CN116183035A - 一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统及方法 - Google Patents

一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统及方法 Download PDF

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刘瑞星
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Abstract

本发明属于光学计量测试技术领域，公开了一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统及方法，首先利用激光拍频测量模块和频率锁定反馈模块将窄线宽激光器频率锁定至频率梳其中一根梳齿上，测量频率锁定后窄线宽激光器的输出激光频率，然后利用气压计和温湿度计测量当前环境的气压、温度和湿度，计算当前环境空气折射率，根据锁定之后的输出频率和当前环境空气折射率计算窄线宽激光器输出波长，使频率锁定后的激光器入射至被校波长仪器之中，比较频率锁定后的窄线宽激光器输出波长和被校波长测量仪器的波长测量示值，完成被校波长测量仪器的校准。本发明实现了波长校准问题，并引入实时空气折射率，避免空气折射率变化对波长的影响。

Description

一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统及方法
技术领域
本发明属于光学计量测试技术领域，主要涉及波长测量仪器波长校准装置及校准方法，具体为一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统及方法。
背景技术
在相干测距、相干测速、相干通信、发动机燃烧特性评价、空气动力学领域、分子光谱分析和同位素检测等领域之中，波长测量精度达到亚皮米量级高精度波长测量仪器诸如光谱仪和波长计得到广泛应用。目前的波长测量仪器波长参数的校准主要基于汞氩灯、聚苯乙烯薄膜和可调谐激光器，波长校准准确度达到亚纳米级，远远满足不了亚皮米量级的波长校准需求。
此外，在波长测量仪器特别是光谱仪的校准时，因为之前的波长测量精度较低，校准时没有考虑空气折射率对波长的影响，对于高精度波长测量仪器而言，需要考虑空气折射率对于波长的影响。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：针对目前波长测量准确度低远远满足不了亚皮米级波长测量仪器波长校准要求，提出一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统及方法，解决亚皮米量级高精度波长测量仪器波长校准问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统，其包括：窄线宽激光器1、光频梳2、分束器3、激光拍频测量模块4、频率锁定反馈模块5、被校波长测量仪器6；窄线宽激光器1的输出激光经分束器3分为两束，一束激光透过分束器3入射至被校波长测量仪器6，另一束经分束器3反射后入射至激光拍频测量模块4；光频梳2输出梳齿稳定的激光，透过分束器3后入射至激光拍频测量模块4，激光拍频测量模块4根据两者的拍频fb信号测量窄线宽激光器1的输出频率fx，频率锁定反馈模块5设定窄线宽激光器1的目标频率值f0并计算目标频率和输出频率的差，根据目标频率和输出频率的频率差，实时给窄线宽激光器1提供反馈信号，窄线宽激光器1根据频率锁定反馈模块5提供的反馈信号实时调整窄线宽激光器1的谐振腔长、泵浦光强度参数以实现对窄线宽激光器1频率的实时调整，从而达到频率锁定的目的；频率锁定后的窄线宽激光器1输出频率为f0。
其中，所述被校波长测量仪器6一侧布设气压计7和温湿度计8，利用气压计7和温度度计8测量环境当前气压P、温度t和相对湿度RH，并利用f0、P、t和RH计算当前当前环境下的空气折射率ntpRH，进而计算频率锁定后的窄线宽激光器1的输出波长λ0。
其中，所述窄线宽激光器1具备谐振腔长和泵浦光强度调节功能，根据频率锁定反馈模块5提供的反馈量实时调整窄线宽激光器的频率。
其中，所述窄线宽激光器1的可选波长有1064nm、1550nm和3390nm。
其中，所述窄线宽激光器1的线宽小于等于50KHz。
其中，所述光频梳2包括近红外光频梳和中波红外光频梳。
其中，所述近红外光频梳的参数为：中心波长：1560nm；光谱宽度：1000nm～1600nm；输出功率：>10mW；频率精度:120秒内优于10-12；频率稳定度:1秒内优于5x 10—11。
其中，所述中波红外光频梳的参数为：中心波长：3200nm；光谱宽度：3.1μm～3.4μm；输出功率：>10mW；频率精度:120秒内优于10-12；频率稳定度:1秒内优于5x 10—11。
本发明还提供一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准方法，包括以下步骤：
步骤1：利用激光拍频测量模块4和频率锁定反馈模块5将窄线宽激光器1频率锁定至光频梳2其中一根梳齿上，并测量频率锁定后的窄线宽激光器1的输出激光频率f0；
步骤2：利用气压计7和温度度计8测量环境当前气压P、温度t和相对湿度RH，并利用f0、P、t和RH计算当前环境下的空气折射率ntpRH；
步骤3：利用公式(1)计算得到频率锁定后的窄线宽激光器1的输出波长λ0；
Figure BDA0004021648110000031
式中：λ0──频率锁定后的窄线宽激光器的输出波长，单位为nm；
C──光速；
f0──频率锁定后的激光器的输出激光频率，单位为THz；
ntpRH──当前环境下的空气折射率；
步骤4：使频率锁定后的窄线宽激光器1的输出激光入射至被校波长测量仪器6中，并记录被校波长测量仪器6的波长测量值λ；
步骤5：利用公式(2)计算被校波长测量仪器6的波长示值误差Δλ，至此完成被校波长测量仪器6的波长参数的校准；
Δλ＝λ-λ0(2)
式中：Δλ──被校波长测量仪器的波长示值误差，单位为nm；
λ──被校波长测量仪器的波长测量值，单位为nm；
λ0──频率锁定后的窄线宽激光器的输出波长，单位为nm。
步骤1中，所述光频梳2梳齿对应激光频率如公式(3)所示：
fN＝Nfr+fceo(3)
式中：fN──光频梳的第N根梳齿对应的频率，单位为THz；
N──梳齿对应的顺序数；
fr──光频梳的重复频率，单位为THz；
fceo──光频梳的零频，单位为THz；
所述窄线宽激光器1的输出频率如公式(4)所示：
fx＝fN+fb＝N×fr+fceo±fb(4)
式中：fx──窄线宽激光器的输出频率，单位为THz；
fN──光频梳的第N根梳齿对应的频率，单位为THz；
N──梳齿对应的顺序数；
fr──光频梳的重复频率，单位为THz；
fceo──光频梳的零频，单位为THz；
fb──拍频，单位为THz。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统及方法，空气折射率随着气压、温度和湿度的变化而改变，校准时引入了实时空气折射率，避免了空气折射率变化对波长的影响，解决了亚皮米量级波长测量仪器波长校准问题。
附图说明
图1是亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统组成图。
图2是窄线宽激光器与光频梳拍片原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例首先提供一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统，据此系统来实施亚皮米量级近红外至中波红外波长校准方法，实现对近红外至中波红外波长测量仪器的波长校准。
如图1所示，本实施例波长校准系统包括：窄线宽激光器1、光频梳2、分束器3、激光拍频测量模块4、频率锁定反馈模块5、被校波长测量仪器6；窄线宽激光器1的输出激光经分束器3分为两束，一束激光透过分束器3入射至被校波长测量仪器6，另一束经分束器3反射后入射至激光拍频测量模块4；光频梳2输出梳齿稳定的激光，透过分束器3后入射至激光拍频测量模块4，激光拍频测量模块4根据两者的拍频fb信号测量窄线宽激光器1的输出频率fx，频率锁定反馈模块5设定窄线宽激光器1的目标频率值f0并计算目标频率和输出频率的差，根据目标频率和输出频率的频率差，实时给窄线宽激光器1提供反馈信号，窄线宽激光器1根据频率锁定反馈模块5提供的反馈信号实时调整窄线宽激光器1的谐振腔长、泵浦光强度参数以实现对窄线宽激光器1频率的实时调整，从而达到频率锁定的目的；频率锁定后的窄线宽激光器1输出频率为f0。
被校波长测量仪器6一侧布设气压计7和温湿度计8，利用气压计7和温度度计8测量环境当前气压P、温度t和相对湿度RH，并利用f0、P、t和RH计算当前当前环境下的空气折射率ntpRH，进而计算频率锁定后的窄线宽激光器1的输出波长λ0。
所述窄线宽激光器1具备谐振腔长和泵浦光强度的调节功能，可以根据频率锁定反馈模块5提供的反馈量实时调整窄线宽激光器的频率，窄线宽激光器1的可选波长有1064nm、1550nm和3390nm，窄线宽激光器1的线宽小于等于50KHz。
所述光频梳2分为近红外光频梳和中波红外光频梳，其中近红外光频梳的技术指标如下：中心波长：1560nm；光谱宽度：(1000～1600)nm；输出功率：>10mW；频率精度:120秒内优于10-12；频率稳定度:1秒内优于5x 10—11。中波红外光频梳的技术指标如下：中心波长：3200nm；光谱宽度：(3.1～3.4)μm；输出功率：>10mW；频率精度:120秒内优于10-12；频率稳定度:1秒内优于5x 10—11。
基于上述校准系统，本实施例还提供一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准方法，包括以下步骤：
步骤1：利用激光拍频测量模块4和频率锁定反馈模块5将窄线宽激光器1频率锁定至光频梳2其中一根梳齿上，并测量频率锁定后的窄线宽激光器1的输出激光频率f0；
步骤2：利用气压计7和温度度计8测量环境当前气压P、温度t和相对湿度RH，并利用f0、P、t和RH计算当前当前环境下的空气折射率ntpRH；
步骤3：利用公式(1)计算得到频率锁定后的窄线宽激光器1的输出波长λ0；
Figure BDA0004021648110000061
式中：λ0──频率锁定后的窄线宽激光器的输出波长，单位为nm；
C──光速，取值299792458m/s；
f0──频率锁定后的激光器的输出激光频率，单位为THz；
ntpRH──当前环境下的空气折射率。
步骤4：使频率锁定后的窄线宽激光器1的输出激光入射至被校波长测量仪器6中，并记录被校波长测量仪器6的波长测量值λ；
步骤5：利用公式(2)计算被校波长测量仪器6的波长示值误差Δλ，至此完成被校波长测量仪器6的波长参数的校准。
Δλ＝λ-λ0(2)
式中：Δλ──被校波长测量仪器的波长示值误差，单位为nm；
λ──被校波长测量仪器的波长测量值，单位为nm；
λ0──频率锁定后的窄线宽激光器的输出波长，单位为nm。
其中，如图2所示，步骤1中，所述光频梳2梳齿对应激光频率如公式(3)所示。
fN＝Nfr+fceo(3)
式中：fN──光频梳的第N根梳齿对应的频率，单位为THz；
N──梳齿对应的顺序数；
fr──光频梳的重复频率，单位为THz；
fceo──光频梳的零频，单位为THz。
其中，步骤1中，所述窄线宽激光器1的输出频率如公式(4)所示。
fx＝fN+fb＝N×fr+fceo±fb(4)
式中：fx──窄线宽激光器的输出频率，单位为THz；
fN──光频梳的第N根梳齿对应的频率，单位为THz；
N──梳齿对应的顺序数；
fr──光频梳的重复频率，单位为THz；
fceo──光频梳的零频，单位为THz；
fb──拍频，单位为THz。
其中，步骤2中，所述当前环境下的空气折射率ntpRH按照公式(5)所示。
Figure BDA0004021648110000071
式中：ntpRH──当前环境下的空气折射率；
RH──当前环境的相对湿度，单位为％；
f0──频率锁定后的激光器的输出激光频率，单位为THz；
P──当前环境的气压，单位为Pa；
C──光速，取值为299792458m/s；
t──当前环境温度，单位为℃。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统，其特征在于，包括：窄线宽激光器(1)、光频梳(2)、分束器(3)、激光拍频测量模块(4)、频率锁定反馈模块(5)、被校波长测量仪器(6)；窄线宽激光器(1)的输出激光经分束器(3)分为两束，一束激光透过分束器(3)入射至被校波长测量仪器(6)，另一束经分束器(3)反射后入射至激光拍频测量模块(4)；光频梳(2)输出梳齿稳定的激光，透过分束器(3)后入射至激光拍频测量模块(4)，激光拍频测量模块(4)根据两者的拍频fb信号测量窄线宽激光器(1)的输出频率fx，频率锁定反馈模块(5)设定窄线宽激光器(1)的目标频率值f0并计算目标频率和输出频率的差，根据目标频率和输出频率的频率差，实时给窄线宽激光器(1)提供反馈信号，窄线宽激光器(1)根据频率锁定反馈模块(5)提供的反馈信号实时调整窄线宽激光器(1)的谐振腔长、泵浦光强度参数以实现对窄线宽激光器(1)频率的实时调整，从而达到频率锁定的目的；频率锁定后的窄线宽激光器(1)输出频率为f0。
2.如权利要求1所述的亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统，其特征在于，所述被校波长测量仪器(6)一侧布设气压计(7)和温湿度计(8)，利用气压计(7)和温度度计(8)测量环境当前气压P、温度t和相对湿度RH，并利用f0、P、t和RH计算当前当前环境下的空气折射率ntpRH，进而计算频率锁定后的窄线宽激光器(1)的输出波长λ0。
3.如权利要求2所述的亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统，其特征在于，所述窄线宽激光器(1)具备谐振腔长和泵浦光强度调节功能，根据频率锁定反馈模块(5)提供的反馈量实时调整窄线宽激光器的频率。
4.如权利要求3所述的亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统，其特征在于，所述窄线宽激光器(1)的可选波长有1064nm、1550nm和3390nm。
5.如权利要求4所述的亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统，其特征在于，所述窄线宽激光器(1)的线宽小于等于50KHz。
6.如权利要求5所述的亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统，其特征在于，所述光频梳(2)包括近红外光频梳和中波红外光频梳。
7.如权利要求6所述的亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统，其特征在于，所述近红外光频梳的参数为：中心波长：1560nm；光谱宽度：1000nm～1600nm；输出功率：>10mW；频率精度:120秒内优于10-12；频率稳定度:1秒内优于5x 10—11。
8.如权利要求7所述的亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统，其特征在于，所述中波红外光频梳的参数为：中心波长：3200nm；光谱宽度：3.1μm～3.4μm；输出功率：>10mW；频率精度:120秒内优于10-12；频率稳定度:1秒内优于5x 10—11。
9.一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准方法，其特征在于，采用权利要求2-8中任一项所述的校准系统进行波长校准，所述校准方法包括以下步骤：
步骤1：利用激光拍频测量模块(4)和频率锁定反馈模块(5)将窄线宽激光器(1)频率锁定至光频梳(2)其中一根梳齿上，并测量频率锁定后的窄线宽激光器(1)的输出激光频率f0；
步骤2：利用气压计(7)和温度度计(8)测量环境当前气压P、温度t和相对湿度RH，并利用f0、P、t和RH计算当前环境下的空气折射率ntpRH；
步骤3：利用公式(1)计算得到频率锁定后的窄线宽激光器(1)的输出波长λ0；
Figure FDA0004021648100000021
式中：λ0──频率锁定后的窄线宽激光器的输出波长，单位为nm；
C──光速；
f0──频率锁定后的激光器的输出激光频率，单位为THz；
ntpRH──当前环境下的空气折射率；
步骤4：使频率锁定后的窄线宽激光器(1)的输出激光入射至被校波长测量仪器(6)中，并记录被校波长测量仪器(6)的波长测量值λ；
步骤5：利用公式(2)计算被校波长测量仪器(6)的波长示值误差Δλ，至此完成被校波长测量仪器(6)的波长参数的校准；
Δλ＝λ-λ0 (2)
式中：Δλ──被校波长测量仪器的波长示值误差，单位为nm；
λ──被校波长测量仪器的波长测量值，单位为nm；
λ0──频率锁定后的窄线宽激光器的输出波长，单位为nm。
10.如权利要求9所述的亚皮米量级近红外至中波红外波长校准方法，其特征在于，步骤1中，所述光频梳(2)梳齿对应激光频率如公式(3)所示：
fN＝Nfr+fceo (3)
式中：fN──光频梳的第N根梳齿对应的频率，单位为THz；
N──梳齿对应的顺序数；
fr──光频梳的重复频率，单位为THz；
fceo──光频梳的零频，单位为THz；
所述窄线宽激光器1的输出频率如公式(4)所示：
fx＝fN+fb＝N×fr+fceo±fb (4)
式中：fx──窄线宽激光器的输出频率，单位为THz；
fN──光频梳的第N根梳齿对应的频率，单位为THz；
N──梳齿对应的顺序数；
fr──光频梳的重复频率，单位为THz；
fceo──光频梳的零频，单位为THz；
fb──拍频，单位为THz。
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