一种测量高精细度腔精细度的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于激光光谱技术领域，具体为一种测量高精细度腔精细度的方法及装置。解决了目前测量高精细度腔参数时存在的测量精度较低、对探测器精度要求高的技术问题。本发明专利技术利用频率锁定技术，扫描第二调制频率用光强信号描绘出了高精细度腔的腔模形状，从原理上更具有准确性。本发明专利技术在测量过程中由于使用了频率锁定技术，光‑腔一直处于锁定状态，避免了光‑腔频率的相对漂移，单次测量结果可信度高。本发明专利技术在测量中对探测器响应时间要求不高；由于腔模宽度一般在KHz量级，测量探测器带宽也不需要太大，这样就能保证使用的探测器精度可以很高。

【技术实现步骤摘要】
一种测量高精细度腔精细度的方法及装置
本专利技术属于激光光谱
，是针对实验室普遍采用的高精细度腔精细度测量的一种新方法，具体为一种测量高精细度腔精细度的方法及装置。
技术介绍
作为光学谐振腔，法布里-珀罗干涉仪(F-P腔)自其研发之始就在光谱学与光谱分析上占有了重要的地位，在光学频率定标、光学探测、光学检测方面应用广泛。描述F-P腔有多个参数，包括自由光谱范围、精细度、分辨本领、角色散等。这些参数对于F-P腔的选择上具有非常重要的指导意义，我们也可以通过传统的公式法计算出以上参数，但是计算的粗略性并不能满足人们现在对微小测量的要求，尤其是在超精密的光学测量上。因此，找到一种针对F-P腔参数的测量方法，并且这种方法简单、便捷，能够快速的投入使用，对于任何应用F-P腔的实验计量测量来说意义非凡。掺铒光纤激光器(EDFL)作为近几年发展起来的超窄线宽激光器，具有输出光波长稳定，线宽窄(百Hz)，功率稳定等优点，广泛的应用在光谱分析，光谱测量，非线性光谱泵浦源方面。对比一般的腔模半高全宽(FWHM)在几十KHz量级，光纤激光器完全可以胜任作为测量腔模半高全宽的光源。F-P腔腔镜反射率较高、也即精细度较大的类型被叫做高精细度腔，目前人们常用来测量高精细度腔精细度的方法是腔衰荡光谱(CRDS)，它通过测量腔内光场的衰减时间进行换算来得到腔的镜面反射率，进而得到一系列关于高精度腔的参数。在腔衰荡方法中，一束短脉冲激光(光束脉宽小于光在腔内往返一周的时间)注入高精细度腔内，激光会在腔内来回反射，由于腔镜具有一定的透射损耗，每一次反射都会有一定比例的光透射出腔外，这部分透射的光就构成了腔的衰荡信号。这个衰荡信号是一个呈e指数衰减形式的信号，用公式：拟合会得到高精度腔内光的衰荡时间t0，y0与A是与探测器有关的常数。在腔内没有相应激光波长吸收物的情况下，测量的衰荡时间与高精细度腔腔镜的反射率关系为：而腔镜的反射率与腔的精细度之间的关系式：式中c是光速，L0是高精细度腔的几何长度，R是所求的镜面反射率，F是腔的精细度。这里假设光照射在高精度腔腔镜上时只有透射与反射现象的发生，也即T+R＝1(4)T表示腔镜的透射率。目前CRDS方法是人们采用测量高精细度腔参数最常用的方法，但是CRDS仍有四个缺点。第一，在测量时，腔长L0无法通过这种方法直接获得，测量者还需要采用别的精密仪器对腔长进行测量，腔长测量的精确度限制了高精细度腔精细度的测量值。第二，CRDS测量的是腔内的光强衰减时间，因此它只能针对超高精细度腔的测量，当精细度腔的腔镜反射率下降时，腔内光强的衰减时间很容易下滑到可以与测量仪器的反应时间比拟，如百ns量级，这样测量得到的衰荡时间精度要远远低于对高精细度腔的测量。第三，即使对于超高精细度腔，由于不同探测器的响应不同，测量的衰荡时间信号也大不一样。第四，腔衰荡方法通常采用数据采集卡采集大量数据平均来提高测量时间的精确度，现实生活中太消耗时间。因此结合现实考虑，非常需要一种测量高精细度腔参数的方法，这种方法不仅适合于反射率在99.99％左右的超高精细度腔，对于反射率稍低的高精细度腔也适合；并且方便快捷，适合大多数探测器测量。
技术实现思路
本专利技术提出了一种可以测量高精度腔的新方法—双调制法。本专利技术所述的一种测量高精细度腔精细度的方法是采用以下技术方案实现的:一种测量高精细度腔精细度的方法，包括以下步骤：(1)对激光器输出的激光加上第一个调制频率，作为载频的激光会产生对称的两个边带，即边带-1和边带1，边带-1和边带1通过与待测的高精细度腔作用产生误差信号，误差信号的反馈将激光器出射激光的中心频率锁定到高精细度腔腔模的中心；(2)对激光加上第二个调制频率x，该调制频率的大小近似等于高精细度腔一倍自由光谱区的大小，这时激光会产生对称的两个边带，即边带-2和边带2，扫描第二个调制频率，这样在待测的高精细度腔的透射端会得到一个关于光强的起伏，光强起伏的形状对应于高精细度腔腔模的形状；(3)将扫描得到的高精细度腔腔模图样用腔模的洛伦兹线型进行拟合：就可以直接得出高精细度腔的精细度F；式中，y0与A是与探测器有关的常数，F是高精细度腔的精细度，FSR是测量得到的高精细度腔的一倍自由光谱区频率。图1表示测量的原理图。高精细度腔的腔模是一个洛伦兹线型，对于超窄线宽激光器来说，当对激光进行频率调制时，作为载频的激光会产生对称的两个边带，即边带-1和边带1，边带-1和边带1通过与高精细度腔作用产生误差信号，误差信号的反馈将激光的中心频率锁定到高精细度腔腔模的中心时，激光与高精细度腔共振会全部透射出腔，这时候透射的光强是最大的。理论上第一个调制频率只要大于腔模的全宽小于一个自由光谱区均可以采用，普遍的锁定会采用MHz量级。之后给激光加上第二个调制，调制频率的大小近似等于高精细度腔自由光谱区的大小，这时激光会产生对称的两个边带，边带-2和边带2，扫描第二个调制频率，这样在腔的透射端会得到一个关于光强的起伏，起伏的形状对应于高精细度腔腔模的形状。当第二个调制频率在扫描过程中正等于高精度腔自由光谱区的大小时，透过光强最大，当调制频率远离高精细度腔自由光谱区时，透过光强逐渐减小。扫描得到的腔模图样用腔模的洛伦兹线型进行拟合：直接得出高精细度腔的精细度F。式中，y0与A是与探测器有关的常数；F是高精细度腔的精细度；FSR是测量得到的高精细度腔的一倍自由光谱区频率。本专利技术所述的一种测量高精细度腔精细度的装置是采用以下技术方案实现的：一种测量高精细度腔精细度的装置，包括激光器、顺次位于激光器出射光路上的第一电光调制器、第二电光调制器、匹配透镜、1/2波片、偏振分光棱镜；偏振分光棱镜的透射光路上设有1/4波片，待测的高精细度腔位于1/4波片的出射光路上，高精细度腔的出射光路上顺次设有第一聚焦透镜和第一探测器，第一探测器的信号输出端连接有示波器；偏振分光棱镜的反射光路上顺次设有第二聚焦透镜和第二探测器；第二电光调制器的射频输入端口连接有压控振荡器，压控振荡器的信号输入端连接有第一函数发生器，第一函数发生器与示波器相连接；还包括第二函数发生器，第二函数发生器的信号输出端连接有分束器，分束器的第一输出端口与第一电光调制器的射频输入端口相连接，分束器的第二输出端口顺次连接有移相器、混频器、低通滤波器、比例积分电路和高压放大器；高压放大器的信号输出端与激光器的电压调制端口相连接；第二探测器的信号输出端与混频器相连接。测量方案如图2所示。掺铒光纤激光器出射光信号经过第一电光调制器，第二电光调制器由光纤出射口发射激光，经过匹配透镜后，经过1/2波片，偏振分光棱镜与1/4波片照射到高精细度腔前镜上。高精细度腔前镜反射光经第二聚焦透镜进入第二探测器，进入到F-P腔的光经过第一聚焦透镜进入第一探测器。第二函数发生器产生射频信号，经分束器后一束信号进入到第一电光调制器中对激光进行调制，另一束信号进入移相器后，与第二探测器探测到的光信号进入混频器进行混频，经过低通滤波器后，误差信号同时送入比例积分电路。比例积分电路经过高压放大器对激光器进行锁定。锁定之后，压控振荡器产生中心频率为w0MHz(通过对腔长的测量计算得到的大致的腔的自由光谱范围的频率)的信号，同时第一函数发生器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量高精细度腔精细度的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对激光器输出的激光加上第一个调制频率，作为载频的激光会产生对称的两个边带，即边带‑1和边带1，边带‑1和边带1通过与待测的高精细度腔作用产生误差信号，误差信号的反馈将激光器出射激光的中心频率锁定到高精细度腔腔模的中心；(2)对激光加上第二个调制频率，该调制频率的大小近似等于高精细度腔一倍自由光谱区的大小，这时激光会产生对称的两个边带，即边带‑2和边带2，扫描第二个调制频率，这样在待测的高精细度腔的透射端会得到一个关于光强的起伏，光强起伏的形状对应于高精细度腔腔模的形状；(3)将扫描得到的高精细度腔腔模图样用腔模的洛伦兹线型进行拟合：

【技术特征摘要】
1.一种测量高精细度腔精细度的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对激光器输出的激光加上第一个调制频率，作为载频的激光会产生对称的两个边带，即边带-1和边带1，边带-1和边带1通过与待测的高精细度腔作用产生误差信号，误差信号的反馈将激光器出射激光的中心频率锁定到高精细度腔腔模的中心；(2)对激光加上第二个调制频率，该调制频率的大小近似等于高精细度腔一倍自由光谱区的大小，这时激光会产生对称的两个边带，即边带-2和边带2，扫描第二个调制频率，这样在待测的高精细度腔的透射端会得到一个关于光强的起伏，光强起伏的形状对应于高精细度腔腔模的形状；(3)将扫描得到的高精细度腔腔模图样用腔模的洛伦兹线型进行拟合：直接得出高精细度腔的精细度F；式中，y0与A是与探测器有关的常数，F是高精细度腔的精细度，FSR是测量得到的高精细度腔的一倍自由光谱区频率。2.如权利要求1所述的一种测量高精细度腔精细度的方法，其特征在于，步骤(3)中可进行多次测量以及拟合后得到多个高精细度腔精细度值，然后求得一个高精细度腔精细度的平均值。3.一种测量高精细度腔精细度的装置，用于实现如权利要求1或2所述的方法；其特征在于，包括激光器(1)、顺次位于激光器(1)出射光路上的第一电光调制器(2)、第二电光调...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾梦源，马维光，赵刚，周月婷，贾锁堂，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西,14