CN115655663B - 全光纤结构激光器的线宽测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全光纤结构激光器的线宽测量方法及系统，该测量方法具体为：将激光器发射的激光分成两束光，并将两束光的功率调至相同，得到两束相干光，通过调节两束相干光的光程差，控制两束相干光的相干合成效率从A1变为A2，并记录相干合成效率从A1变为A2过程的光程调节长度，通过A1、A2以及光程调节长度计算出两束相干光的相干长度，进而计算出激光器发射的激光的线宽。本发明通过调节光程差，利用直接读取和直接测量的值，通过简单地计算获得两束相干光的相干长度，进而实现待测激光的线宽的测量；在快速的同时能保证精度，应用范围较广，比利用频谱特征提取反向计算出激光器线宽的方法操作更简单，更具实用性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器线宽测量技术领域，尤其涉及一种全光纤结构激光器的线宽测量方法及系统。
背景技术
激光线宽往往是激光器的频率波动程度的评价指标，对探测系统的精度、灵敏度、探测距离以及探测噪声等都有很大影响。目前常用的光源线宽测量方法是利用高精度的光谱分析仪、F-P扫描干涉仪或者频谱分析仪进行测量，其中，光谱分析仪、F-P扫描干涉仪检测的波长分辨率分别限制在0.01nm量级和MHz量级，且所用的设备价格昂贵，因此限制了这两种方法在线宽测量方面的应用。而高性能的频谱分析仪通过对光电流的频谱进行分析，能精确反映被测激光器的线宽，例如：延迟自外差法、自零差法能实现1kHz或更低频率的窄线宽激光器线宽进行分析。
申请号为CN111220284A的专利公开了一种基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量系统和方法，测量方法具体为：首先获取基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量系统输出的功率谱，然后在功率谱上选取相邻的波峰和波谷，计算出选取的波峰和波谷在功率谱上的对比度的差值ΔS，最后根据差值ΔS、延迟光纤的长度计算出激光器的激光线宽Δf。虽然该方法的精度较高，但是该方法是利用频域包络谱特征来获取激光线宽的，这种基于频域分析的方法对信号处理的电路系统要求高，且依赖复杂的频域特征提取信号特征，需要对复杂的频谱信号进行处理，计算过程复杂，不利于快速获取激光器线宽。
有鉴于此，有必要设计一种改进的全光纤结构激光器的线宽测量方法及系统，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全光纤结构激光器的线宽测量方法及系统，该测量方法通过调节光程差，利用直接从示波器上读取的相干合成效率值以及直接测量得到的光程调节长度值，通过简单地计算获得两束相干光的相干长度，进而实现待测激光的线宽的测量；在快速的同时能保证精度，应用范围较广，比利用频谱特征提取反向计算出激光器线宽的方法操作更简单，更具实用性。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种全光纤结构激光器的线宽测量方法，包括如下步骤：
S1.将激光器发射的激光分成两束光，并将所述两束光的功率调至相同，得到两束相干光；
S2.通过调节所述两束相干光的光程差，控制所述两束相干光的相干合成效率从A1变为A2，并记录相干合成效率从A1变为A2过程的光程调节长度，通过A1、A2以及光程调节长度计算出所述两束相干光的相干长度；
S3.根据步骤S2得到的所述两束相干光的相干长度，计算出激光器发射的激光的线宽。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述两束相干光的相干长度的计算公式为：
ΔL＝σL1-σL2 (3)
其中，A1为某一光程差下的相干合成效率，为已知值；
A2为另一光程差下的相干合成效率，为已知值；
ΔL为相干合成效率从A1变为A2过程的光程调节长度，为已知值；
σL1为相干合成效率为A1时两束相干光的光程差均方根值；
σL2为相干合成效率为A2时两束相干光的光程差均方根值；
Lc为两束相干光的相干长度；
根据公式(1)-(3)计算出σL1、σL2以及Lc。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中，激光器发射的激光的线宽的计算公式为：
其中，λ为激光器发射的激光的波长，为已知值；
Lc为两束相干光的相干长度，由步骤S2计算得到；
Δλ为激光器发射的激光的线宽；
根据公式(4)计算出Δλ。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种全光纤结构激光器的线宽测量系统，该系统用于实现上述所述的全光纤结构激光器的线宽测量方法，包括依次相连的激光器、光纤分束模块、设置于至少一条光路上的光功率控制模块、光纤合束模块、光电转换模块以及示波器，还包括设置于至少一条光路上的光程控制模块；
通过所述光纤分束模块将所述激光器发射的激光分成两束光，并通过所述光功率控制模块将所述两束光的功率调至相同，得到两束相干光；通过所述相位控制模块调节所述两束相干光的光程差。
作为本发明的进一步改进，所述全光纤结构激光器的线宽测量系统还包括设置于至少一条光路上的相位控制模块，通过所述相位控制模块给所述两束相干光中的至少一束光施加高频扰动，以加快所述示波器上相干合成信号的变化频率，便于快速提取信号。
作为本发明的进一步改进，所述光功率控制模块包括分别设置与两条光路上的第一光功率控制模块和第二光功率控制模块。
作为本发明的进一步改进，所述光程控制模块、所述相位控制模块和所述第二光功率控制模块依次相连。
作为本发明的进一步改进，所述光程控制模块为用于调节光纤长度的电控光纤延迟线或用于调节折射率系数的电控光纤器件中的一种；所述相位控制模块为包含电驱动的相位调制器。
作为本发明的进一步改进，所述光功率控制模块为激光衰减器或激光放大器中的一种，所述第一光功率控制模块和第二光功率控制模块的种类相同。
作为本发明的进一步改进，所述光纤分束模块为光纤分束器或2×2光纤耦合器中的一种；所述光纤合束模块为光纤分束器或2×2光纤耦合器中的一种。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的全光纤结构激光器的线宽测量方法，先将待测激光分成两束光，并将两束光的功率调至相同，得到两束相干光，接着通过调节两束相干光的光程差，控制两束相干光的相干合成效率从A1变为A2，并记录相干合成效率从A1变为A2过程的光程调节长度，通过A1、A2以及光程调节长度计算出两束相干光的相干长度，最后通过两束相干光的相干长度计算出待测激光的线宽。
首先，该方法通过调节光程差，利用直接从示波器上读取的相干合成效率值以及直接测量得到的光程调节长度值，通过简单地计算获得两束相干光的相干长度，进而实现待测激光的线宽的测量。相比于利用频谱分析仪测量激光器的线宽，该方法无需对复杂的频谱信号进行处理，而是从直接读取的时域信号中计算得到激光器线宽，方法简单可行，且检测速度快，便于进行快速测量。
其次，在实际测量中，该方法可以根据需要补偿的光程大小选择合适的光程控制模块，从而提高测量方法的精度，使该方法的检测精度能达到甚至高于kHz。
可见，该方法在快速的同时能保证精度，应用范围较广，比利用频谱特征提取反向计算出激光器线宽的方法操作更简单，更具实用性。
(2)本发明通过在相干光束中增加相位控制模块，通过相位控制模块给两束相干光中的至少一束光施加高频扰动，以加快示波器上相干合成信号的变化频率，便于快速提取信号，能提高信号包络特征提取速率，进一步提高了光程差测量精度，从而提高激光器的线宽测量精度。
附图说明
图1为本发明的全光纤结构激光器的线宽测量系统的结构示意图。
图2为本发明的全光纤结构激光器的线宽测量方法的流程图。
图3为实施例1两束相干光相干合成效率的变化示意图。
附图标记
1-激光器；2-光纤分束模块；3-光纤合束模块；4-光电转换模块；5-示波器；6-光程控制模块；7-相位控制模块；8-第一光功率控制模块；9-第二光功率控制模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
请参阅图1所示，本发明提供了一种全光纤结构激光器的线宽测量系统，包括依次相连的激光器1、光纤分束模块2、设置于至少一条光路上的光功率控制模块、光纤合束模块3、光电转换模块4以及示波器5，还包括设置于至少一条光路上的光程控制模块6。如此设置，激光器1发射的激光(即待测激光)经过光纤分束模块2后，被光纤分束模块2分为两束光，通过光功率控制模块将两束光的功率调至相同，使两束光产生相干合成信号，得到两束相干光，两束相干光通过光纤合束模块3进行合束，并将相关信息传递给光电转换模块4，光电转换模块4将转换的相关信息传递给示波器5，供操作人员直接读取。具体来讲，先通过光功率控制模块将两束光的功率调至相同，使两束光产生相干合成信号，得到两束相干光；随后通过光程控制模块6调节两束相干光中的至少一束光的光程，以改变两束相干光的光程差进而实现激光器1的线宽测量(通过示波器5上读取的相关数据以及直接测量出的光程调节长度可以计算出光程调节长度，进而计算出待测激光器1的线宽)。
在一些实施例中，该全光纤结构激光器的线宽测量系统还包括设置于至少一条光路上的相位控制模块7，通过相位控制模块7给两束相干光中的至少一束光施加高频扰动，以加快示波器5上相干合成信号的变化频率，便于快速提取信号。
在本实施例中，光功率控制模块包括分别设置于两条光路上的第一光功率控制模块8和第二光功率控制模块9。在调节两束光的功率时，可以同时调节第一光功率控制模块8和第二光功率控制模块9，使两束光的功率相同；也可以只调节第一光功率控制模块8和第二光功率控制模块9中的一个，使两束光的功率相同。因此，在另一些实施例中，可以只设置一个光功率控制模块。
如图1所示，激光器1的输出端、光纤分束器2的输入端连接，光纤分束器2的第一输出端、第一光功率控制模块8的输入端、第一光功率控制模块8的输出端、光纤合束器3的第一输入端依次相连，形成第一条光路。光纤分束器2的第二输出端、光程控制模块6的输入端连接、光程控制模块6的输出端、相位控制模块7的输入端、相位控制模块7的输出端、第二光功率控制模块9的输入端、第二光功率控制模块9的输出端、光纤合束器3的第二输入端依次相连，形成第二条光路(光程控制模块6、相位控制模块7和第二光功率控制模块9可以变化顺序设置)。光纤合束器3的输出端、光电转换器4的输入端、光电转换器4的输出端、示波器5依次相连，光电转换器4将光纤合束器3上的光信号转化为电信号，并将电信号反馈给示波器5，通过示波器5对相干信号进行实施监测，并供操作人员直接读取。各部件的输入输出端口之间通过光纤熔接或者光纤法兰对接的方式进行连接。
具体地，光纤分束模块2和光纤合束模块3均为光纤分束器或2×2光纤耦合器中的一种。
光功率控制模块为激光衰减器或激光放大器中的一种，第一光功率控制模块8和第二光功率控制模块9的种类相同，即第一光功率控制模块8和第二光功率控制模块9同时为激光衰减器或激光放大器。
光程控制模块6为用于调节光纤长度的电控光纤延迟线或用于调节折射率系数的电控光纤器件中的一种(在实际测量中，根据需要补偿的光程的大小选择合适的光程控制模块6，从而提高该装置及测量方法的精度，使该方法的检测精度能达到甚至高于kHz)。
相位控制模块7为包含电驱动的相位调制器。
光电转换模块4为光电探测器。
如图2所示，本发明还提供了一种全光纤结构激光器的线宽测量方法，采用上述的全光纤结构激光器的线宽测量系统实现，包括如下步骤：
S1.分束：
通过光纤分束模块2将待测激光(即激光器1发射的激光)分成两束光，并通过第一光功率控制模块8和第二光功率控制模块9将两束光的功率调至相同，得到能产生相干合成信号的两束相干光。
在功率调节过程中，可以同时调节第一光功率控制模块8和第二光功率控制模块9，使两束光的功率相同；也可以只调节第一光功率控制模块8和第二光功率控制模块9中的一个，使两束光的功率相同。
S2.计算两束相干光的相干长度：
通过相位控制模块7给两束相干光中的至少一束光施加高频扰动，以加快示波器5上相干合成信号的变化频率，便于快速提取信号。接着通过光程控制模块6调节其中一束相干光的光程，进而调节两束相干光的光程差，使两束相干光的光程差发生变化，控制两束相干光的相干合成效率从A1变为A2(A1和A2可以直接从示波器5上读出，A1和A2的值可以任意设置)，并记录相干合成效率从A1变为A2过程的光程调节长度(该长度可以直接测量获得)，通过A1、A2以及光程调节长度计算出两束相干光的相干长度。
具体来讲：两束相干光的相干长度的计算公式为：
ΔL＝σL1-σL2 (3)
其中，A1为某一光程差下的相干合成效率，可以直接从示波器5上读出；
A2为另一光程差下的相干合成效率，可以直接从示波器5上读出；
ΔL为相干合成效率从A1变为A2过程的光程调节长度，可以直接测量获得；
σL1为相干合成效率为A1时两束相干光的光程差均方根值；
σL2为相干合成效率为A2时两束相干光的光程差均方根值；
Lc为两束相干光的相干长度；
根据公式(1)-(3)计算出σL1、σL2以及Lc(三个未知数，三个方程)。
S3.计算待测激光的线宽：
根据步骤S2得到的两束相干光的相干长度，计算出待测激光(即激光器1发射的激光)的线宽。
具体来讲：待测激光的线宽的计算公式为：
其中，λ为待测激光的波长，为已知值；
Lc为两束相干光的相干长度，由步骤S2计算得到；
Δλ为待测激光的线宽；
根据公式(4)计算出Δλ。
下面以具体的实施例对本发明的全光纤结构激光器的线宽测量方法进行说明。该全光纤结构激光器的线宽测量方法，包括如下步骤：
S1.分束：
通过光纤分束器将待测激光(即激光器1发生的激光)分成两束光，并通过第一光功率控制模块8将两束光的功率调至相同，得到能产生相干合成信号的两束相干光。
S2.计算两束相干光的相干长度：
通过包含电驱动的相位调制器给两束相干光中的一束光施加高频扰动，以加快示波器5上相干合成信号的变化频率，便于快速提取信号。接着通过用于调节光纤长度的电控光纤延迟线调节其中一束相干光的光程，进而调节两束相干光的光程差，使两束相干光的光程差发生变化，控制两束相干光的相干合成效率从1变为0.99(1和0.99可以直接从示波器5上读出)，并记录相干合成效率从1变为0.99过程的光程调节长度(该长度可以直接测量获得)，通过1、0.99以及光程调节长度计算出两束相干光的相干长度。
具体来讲：两束相干光的相干长度的计算公式为：
ΔL＝σL1-σL2 (3)
其中，A1为某一光程差下的相干合成效率，A1＝1；
A2为另一光程差下的相干合成效率，A2＝0.99；
ΔL为相干合成效率从A1变为A2过程的光程调节长度，为已知值；
σL1为相干合成效率为A1时两束相干光的光程差均方根值；
σL2为相干合成效率为A2时两束相干光的光程差均方根值；
Lc为两束相干光的相干长度；
根据公式(1)-(3)可得，ΔL＝σL1＝0.1Lc
因为A1和A2的值可以任意设置，本实施例中将A1设置为1、A2设置为0.99，便于计算出Lc。
根据两束光相干叠加产生的干涉光强分布公式：
其中，I1和I2分别为两束相干光的光强；
δ为两束相干光的相位差；
I为两束相干光相干叠加后的总光强。
由上式可知，当δ＝2mπ(m为整数)、同时I1＝I2＝I0时，两束相干光相干叠加后的总光强为I＝4I0，其中I0为单光束的光强，因此，当两束相干光进行相干叠加后，输出光强在0～4I0之间进行变化，相干合成信号的幅值(相干合成效率)特征如图3所示。由图3可知，当合成光束处于状态①时，A1＝1，记录此刻的光程调节长度为0；通过调节光程控制模块6，当合成光束处于状态②时，A2＝0.99，记录此刻的此刻的光程调节长度为ΔL，随着光程控制模块6的不断调节，相干合成效率A不断发生变化。
S3.计算待测激光的线宽：
根据步骤S2得到的两束相干光的相干长度，计算出待测激光的线宽。
具体来讲：待测激光的线宽的计算公式为：
其中，λ为待测激光的波长，为已知值；
Lc为两束相干光的相干长度，由步骤S2计算得到；
Δλ为待测激光的线宽；
根据公式(4)计算出Δλ。
综上所述，本发明提供的一种全光纤结构激光器的线宽测量方法及系统，通过调节光程差，利用直接从示波器上读取的相干合成效率值以及直接测量得到的光程调节长度值，通过简单地计算获得两束相干光的相干长度，进而实现待测激光的线宽的测量，该方法在快速的同时能保证精度，应用范围较广，比利用频谱特征提取反向计算出激光器线宽的方法操作更简单，更具实用性；通过在相干光束中增加相位控制模块，通过相位控制模块给两束相干光中的至少一束光施加高频扰动，以加快示波器上相干合成信号的变化频率，便于快速提取信号，能提高信号包络特征提取速率，进一步提高了光程差测量精度，从而提高激光器的线宽测量精度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种全光纤结构激光器的线宽测量方法，用于全光纤结构激光器的线宽测量系统，其特征在于，所述全光纤结构激光器的线宽测量系统包括依次相连的激光器、光纤分束模块、设置于至少一条光路上的光功率控制模块、光纤合束模块、光电转换模块以及示波器，还包括设置于至少一条光路上的光程控制模块和设置于至少一条光路上的相位控制模块；通过所述光纤分束模块将所述激光器发射的激光分成两束光，并通过所述光功率控制模块将所述两束光的功率调至相同，得到两束相干光；通过所述相位控制模块调节所述两束相干光的光程差，同时通过所述相位控制模块给所述两束相干光中的至少一束光施加高频扰动，以加快所述示波器上相干合成信号的变化频率，便于快速提取信号；
所述全光纤结构激光器的线宽测量方法包括如下步骤：
S1.将激光器发射的激光分成两束光，并将所述两束光的功率调至相同，得到两束相干光；
S2.通过调节所述两束相干光的光程差，控制所述两束相干光的相干合成效率从A1变为A2，并记录相干合成效率从A1变为A2过程的光程调节长度，通过A1、A2以及光程调节长度计算出所述两束相干光的相干长度；所述两束相干光的相干长度的计算公式为：
（1）
（2）
（3）
其中，A1为某一光程差下的相干合成效率，为已知值；
A2为另一光程差下的相干合成效率，为已知值；
ΔL为相干合成效率从A1变为A2过程的光程调节长度，为已知值；
σL1为相干合成效率为A1时两束相干光的光程差均方根值；
σL2为相干合成效率为A2时两束相干光的光程差均方根值；
Lc为两束相干光的相干长度；
根据公式（1）-（3）计算出σL1、σL2以及Lc；
S3.根据步骤S2得到的所述两束相干光的相干长度，计算出激光器发射的激光的线宽；激光器发射的激光的线宽的计算公式为：
（4）
其中，λ为激光器发射的激光的波长，为已知值；
Lc为两束相干光的相干长度，由步骤S2计算得到；
Δλ为激光器发射的激光的线宽；
根据公式（4）计算出Δλ。
2.根据权利要求1所述的全光纤结构激光器的线宽测量方法，其特征在于，所述光功率控制模块包括分别设置于两条光路上的第一光功率控制模块和第二光功率控制模块。
3.根据权利要求2所述的全光纤结构激光器的线宽测量方法，其特征在于，所述光程控制模块、所述相位控制模块和所述第二光功率控制模块依次相连。
4.根据权利要求1所述的全光纤结构激光器的线宽测量方法，其特征在于，所述光程控制模块为用于调节光纤长度的电控光纤延迟线或用于调节折射率系数的电控光纤器件；所述相位控制模块为包含电驱动的相位调制器。
5.根据权利要求2所述的全光纤结构激光器的线宽测量方法，其特征在于，所述光功率控制模块为激光衰减器或激光放大器，所述第一光功率控制模块和第二光功率控制模块的种类相同。
6.根据权利要求1所述的全光纤结构激光器的线宽测量方法，其特征在于，所述光纤分束模块为光纤分束器或2×2光纤耦合器；所述光纤合束模块为光纤分束器或2×2光纤耦合器。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113607277A (zh) * | 2021-07-21 | 2021-11-05 | 成都飞机工业（集团）有限责任公司 | 一种窄线宽激光器线宽测量系统及其调解方法 |
-
2022
- 2022-10-20 CN CN202211283404.7A patent/CN115655663B/zh active Active
Patent Citations (6)
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