CN116973082A - 一种激光器测模系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器测模系统及方法。系统中环形激光器、法珀腔和APD光电传感器均安装于安装组件上，法珀腔通过三轴微调升降平台将输入光路对准所述环形激光器的输出光路，APD光电传感器通过可调节支座将输入光路对准所述环形激光器的输出光路；调腔电压发生装置用于产生锯齿波电压信号驱动环形激光器谐振腔的压电陶瓷，终端设备用于设置和控制调腔电压发生装置产生锯齿波电压信号；信号发生器用于产生锯齿波扫模信号驱动所述法珀腔的压电陶瓷，数字示波器用于显示法珀腔的驱动信号和输出信号，频谱分析仪用于显示和分析APD光电传感器的输出信号。本发明可以更加全面、精细地对环形激光器的工作模式进行扫模和观测。

Description

一种激光器测模系统及方法

技术领域

本发明涉及激光器工作模式的选择、测试技术领域，更具体地说，特别涉及一种激光器测模系统及方法。

背景技术

激光器要发挥最佳性能，其谐振腔的长度需要稳定在其激光波长的整数倍(谐振状态)，即工作在单纵模状态。为此，使用压电陶瓷组件对谐振腔的长度进行调整和控制(调腔)，通常压电陶瓷组件的调节范围为4～10个波长，通过控制压电陶瓷组件，可以出现多个不同的谐振状态，每个谐振状态对应一个工作模式。扫模就是施加不同的模式电压来改变腔长，得到不同的工作模式。在连续扫模调节腔长的过程中，需要观测不同腔长对应的纵模和横模分布情况。为了全面、精细地观测这些纵模和横模的分布及其拍频，有必要设计一种激光器测模系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光器测模系统及方法，以克服现有技术所存在的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种激光器测模系统，用于扫模和观测环形激光器的工作模式，包括安装组件、法珀腔、APD光电传感器、调腔电压发生装置、终端设备、信号发生器、数字示波器和频谱分析仪；

所述环形激光器、法珀腔和APD光电传感器均安装于安装组件上，所述法珀腔通过三轴微调升降平台将输入光路对准所述环形激光器的输出光路，所述APD光电传感器通过可调节支座将输入光路对准所述环形激光器的输出光路；

所述终端设备、调腔电压发生装置和环形激光器依次连接，所述调腔电压发生装置用于产生锯齿波电压信号驱动环形激光器谐振腔的压电陶瓷，所述终端设备用于设置和控制所述调腔电压发生装置产生锯齿波电压信号；

所述信号发生器、数字示波器和法珀腔依次连接，所述信号发生器用于产生锯齿波扫模信号(其频率远大于调腔电压发生装置输出锯齿波电压信号的频率)驱动所述法珀腔的压电陶瓷，所述数字示波器用于显示法珀腔的驱动信号和输出的纵模或纵、横模信号；

所述频谱分析仪与APD光电传感器连接，频谱分析仪用于显示和分析APD光电传感器输出的纵模或纵、横模拍频信号的频谱。

进一步地，所述安装组件包括测试工作台、激光器安装座、法珀腔安装板、法珀腔平台转接板和APD安装板，所述法珀腔安装板安装于测试工作台上，所述激光器安装座安装于法珀腔安装板上，所述环形激光器固定于所述激光器安装座上，所述法珀腔平台转接板与法珀腔安装板连接，所述法珀腔通过三轴微调升降平台与法珀腔平台转接板连接，所述APD安装板安装于法珀腔安装板的一侧，所述APD光电传感器安装于APD安装板上。

进一步地，所述测试工作台上设有安装第一螺纹孔，所述激光器安装座为圆柱形结构，该圆柱形结构的下端为带凸缘的法兰，该法兰上均匀布置有法兰安装孔，该圆柱形结构的上端设有凸台，该凸台上设有用于安装环形激光器的第二螺纹孔，所述法珀腔安装板设有第一通孔和第三螺纹孔，该第一通孔、法兰安装孔和第一螺纹孔通过紧固件紧固连接，所述APD安装板上设有第二通孔和第四螺纹孔，该第二通孔与法珀腔安装板上的第三螺纹孔紧固连接，该第四螺纹孔用于安装APD光电传感器的可调支座。

进一步地，所述终端设备采用电脑一体机，该电脑一体机上安装有扫模测试上位机软件，该扫模测试上位机软件用于设置和控制调腔电压发生装置产生锯齿波电压信号驱动环形激光器的腔长调节压电陶瓷。

本发明还提供一种根据上述激光器测模系统的方法，包括以下步骤：

S1、调节法珀腔的三轴微调升降平台，将法珀腔的输入光路对准环形激光器的输出光路，调节可调节支座将APD光电传感器的输入光路对准所述环形激光器的输出光路；

S2、将信号发生器的输出电压信号设置为锯齿波，经BNC三通分别接到法珀腔的驱动信号输入端和数字示波器的CH1通道，法珀腔的输出信号经BNC接到数字示波器的CH2通道；

S3、将APD光电传感器的输出经BNC电缆接到频谱分析仪的输入端子上；

S4、建立调腔电压发生装置和终端设备的通信联系；

S5、将环形激光器的直流光强信号线、调腔驱动信号线分别连接到调腔电压发生装置的直流光强信号输入端和调腔信号输入端；

S6、启动终端设备将调腔电压发生装置的扫模切换键拨到自动扫模，观察数字示波器的纵、横模波形；

S7、将调腔电压发生装置的扫模切换键拨到手动扫模，缓慢地手动调节调腔电压发生装置的电压旋钮，观察数字示波器显示的法珀腔纵、横模波形，观察频谱分析仪显示的APD拍频信号频谱；

S8、在终端设备上设置环形激光器的工作电流0.3～1.0mA，调节调腔电压发生装置上的电压旋钮进行手动扫模，观察数字示波器的纵模波形，观察纵模从单纵模到双纵模的过渡过程，并记录从单纵模到双纵模的时间间隔；观察频谱分析仪上的频谱信号变化情况，观察是否出现拍频主峰，并记录拍频主峰的频率值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明可以更加全面、精细地对环形激光器的纵、横模分布进行扫模观测、计算和分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明激光器测模系统的结构示意图。

图2是本发明激光器测模系统安装组件结构示意图。

图3是本发明激光器测模方法的流程图。

图4是本发明激光器测模方法观测到的单纵模分布和频谱图。

图5是本发明激光器测模方法观测到的多纵模分布和频谱图。

图6是本发明激光器测模方法的观测到的单纵模和单横模分布及其频谱图。

图7是本发明激光器测模方法的观测到的双纵模和单横模分布及其频谱图。

图中：安装组件10、环形激光器20、法珀腔30、APD光电传感器40、调腔电压发生装置50、终端设备60、信号发生器70、数字示波器80、频谱分析仪90。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1和图2所示，本实施例公开了一种激光器测模系统，用于扫模和观测环形激光器20(待测对象)的工作模式，观察其纵、横模分布情况，该系统包括安装组件10、法珀腔30、APD光电传感器40、调腔电压发生装置50、终端设备60、信号发生器70、数字示波器80和频谱分析仪90。

所述环形激光器20、法珀腔30和APD光电传感器40均安装于安装组件10上，法珀腔30通过三轴微调升降平台将输入光路对准环形激光器20的输出光路，APD光电传感器40通过可调节支座将输入光路对准所述环形激光器20的输出光路。

所述终端设备60、调腔电压发生装置50和环形激光器20依次连接，调腔电压发生装置50用于产生锯齿波电压信号驱动环形激光器20谐振腔的压电陶瓷(PZT)，终端设备60上安装有上位机软件，用于设置和控制调腔电压发生装置50产生锯齿波电压信号。

所述信号发生器70、数字示波器80和法珀腔30依次连接，信号发生器70用于产生锯齿波扫模信号驱动法珀腔30的压电陶瓷(PZT)，数字示波器80用于显示法珀腔30的驱动信号和输出的纵、横模信号。

所述频谱分析仪80与APD光电传感器40连接，频谱分析仪80用于显示和分析APD光电传感器40输出的纵、横模拍频信号。

本实施例的安装组件10包括测试工作台11、激光器安装座12、法珀腔安装板13、法珀腔平台转接板14和APD安装板15，法珀腔安装板13安装于测试工作台11上，激光器安装座12安装于法珀腔安装板13上，环形激光器20固定于所述激光器安装座12上，法珀腔平台转接板14与法珀腔安装板13连接，法珀腔30通过三轴微调升降平台与法珀腔平台转接板14连接，APD安装板15安装于法珀腔安装板13的一侧，APD光电传感器40安装于APD安装板15上。

具体的，所述测试工作台11上设有安装第一螺纹孔，激光器安装座12为圆柱形结构，该圆柱形结构的下端为带凸缘的法兰，该法兰上均匀布置有法兰安装孔，该圆柱形结构的上端设有凸台，该凸台上设有用于安装环形激光器20的第二螺纹孔，法珀腔安装板13设有第一通孔和第三螺纹孔，该第一通孔、法兰安装孔和第一螺纹孔通过紧固件紧固连接，APD安装板15上设有第二通孔和第四螺纹孔，该第二通孔与法珀腔安装板13上的第三螺纹孔紧固连接，该第四螺纹孔用于安装APD光电传感器40的可调支座。

本实施例的终端设备60采用电脑一体机，该电脑一体机上安装有扫模测试上位机软件，该扫模测试上位机软件用于设置和控制调腔电压发生装置50产生锯齿波电压信号。

本实施例中的法珀腔30是一种无源光学谐振腔，法珀腔30带有三轴手动微调升降平台，升降平台经螺纹连接与法珀腔平台转接板14相连接，再将法珀腔平台转接板14经螺纹连接紧固在法珀腔安装板13上，通过手动调节X、Y、Z三轴位移，可将法珀腔30的输入光路对准环形激光器20的输出光路。

本实施例中的APD光电传感器40自带可调节支座，可调节支座经螺纹连接紧固在APD安装板15上，通过调节APD安装板15的位置，移动或旋转可调节支座的支撑杆高度和方向，将APD光电传感器40的输入光路对准环形激光器20的输出光路。

参阅图3所示，本发明还提供一种根据上述激光器测模系统的方法，包括以下步骤：

步骤S1、按图1所示搭建激光器测模系统，调节法珀腔30的三轴微调升降平台(X、Y、Z)，将法珀腔30的输入光路对准环形激光器20的输出光路，调节可调节支座的伸缩杆将APD光电传感器40的输入光路对准所述环形激光器20的输出光路。

步骤S2、将信号发生器70的输出电压信号设置为(三角)锯齿波(参数设置例如为10Hz，10Vpp)，经BNC三通分别接到法珀腔30的驱动信号输入端和数字示波器80的CH1通道，法珀腔30的输出信号经BNC接到数字示波器80的的CH2通道。

步骤S3、将APD光电传感器40的输出线经BNC电缆接到频谱分析仪N9030A上，设置开始频率为0Hz，终止频率为1GHz。

步骤S4、建立调腔电压发生装置50和终端设备60的通信联系，具体可以将调腔电压发生装置50的USB口接到电脑一体机的USB口。

步骤S5、将环形激光器20的直流光强信号线(光电管的红色线接屏蔽接头的芯线，光电管的白色线解屏蔽接头的屏蔽地)、调腔驱动信号线分别连接到调腔电压发生装置50的直流光强信号输入端和调腔信号输入端。

步骤S6、启动电脑一体机界面上的扫模软件将调腔电压发生装置50的扫模切换键拨到自动扫模，在电脑一体机扫模软件的界面上点击“启动扫模”。观察数字示波器80是否显示纵、横模波形，并调整法珀腔的光路对准环形激光器的输出光路，直至示波器显示纵模或纵、横模波形。

步骤S7、将调腔电压发生装置50的扫模切换键拨到手动扫模，缓慢地手动调节调腔电压发生装置50的电压旋钮，观察数字示波器80的纵模或纵、横模波形，当示波器显示单纵模时，如图4所示，此时频谱仪未显示拍频主峰；当示波器显示多纵模时，如图5所示，此时频谱仪显示在高频段有纵模拍频主峰；当示波器显示纵、横模时，如图6所示，此时频谱仪显示在低频段有纵、横模拍频主峰；当示波器显示有多纵模、横模时，如图7所示，此时频谱仪显示三个拍频主峰，分别是拍频主峰①、拍频主峰②和拍频主峰③，其中，拍频主峰①为纵模1和纵模2之间的拍频，拍频主峰②为纵模1和横模之间的拍频，拍频主峰③为纵模2和横模之间的拍频。

步骤S8、在终端设备60(电脑一体机)上设置环形激光器20的工作电流从0.3～1.0mA，按0.1mA递增，重复上述操作，调节调腔电压发生装置50上的电压旋钮进行手动扫模，观察数字示波器80的纵、横模波形及频谱仪的拍频频谱，观察纵模从单纵模到双纵模的过渡过程，并记录从单纵模到双纵模的时间间隔，稳频电路就是要稳定在单纵模工作模式。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光器测模系统，用于扫模和观测环形激光器的工作模式，其特征在于，包括安装组件、法珀腔、APD光电传感器、调腔电压发生装置、终端设备、信号发生器、数字示波器和频谱分析仪；

所述环形激光器、法珀腔和APD光电传感器均安装于安装组件上，所述法珀腔通过三轴微调升降平台将输入光路对准所述环形激光器的输出光路，所述APD光电传感器通过可调节支座将输入光路对准所述环形激光器的输出光路；

所述终端设备、调腔电压发生装置和环形激光器依次连接，所述调腔电压发生装置用于产生锯齿波电压信号驱动环形激光器谐振腔的压电陶瓷，所述终端设备用于设置和控制所述调腔电压发生装置产生锯齿波电压信号；

所述信号发生器、数字示波器和法珀腔依次连接，所述信号发生器用于产生锯齿波扫模信号驱动所述法珀腔的压电陶瓷，所述数字示波器用于显示法珀腔的驱动信号和输出的纵模或纵、横模信号；

所述频谱分析仪与APD光电传感器连接，频谱分析仪用于显示和分析APD光电传感器输出的纵模或纵、横模拍频信号的频谱。

2.根据权利要求1所述的激光器测模系统，其特征在于，所述安装组件包括测试工作台、激光器安装座、法珀腔安装板、法珀腔平台转接板和APD安装板，所述法珀腔安装板安装于测试工作台上，所述激光器安装座安装于法珀腔安装板上，所述环形激光器固定于所述激光器安装座上，所述法珀腔平台转接板与法珀腔安装板连接，所述法珀腔通过三轴微调升降平台与法珀腔平台转接板连接，所述APD安装板安装于法珀腔安装板的一侧，所述APD光电传感器安装于APD安装板上。

3.根据权利要求2所述的激光器测模系统，其特征在于，所述测试工作台上设有安装第一螺纹孔，所述激光器安装座为圆柱形结构，该圆柱形结构的下端为带凸缘的法兰，该法兰上均匀布置有法兰安装孔，该圆柱形结构的上端设有凸台，该凸台上设有用于安装环形激光器的第二螺纹孔，所述法珀腔安装板设有第一通孔和第三螺纹孔，该第一通孔、法兰安装孔和第一螺纹孔通过紧固件紧固连接，所述APD安装板上设有第二通孔和第四螺纹孔，该第二通孔与法珀腔安装板上的第三螺纹孔紧固连接，该第四螺纹孔用于安装APD光电传感器的可调支座。

4.根据权利要求1所述的激光器测模系统，其特征在于，所述终端设备采用电脑一体机，该电脑一体机上安装有扫模测试上位机软件，该扫模测试上位机软件用于设置和控制调腔电压发生装置产生锯齿波电压信号驱动环形激光器的腔长调节压电陶瓷。

5.一种根据权利要求1-4任意一项所述激光器测模系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、调节法珀腔的三轴微调升降平台，将法珀腔的输入光路对准环形激光器的输出光路，调节可调节支座将APD光电传感器的输入光路对准所述环形激光器的输出光路；

S2、将信号发生器的输出电压信号设置为锯齿波，经BNC三通分别接到法珀腔的驱动信号输入端和数字示波器的CH1通道，法珀腔的输出信号经BNC接到数字示波器的CH2通道；

S3、将APD光电传感器的输出经BNC电缆接到频谱分析仪的输入端子上；

S4、建立调腔电压发生装置和终端设备的通信联系；

S5、将环形激光器的直流光强信号线、调腔驱动信号线分别连接到调腔电压发生装置的直流光强信号输入端和调腔信号输入端；

S6、启动终端设备将调腔电压发生装置的扫模切换键拨到自动扫模，观察数字示波器的纵、横模波形；

S7、将调腔电压发生装置的扫模切换键拨到手动扫模，缓慢地手动调节调腔电压发生装置的电压旋钮，观察数字示波器显示的法珀腔纵、横模波形，观察频谱分析仪显示的APD拍频信号频谱；

S8、在终端设备上设置环形激光器的工作电流0.3～1.0mA，调节调腔电压发生装置上的电压旋钮进行手动扫模，观察数字示波器的纵模波形，观察纵模从单纵模到双纵模的过渡过程，并记录从单纵模到双纵模的时间间隔；观察频谱分析仪上的频谱信号变化情况，观察是否出现拍频主峰，并记录拍频主峰的频率值。