一种波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置及方法，装置包括标准具、光电探测器、信号发生器及数据采集处理设备；信号发生器与二极管激光器的外调制端口连接，产生正弦调制电压信号，用于对二极管激光器的输出波长进行调制；标准具的输入端与二极管激光器的出射端相连接，用于产生干涉光强信号；光电探测器与标准具的输出端连接，将所接收的光信号转化为电压信号；本发明专利技术的方法是采用干涉峰识别和正弦拟合的方式反演激光波长动态变化参数a1,

A Dynamic Wavelength Measuring Device and Method for Diode Laser with Wavelength Modulation

The invention relates to a device and method for measuring dynamic wavelength of a diode laser under wavelength modulation, which includes a standard instrument, a photoelectric detector, a signal generator and a data acquisition and processing device; a signal generator is connected with an external modulation port of a diode laser to generate a sinusoidal modulated voltage signal for modulating the output wavelength of a diode laser; and a standard instrument. The input end is connected with the output end of the diode laser for generating interference light intensity signal, the photodetector is connected with the output end of the standard tool to convert the received light signal into voltage signal, and the method of the present invention is to invert the dynamic variation parameter A1 of the laser wavelength by means of interference peak identification and sinusoidal fitting.

【技术实现步骤摘要】
一种波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置及方法
本专利技术涉及一种光学精密测量技术，特别是涉及可调谐连续激光动态波长测量装置及方法。
技术介绍
二极管激光器以其具有尺寸小、功耗低、寿命长、窄线宽、波长可调谐、价格低廉等优点，而被广泛应用于光通信、光传感、可调谐二极管激光吸收光谱(Tunablediodelaserabsorptionspectroscopy,TDLAS)等技术中。在TDLAS测量技术中，为了提高探测灵敏度和抗干扰能力，人们普遍采用波长调制吸收法，即二极管激光器的输出波长以特定频率作正弦波变化，使得相应的吸收信号带有特定频率的调制信息，从而利于吸收信号的甄别和探测。因此，二极管激光器的输出波长对调制电压的响应特性是极为关键的参数，其决定着具体的调制电压幅度和频率的选择，并有利于分析激光器的非线性响应对波长调制吸收法测量的影响。由于波长调制幅度的大小在实际的波长吸收测量系统中体现为波长调制电压的大小；激光器波长对调制电压的动态响应并非是线性的，且不同调制频率、调制电压下，其动态响应特性不同。所以，精确测定二极管激光器波长随调制电压的响应特性，可为精确的TDLAS波长调制吸收法数据反演提供必要的二极管激光器参数。窄线宽、可调谐二极管激光器的典型特点是输出波长随二极管的注入电流变化而变化(具体实现方式是改变激光器的驱动电压)。在TDLAS波长调制吸收法中，设二极管激光器的调制电压(单位V)为：U(t)＝u·sin(2πft)(1)其中，u为调制电压的幅度(单位V)，f为调制电压的频率(单位Hz)。在该调制电压驱动下，二极管激光器的输出波长随调制电压变化而变化。由于激光输出波长并非完全随调制电压线性变化，而是存在一定的非线性响应。因此，激光输出波长变化频率除了基频f外，还存在一定的谐波2f成分。则激光器的输出波长(单位cm-1)可表示为：其中，a0表示激光静态输出波长，a1和a2分别为波长的线性调制深度和非线性调制深度(单位cm-1)，和分别为相应的相对于调制电压的相位偏移(单位rad)。因此，对于特定的调制电压，需要测量的参数有a1,a2,在TDLAS波长调制吸收法中，二极管激光器的线性波长调制深度a1取决于具体的吸收谱线线宽，通常为0.1cm-1左右；而波长调制频率f则取决于具体的测量重复频率，通常为数十kHz至数百kHz。因此，若要实现二极管激光器动态波长的精确测量，则要求波长测量设备的精度至少达到0.01cm-1，测量响应速率至少达到MHz。目前，商品化的波长测量设备主要有光谱仪和波长计，其中光谱仪的主要用于静态波长的测量，难以满足激光器动态波长的实时测量；波长计虽然具备一定的响应速率，但目前市场上几乎没有同时满足上述两项测量指标的商品化产品。为解决高精度、高响应速率波长测量问题，国内外相关研究人员采用一些自研的波长测量方法来分析二极管激光器的动态波长特性。例如，刘景旺等人利用全光纤Mach-Zehnder干涉仪测量了分布反馈型二极管激光器波长扫描特性。A.Lytkine等人采用Fabry-Perot标准具实现了垂直腔表面发射二极管激光器在100Hz锯齿波扫描情况下的动态波长测量，波长测量精度0.056cm-1。上述人员仅是实现了二极管激光器波长调谐情况下的动态波长测量，为了分析波长调制情况下的激光器波长动态响应特性，J.Chen等人利用波长调制吸收信号随波长调制频率的变化特征反推出波长线性调制深度a1随调制频率的变化曲线，但该方法尚未实现相位和波长非线性调制深度a2的测量。
技术实现思路
为解决波长调制情况下的二极管激光器动态波长高精度、高响应速率波长测量问题，本专利技术提供了一种波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置及方法。本专利技术的技术解决方案如下：一种波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置，其特殊之处在于：包括标准具、光电探测器、信号发生器、数据采集处理设备；所述信号发生器与二极管激光器的外调制端口连接，产生正弦调制电压信号，用于对二极管激光器的输出波长进行调制；所述标准具的输入端与二极管激光器的出射端相连接，用于产生干涉光强信号；所述光电探测器与标准具的输出端连接，将所接收的光信号转化为电压信号；所述数据采集处理设备与光电探测器及信号发生器连接，同步记录光电探测器探测的干涉光强信号及信号发生器产生的正弦调制电压信号，并根据干涉光强信号及正弦调制电压信号计算二极管激光器动态波长。进一步地，所述标准具为环形光纤标准具，所述环形光纤标准具由2×2光纤耦合器构成，2×2光纤耦合器包括两个输入端口和两个输出端口，其中一个输入端口和一个输出端口连接，另一个输入端口作为环形光纤标准具的输入端，另一个输出端作为环形光纤标准具的输出端。本专利技术的标准具还可以有其他替代结构，如Fabry-Perot标准具、迈克尔逊干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪等。本专利技术采用2×2光纤耦合器作为环形光纤标准具的优点是光路简单、无需调节，此外环形光纤标准具容易通过增加腔长的方式(腔长>100cm)来降低标准具的自由光谱范围，从而提高波长测量精度。进一步地，所述光电探测器为Throlabs公司生产的DET10D/M型探测器；所述数据采集处理设备采用Spectrum公司生产的M4i-2212型数据采集卡。同时，本专利技术还提供了利用上述的波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置进行动态波长测量的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：1)调节二极管激光器的静态工作电流和工作温度，以使激光静态输出波长与实际应用需求一致(TDLAS技术应用中，激光器的静态输出波长与吸收谱线中心波长一致)；2)利用信号发生器产生频率为f的正弦调制电压信号，并将该信号连接至二极管激光器的外调制端口，对激光静态波长进行调制；3)经波长调制后的激光信号输入至标准具，则穿过标准具的激光光强会出现周期性变化，记为干涉光强信号；4)利用光电探测器将干涉光强信号转化为电压信号，并用数据采集处理设备同步记录干涉光强信号所转化的电压信号和由信号发生器产生的正弦调制电压信号；5)数据处理5.1)截取采样长度大于一个正弦调制电压信号周期的干涉光强信号和调制电压信号；5.2)先采用低通滤波器滤除截取的干涉光强信号上面的毛刺并保留干涉峰位置信息，过滤后的信号即为I1；再采用高阶的低通滤波器，获取截取的干涉光强信号的干涉峰信号基线，过滤后的信号记为I2；5.3)对两次滤波信号作ln(I2/I1)运算，获得高信噪比的干涉峰信号，利用峰值识别函数寻找出每个干涉峰的位置；5.4)根据标准具的自由光谱范围、干涉峰位置及相邻干涉峰之间的波长变化趋势，反演计算波长随时间变化曲线；5.5)拟合5.5.1)利用频率为f的正弦函数对截取的正弦调制电压信号进行拟合，拟合结果记为：f为正弦调制电压信号的频率；5.5.2)利用频率为f的正弦函数对波长随时间变化曲线进行拟合，并计算拟合残差，拟合结果记为：5.5.3)利用频率为2f的正弦函数对5.5.2)步骤中的拟合残差进行拟合，拟合结果记为：6)计算公式中的a1,a2,具体算法为：a1＝a1fitting；a2＝a2fitting；进一步地，步骤5.1)中干涉光强信号和调制电压信号的截取方法为：根据数据采集处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置，其特征在于：包括标准具(5)、光电探测器(6)、信号发生器(1)及数据采集处理设备(7)；所述信号发生器(1)与二极管激光器(3)的外调制端口连接，产生正弦调制电压信号，用于对二极管激光器(3)的输出波长进行调制；所述标准具(5)的输入端与二极管激光器(3)的出射端相连接，用于产生干涉光强信号；所述光电探测器(6)与标准具(5)的输出端连接，将所接收的光信号转化为电压信号；所述数据采集处理设备(7)与光电探测器(6)及信号发生器(1)连接，同步记录光电探测器探测的干涉光强信号及信号发生器产生的正弦调制电压信号，并根据干涉光强信号及正弦调制电压信号计算二极管激光器动态波长。

【技术特征摘要】
1.一种波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置，其特征在于：包括标准具(5)、光电探测器(6)、信号发生器(1)及数据采集处理设备(7)；所述信号发生器(1)与二极管激光器(3)的外调制端口连接，产生正弦调制电压信号，用于对二极管激光器(3)的输出波长进行调制；所述标准具(5)的输入端与二极管激光器(3)的出射端相连接，用于产生干涉光强信号；所述光电探测器(6)与标准具(5)的输出端连接，将所接收的光信号转化为电压信号；所述数据采集处理设备(7)与光电探测器(6)及信号发生器(1)连接，同步记录光电探测器探测的干涉光强信号及信号发生器产生的正弦调制电压信号，并根据干涉光强信号及正弦调制电压信号计算二极管激光器动态波长。2.根据权利1所述的波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置，其特征在于：所述标准具(5)为环形光纤标准具，所述环形光纤标准具由2×2光纤耦合器构成，2×2光纤耦合器包括两个输入端口和两个输出端口，其中一个输入端口和一个输出端口连接，另一个输入端口作为环形光纤标准具的输入端，另一个输出端作为环形光纤标准具的输出端。3.根据权利要求1或2所述的波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置，其特征在于：所述光电探测器(6)为Throlabs公司生产的DET10D/M型探测器；所述数据采集处理设备(7)采用Spectrum公司生产的M4i-2212型数据采集卡。4.利用权利要求1-3任一所述的波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置进行动态波长测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)调节二极管激光器(3)的静态工作电流和工作温度，以使激光静态输出波长与实际应用需求一致；2)利用信号发生器(1)产生频率为f的正弦调制电压信号，并将该信号连接至二极管激光器(3)的外调制端口，对激光静态波长进行调制；3)经波长调制后的激光信号输入至标准具(5)，则穿过标准具(5)的激光光强会出现周期性变化，记为干涉光强信号；4)利用光电探测器(6)...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶波，胡志云，叶景峰，张振荣，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61