱区。
上述过程需要按一定的顺序执行，首先完成锁腔，保持FSR稳定；然后完成可调谐激光器稳频，并利用高频EOM实现FSR的测量；最后解锁激光频率再启动频率扫描，通过计数扫描过程中谐振峰的个数，再乘以之前测量的FSR的值，来求出扫描频率范围Δf。
本发明装置通过一个低频电光相位调制器的波分复用分别实现共焦F-P腔腔长相对于633nm氦氖激光器的锁定以及780nm可调谐激光器激光频率在扫描开始与结束时相对于共焦F-P腔的锁定。此外，在激光扫描前通过另一个高频电光相位调制器以微波频率基准来实现共焦F-P腔自由光谱区FSR的测量。最终，通过计数、控制两次激光频率锁定之间扫描的谐振峰的个数来实现扫频量控制和测定。
本发明具有的有益效果是：
本发明基于光波分复用以及频分复用技术，将稳频参考激光和可调谐激光经电光相位调制器调制后进入同一共焦F-P腔，通过提取各自误差信号，不仅实现了共焦F-P腔腔长的锁定及其FSR的测量，而且实现了可调谐激光器扫频范围的精确控制和测量，同时也提高了光学器件利用率，降低了成本。
本发明实现了频率扫描干涉法中激光频率扫描量的控制与测量，提高了共焦F-P腔的FSR作为扫描频率参考的稳定性，并且以微波频率基准实现FSR的高精度测量，从而提高了频率扫描量测定精度，以此可提高扫频绝对测距的精度。
附图说明
图1是本发明装置和方法的原理图。
图2是锁腔误差信号、稳频误差信号和FSR测量误差信号示意图，其中(a)表示锁腔误差信号，其中(b)表示稳频误差信号，其中(c)表示FSR测量误差信号。
图中：1、可调谐激光器，2、参考氦氖激光器，3、光纤分束器，4、第一准直器，5、光隔离器，6、第一二向色镜，7、偏振片，8、倒置的扩束器，9、低频空间电光相位调制器，10、分光镜，11、高频光纤电光相位调制器，12、第二准直器，13、偏振分光镜、14、四分之一波片，15、共焦F-P腔，16、PZT压电陶瓷，17、第二二向色镜，18、第一滤光片，19、第一凸透镜，20、第一光电探测器，21、第二滤光片，22、第二凸透镜，23、第二光电探测器，24、第一高频放大器，25、信号源，26、移相器，27、混频器，28、低通滤波器，29、第二高频放大器，30、第一低频放大器，31、第二低频放大器，32、信号采集处理系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明加以详细说明。
如图1所示，本发明的具体实施例及其按步骤操作最终实现激光扫频范围测量的实施过程如下：
第一步实现共焦F-P腔15的腔长的锁定来提高其FSR的稳定性：
首先，633nm波段的参考氦氖激光器2经过光隔离器5后被第一二向色镜6反射，被反射的光经过偏振片7转换为S偏振态的光并通过倒置的扩束器8缩小光斑，然后通过空间电光相位调制器9进行正弦相位调制，_空间电光相位调制器9的调制频率为ωm1，调制后的激光频率包含激光基频(ωH)以及以其为中心的各阶边带频率(ωH+a·ωm1，a为不等于0的自然数)。
空间电光相位调制器9进行正弦相位调制的信号由信号处理系统32的FPGA内部生成、DA输出并由放大器29放大后提供，调制频率小于共焦F-P腔15的半峰全宽，调制深度小于1rad，故仅考虑0阶、±1阶边带，表示如下：
EHEOM≈EH[J0(βH)·exp(iωHt)+J1(βH)·exp[i(ωH+ωm1)t]-J1(βH)·exp[i(ωH-ωm1)t]]
(1)
其中，EHEOM表示氦氖激光器2发出的参考激光经相位调制后的振幅，ωH、EH、βH分别为参考氦氖激光器2发出参考激光进入低频空间电光相位调制器9的激光频率、激光幅值和调制深度，ωm1为空间电光相位调制器9的调制频率，J0()、J1()为第0阶和第1阶的第一类贝塞尔函数，exp()表示以自然常数e为底的指数函数，i表示虚数单位，t表示时间。
调制后的激光在分光镜10透射并射向偏振分光镜13，被偏振分光镜13反射后透过四分之一波片14进入共焦F-P腔15，共焦F-P腔15的腔长由装在一块腔镜上的PZT压电陶瓷16来控制，激光在共焦F-P腔15内部多次来回反射，幅度衰减后返回偏振分光镜13，共焦F-P腔15与偏振分光镜13之间装有四分之一波片14，激光来回经过两次后偏振态由S偏振态转换为P偏振态，故能从共焦F-P腔15返回的光在偏振分光镜13处透射，并且被第二二向色镜17反射，经过633nm波段的第二滤光片21进一步滤光和第二凸透镜22的聚光后在第二光电探测器23处发生干涉并被探测。
在后面的步骤中，氦氖激光器与可调谐激光器均打开，来自空间电光相位调制器9的光在分光镜10处透射，来自第二准直器12的光在分光镜10处反射，两者合光并一起射向后面的光路。
光路中，共焦F-P腔15对不同激光频率的反射系数表示为：
Figure BDA0003874849110000081
其中，F(ω,h)表示频率为ω的激光入射到腔长为h的共焦F-P腔中时的反射系数，h表示共焦F-P腔15的腔长，r表示其两块腔镜的反射率(假设一致)，FSR表示其自由光谱范围，ω表示入射到共焦F-P腔15的激光频率，n表示腔内空气折射率，c表示光在真空中的传播速度。
被第二光电探测器23探测到的锁腔拍频信号由信号处理系统32的AD采样并在FPGA中通过混频器与本振信号混频，经过低通滤波器后产生锁腔误差信号，锁腔误差信号在共焦F-P腔15的谐振频率附近表现出双极、线性、中心过零的特征，作为FPGA内部的PID控制模块的误差输入进行腔长的锁定控制。
保持氦氖激光频率、空间光相位调制频率固定，扫描和控制的变量为共焦F-P腔15的腔长h，则锁腔误差信号如图2(a)所示，表示为：
Figure BDA0003874849110000082
KH＝2H1EH 2J0(βH)J1(βH)
其中，S锁腔(h)表示由氦氖激光器2发出的激光并在第二光电探测器23处产生的频率为ωm1的干涉信号解调获得的用于锁定共焦F-P腔15的腔长h的锁腔误差信号，ωm1也为低频空间电光相位调制器9的调制频率，ωH表示参考氦氖激光器2发出参考激光的频率，h为共焦F-P腔15的腔长，Re{}表示取复数的实部，F()和F*()表示共焦F-P腔15的反射系数及其共轭，exp()表示以自然常数e为底的指数函数，i表示虚数单位，
Figure BDA0003874849110000083
表示锁腔拍频信号与对应本振信号的相位差，KH表示锁腔误差信号理想状态下的最大幅值，H1表示锁腔拍频信号预处理的电子缩放倍数，EH、βH分别表示参考氦氖激光器2发出参考激光进入低频空间电光相位调制器9的激光幅值和调制深度，J0()、J1()分别表示第0阶和第1阶的第一类贝塞尔函数。
第二步实现可调谐激光器1的激光频率在启动扫描前的锁定：
780nm波段的可调谐激光器1发出的激光通过光纤分束器3分为两束光，一束通过第一光纤准直器4转为空间光后在第一二向色镜6处透射，并与参考激光器2发出的633nm波段的激光合束，共同经过相位调制与共焦F-P腔15后，在第二二向色镜17处透射与633nm波段的激光分离，从而实现对光路的光波分复用。第二二向色镜17处透射的激光经过780nm波段的第一滤光片18进一步滤光，并由第一凸透镜19的聚光后在第一光电探测器20处发生干涉并被探测。
第一光电探测器20探测到的低频拍频信号同样由信号处理系统32的AD采样并在FPGA中通过混频器与低频本振信号混频，经过低通滤波器后产生稳频误差信号，通过另一个PID控制器进行ECDL激光频率的锁定控制。保持调制频率、腔长固定，扫描和控制的变量为可调谐激光器1的激光频率ωE，则稳频误差信号如图2(b)所示，表示为：
Figure BDA0003874849110000091
KE1＝2HE1EE1 2J0(βE1)J1(βE1)
其中，S稳频(ωE)表示由可调谐激光器1发出的激光在第一光电探测器20处的产生的频率为ωm1的干涉信号解调获得的用于稳定可调谐激光器1激光频率ωE的稳频误差信号，ωm1也为低频空间电光相位调制器9的调制频率，ωE表示可调谐激光器1的激光频率，h表示共焦F-P腔15的腔长，KE1表示稳频误差信号理想状态下的最大幅值，Re{}表示取复数的实部，F()和F*()表示共焦F-P腔的反射系数及其共轭，exp()表示以自然常数e为底的指数函数，i表示虚数单位，
Figure BDA0003874849110000092
表示低频拍频信号与对应本振信号的相位差，HE1表示对应的电子缩放倍数，EE1、βE1分别表示可调谐激光器1发出的测量激光进入低频空间电光相位调制器9的激光幅值和调制深度，J0()、J1()分别表示第0阶和第1阶的第一类贝塞尔函数。
第三步实现共焦F-P腔15的FSR的测量：
由光纤分束器3分出的另一束激光经过高频光纤电光相位调制器11后，通过第二光纤准直器12转为空间光后，在分光镜10处反射并与由空间电光相位调制器9调制的激光的透射部分合束，一起进入共焦F-P腔15后，同样在第二二向色镜17处透射并最终在第一光电探测器20处发生干涉并被探测。
高频光纤电光相位调制器11的调制信号由信号源25给出并由高频放大器24放大后提供，调制频率接近共焦F-P腔15的FSR，且远大于共焦F-P腔15的半峰全宽，即远大于空间电光相位调制器9的调制频率。因此，第一光电探测器20探测到的两个不同频率的拍频信号，可以通过滤波器来实现信号的分离，从而实现对部分光路的射频频分复用。
探测到的高频拍频信号通过模拟混频器27与信号源25分出的另一路经过移相器26移相后的信号进行混频，经过低通滤波器28滤波后产生FSR测量误差信号。在该部分中，通过在FSR附近扫描信号源25的输出频率，此时，FSR测量误差信号的中心过零点对应的调制频率即为共焦F-P腔15的FSR，从而以微波频率为基准完成对FSR的高精度测量。保持激光频率略微失谐且锁定、共焦F-P腔腔长锁定，扫描的变量为光纤电光相位调制器11的调制频率ωm2，则FSR测量误差信号如图2(c)所示，表示为：
Figure BDA0003874849110000101
KE2＝2HE2EE2 2J0(βE2)J1(βE2)
其中，SFSR(ωm2)表示由可调谐激光器1发出的激光在第一光电探测器20处产生的频率为ωm2的干涉信号解调获得的用于测量共焦F-P腔15的自由光谱范围的FSR测量误差信号，ωm2也为高频光纤电光相位调制器11的调制频率，h表示共焦F-P腔的腔长，Re{}表示取复数的实部，F()和F*()表示共焦F-P腔的反射系数及其共轭，exp()表示以自然常数e为底的指数函数，i表示虚数单位，
Figure BDA0003874849110000102
表示FSR测量的拍频信号与对应本振信号的相位差，KE2表示FSR测量误差信号理想状态下的最大幅值，HE2表示对应信号的电子缩放倍数，EE2、βE2表示进入高频光纤电光相位调制器11的ECDL激光的幅度和调制深度，J0()、J1()分别表示第0阶和第1阶的第一类贝塞尔函数。
第四步，控制可调谐激光器的激光频率进行扫描并对激光扫频量进行测量：
可调谐激光器1解开锁定后启动频率扫描，当频率扫描结束时再次锁定至共焦F-P腔15的另一谐振频率上。
在扫描过程中，计数第一光电探测器20探测到的780nm波段激光扫过谐振峰的个数，并乘以第三步测量的FSR的值，来求出扫描的频率范围Δf，最终完成激光扫频的控制以及扫频量的精确测量，表示为：
Δf＝m·FSR (6)
其中，m为扫过谐振峰的个数，FSR为共焦F-P腔15的自由光谱区。
具体实施中，780nm波段的可调谐激光器与633nm波段的稳频参考激光器发出的激光根据光谱的不同，对部分光路进行光波分复用，通过二向色镜来实现两束光的合束与分离，并通过滤光片进一步消除二向色镜的非理想分光性能带来的影响。选用对633nm附近的激光具有完全反射作用、对780nm附近的激光具有完全透射作用的二向色镜用于两光谱波段的光的融合与分离，可在实现光路波分复用的同时，降低光功率的损失。
另外，对于780nm波段激光器分别由两个不同调制频率的EOM进行相位调制并通过同一共焦F-P腔产生的干涉信号按电频分复用进行分离。
综上，本发明通过对一个光路的波分和频分复用实现共焦F-P腔的腔长的锁定控制、可调谐激光器的激光频率的锁定与扫描控制以及对共焦F-P腔的FSR的测量，不仅提高了光学元件的利用率，对激光频率扫描进行有效控制，同时通过共焦F-P腔的腔长的锁定提高了共焦F-P腔FSR的稳定性，通过以微波频率为基准的FSR的测量提高了FSR的测量精度，进而从提高FSR的稳定性与测量精度两个方向来实现激光扫频量的高精度测量。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种锁定式共焦F-P腔的激光扫频量精确控制与测定装置，其特征在于：
包括参考氦氖激光器(2)、光纤分束器(3)、第一准直器(4)、光隔离器(5)、第一二向色镜(6)、偏振片(7)、倒置的扩束器(8)、低频空间电光相位调制器(9)、分光镜(10)、高频光纤电光相位调制器(11)、第二准直器(12)、偏振分光镜(13)、四分之一波片(14)、共焦F-P腔(15)、第二二向色镜(17)、第一滤光片(18)、第一凸透镜(19)、第一光电探测器(20)、第二滤光片(21)、第二凸透镜(22)和第二光电探测器(23)；
可调谐激光器(1)发出的测量激光先经过光纤分束器(3)分为两束光并分别入射到第一光纤准直器(4)和高频光纤电光相位调制器(11)，一束测量激光经过高频光纤电光相位调制器(11)后再经第二光纤准直器(12)转换为第二空间光并入射到分光镜(10)发生反射，另一束测量激光通过第一光纤准直器(4)转换为第一空间光并入射到第一二向色镜(6)发生透射；
参考氦氖激光器(2)发出的参考激光经过光隔离器(5)后入射到第一二向色镜(6)发生反射，被第一二向色镜(6)反射的参考激光和被第一二向色镜(6)透射的测量激光均依次经过偏振片(7)、倒置的扩束器(8)、空间电光相位调制器(9)正弦相位调制后产生等频率间隔边带的光，等频率间隔边带的光入射到分光镜(10)发生透射；
被分光镜(10)发生透射的测量激光和参考激光以及分光镜(10)发生反射的测量激光均入射到偏振分光镜(13)发生反射，再透过四分之一波片(14)进入共焦F-P腔(15)且在共焦F-P腔(15)内部来回反射，共焦F-P腔(15)内部来回反射后返回的参考激光逆反依次经四分之一波片(14)透射、偏振分光镜(13)透射后入射到第二二向色镜(17)发生透射和反射，
被第二二向色镜(17)反射的光中的参考激光部分经过和参考氦氖激光器(2)发出的原始参考激光相同波段的第二滤光片(21)滤光和第二凸透镜(22)聚光后被第二光电探测器(23)探测接收；被第二二向色镜(17)透射的光中的测量激光部分经过和可调谐激光器(1)发出的原始参考激光相同波段的第一滤光片(18)滤光和第一凸透镜(19)聚光后被第一光电探测器(20)探测接收。
2.根据权利要求1所述的一种锁定式共焦F-P腔的激光扫频量精确控制与测定装置，其特征在于：
所述可调谐激光器(1)、参考氦氖激光器(2)发出激光的波段不同，第二滤光片(21)的滤光波段和参考氦氖激光器(2)发出激光的波段相同，第一滤光片(18)的滤光波段和可调谐激光器(1)发出激光的波段相同。
3.根据权利要求1所述的一种锁定式共焦F-P腔的激光扫频量精确控制与测定装置，其特征在于：
所述的共焦F-P腔(15)上设置有用于控制共焦F-P腔(15)腔长的PZT压电陶瓷(16)。
4.根据权利要求3所述的一种锁定式共焦F-P腔的激光扫频量精确控制与测定装置，其特征在于：
装置还包括第一高频放大器(24)、信号源(25)、移相器(26)、混频器(27)、低通滤波器(28)、第二高频放大器(29)、第一低频放大器(30)、第二低频放大器(31)和信号采集处理系统(32)；
信号源(25)经第一高频放大器(24)和高频光纤电光相位调制器(11)电连接，信号源(25)经移相器(26)和混频器(27)连接，第一光电探测器(20)连接到混频器(27)，混频器(27)经低通滤波器(28)和信号采集处理系统(32)连接；
信号采集处理系统(32)分别和第一光电探测器(20)、第二光电探测器(23)电连接，信号采集处理系统(32)经第二低频放大器(31)和PZT压电陶瓷(16)电连接，信号采集处理系统(32)经第一低频放大器(30)和可调谐激光器(1)电连接，信号采集处理系统(32)经第二高频放大器(29)和空间电光相位调制器(9)电连接。
5.根据权利要求4所述的一种锁定式共焦F-P腔的激光扫频量精确控制与测定装置，其特征在于：
所述的信号采集处理系统(32)包括了AD转换模块、DA转换模块和FPGA，AD转换模块、DA转换模块均和FPGA连接，低通滤波器(28)、第一光电探测器(20)、第二光电探测器(23)均连接到AD转换模块，DA转换模块分别和第二低频放大器(31)、第一低频放大器(30)和第二高频放大器(29)连接。
6.一种应用于权利要求1-5任一所述装置的激光扫频量精确控制与测定方法，其特征在于：
1)参考氦氖激光器(2)打开工作、可调谐激光器(1)不打开工作：
参考氦氖激光器(2)发出的参考激光被第二光电探测器(23)探测到形成锁腔拍频信号，锁腔拍频信号输入到信号采集处理系统(32)中处理获得锁腔误差信号，根据锁腔误差信号反馈到PZT压电陶瓷(16)调节共焦F-P腔(15)的腔长，使得锁腔误差信号为零，进而锁定固定共焦F-P腔(15)的腔长；
2)参考氦氖激光器(2)和可调谐激光器(1)均打开工作：
可调谐激光器(1)发出的经由第一光纤准直器(4)经由空间电光相位调制器(9)调制后的测量激光被第一光电探测器(20)探测到形成低频拍频信号，低频拍频信号输入到信号采集处理系统(32)中处理获得稳频误差信号，根据稳频误差信号反馈到可调谐激光器(1)调节可调谐激光器(1)发出测量激光的频率，使得稳频误差信号为零，进而锁定固定可调谐激光器(1)发出测量激光的频率；
3)参考氦氖激光器(2)和可调谐激光器(1)均打开工作：
可调谐激光器(1)发出的经由高频光纤电光相位调制器(11)调制后的测量激光被第一光电探测器(20)探测到形成高频拍频信号，根据高频拍频信号处理获得FSR测量误差信号，根据FSR测量误差信号反馈到高频光纤电光相位调制器(11)调节高频光纤电光相位调制器(11)的调制频率，使得FSR测量误差信号为零，此时高频光纤电光相位调制器(11)调制产生的相邻激光频率边带之间的频率间距为共焦F-P腔(15)的FSR自由光谱范围；
4)参考氦氖激光器(2)打开工作、可调谐激光器(1)打开工作：
解开锁定可调谐激光器(1)发出测量激光的频率，将可调谐激光器(1)启动频率扫描，可调谐激光器(1)发出的测量激光被第一光电探测器(20)探测到形成探测信号；在频率扫描过程中，计数探测信号中和可调谐激光器(1)对应波段中扫过谐振峰的个数，再乘以3)测量获得的共焦F-P腔(15)的自由光谱区FSR的值，获得可调谐激光器(1)的扫描频率范围Δf，最终完成激光扫频的控制和扫频量的精确测量。
7.根据权利要求6所述的激光扫频量精确控制与测定方法，其特征在于：
所述1)中的锁腔误差信号按照以下公式处理获得：
Figure FDA0003874849100000031
KH＝2H1EH 2J0(βH)J1(βH)
其中，S锁腔(h)表示由氦氖激光器(2)发出的激光并在第二光电探测器(23)处产生的频率为ωm1的干涉信号解调获得的用于锁定共焦F-P腔(15)的腔长h的锁腔误差信号，ωm1也为低频空间电光相位调制器(9)的调制频率，ωH表示参考氦氖激光器(2)发出参考激光的频率，h表示共焦F-P腔(15)的腔长，Re{}表示取复数的实部，F()和F*()表示共焦F-P腔(15)的反射系数及其共轭，exp()表示以自然常数e为底的指数函数，i表示虚数单位，
Figure FDA0003874849100000043
表示锁腔拍频信号与对应本振信号的相位差，KH表示锁腔误差信号理想状态下的最大幅值，H1表示锁腔拍频信号预处理的电子缩放倍数，EH、βH分别表示参考氦氖激光器(2)发出参考激光进入低频空间电光相位调制器(9)的激光幅值和调制深度，J0()、J1()分别表示第0阶和第1阶的第一类贝塞尔函数。
8.根据权利要求6所述的激光扫频量精确控制与测定方法，其特征在于：
所述2)中的稳频误差信号按照以下公式处理获得：
Figure FDA0003874849100000041
KE1＝2HE1EE1 2J0(βE1)J1(βE1)
其中，S稳频(ωE)表示由可调谐激光器(1)发出的激光在第一光电探测器(20)处的产生的频率为ωm1的干涉信号解调获得的用于稳定可调谐激光器(1)激光频率ωE的稳频误差信号，ωm1也为低频空间电光相位调制器(9)的调制频率，ωE表示可调谐激光器(1)的激光频率，h表示共焦F-P腔(15)的腔长，KE1表示稳频误差信号理想状态下的最大幅值，Re{}表示取复数的实部，F()和F*()表示共焦F-P腔的反射系数及其共轭，exp()表示以自然常数e为底的指数函数，i表示虚数单位，
Figure FDA0003874849100000044
表示低频拍频信号与对应本振信号的相位差，HE1表示对应的电子缩放倍数，EE1、βE1分别表示可调谐激光器(1)发出的测量激光进入低频空间电光相位调制器(9)的激光幅值和调制深度，J0()、J1()分别为第0阶和第1阶的第一类贝塞尔函数。
9.根据权利要求6所述的激光扫频量精确控制与测定方法，其特征在于：
所述3)中的FSR测量误差信号按照以下公式处理获得：
Figure FDA0003874849100000042
KE2＝2HE2EE2 2J0(βE2)J1(βE2)
其中，SFSR(ωm2)表示由可调谐激光器(1)发出的激光在第一光电探测器(20)处产生的频率为ωm2的干涉信号解调获得的用于测量共焦F-P腔(15)的自由光谱范围的FSR测量误差信号，ωm2也为高频光纤电光相位调制器(11)的调制频率，h表示共焦F-P腔的腔长，Re{}表示取复数的实部，F()和F*()表示共焦F-P腔的反射系数及其共轭，exp()表示以自然常数e为底的指数函数，i表示虚数单位，
Figure FDA0003874849100000045
表示FSR测量的拍频信号与对应本振信号的相位差，KE2表示FSR测量误差信号理想状态下的最大幅值，HE2表示对应信号的电子缩放倍数，EE2、βE2表示进入高频光纤电光相位调制器(11)的ECDL激光的幅度和调制深度，J0()、J1()分别为第0阶和第1阶的第一类贝塞尔函数。
10.根据权利要求6所述的激光扫频量精确控制与测定方法，其特征在于：
所述4)中的可调谐激光器(1)的扫描频率范围Δf具体按照以下公式计算获得：
Δf＝m·FSR
其中，m为扫过谐振峰的个数，FSR为共焦F-P腔(15)的的自由光谱区。
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