一种激光线宽测量方法和设备技术

本发明专利技术公开了一种激光线宽测量方法和设备，方法包括：将第一激光器输出的第一激光与第二激光器输出的第二激光进行合束；将合束后的拍频信号fb分为第一路拍频信号与第二路拍频信号；将第一路拍频信号fb与频率为f0的理想信号混频，得到差频信号|fb-f0|；通过可控带宽跟随振荡器，产生差频信号|fb-f0|在跟随振荡器的设定跟随带宽下的跟随信号ft＝|fb-f0|；将第二路拍频信号与跟随信号ft混频，输出差频信号f0；对差频信号f0进行分析，获取第一激光器和/或第二激光器的激光线宽。本发明专利技术通过相对简单的电路，通过改变可变带宽跟随振荡器的伺服带宽，可以测量窄线宽激光器及超窄线宽激光器在一定带宽下的激光线宽。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光线宽测量技术，尤其是一种激光线宽测量方法和设备。
技术介绍
激光以其具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点，作为光源广泛应用于各个领域。而激光以上特点均可以归结为其具有相对于其他光源的卓越的窄线宽、相干性好的特点，因此输出的激光线宽成为评价激光器的重要指标之一。目前通常采用的测量激光线宽的方法有以下几种(I)拍频测量法 探测两台激光器的拍频信号，经频谱分析仪(spectrum analyzer,以下简称SA)或动态信号分析仪(FFT)测量出拍频信号线宽，如图I所示。两台激光器Laserl、Laser2发出的激光通过分光棱镜(BS)进行合束后，通过高速探测器(Det)进行探测，并将探测得到的拍频信号送入频谱分析仪或动态信号分析仪中进行测量，获得拍频信号线宽。这种方法可以采用两台结构、器件相同，相互独立的激光器合束后经探测器探测，此时，单台激光器线宽是得到的拍频信号线宽的V 2/2倍。或者采用一台已知线宽，且线宽远小于待测激光线宽的激光器与待测线宽的激光器进行拍频，此时，测量得到的拍频信号线宽即待测激光器线宽。通过拍频测量法测量待测激光器线宽时，由于进行拍频的两台激光器相对独立，受到气流、机械震动和温度等因素影响，造成输出激光中心频率的漂移，从而导致拍频信号中心频率不稳定。而为了准确测量窄线宽激光器的线宽，也即窄线宽激光器输出的激光线宽，需要将频谱分析仪或动态信号分析仪的扫描范围设定在一个较小的范围内以便准确测量，激光线宽越窄，需要设定的扫描范围越小。这就需要激光器具有很好的频率稳定性，兆赫量级甚至是千赫量级的抖动都可能导致拍频信号超出频谱分析仪或动态信号分析仪的扫描、测量范围。对于两台自由运转、没有进行频率锁定的激光器而言，其中心频率的漂移和抖动使拍频信号很难在很小的扫描范围内被稳定捕捉，甚至信号的瞬态捕捉也很困难。因此在对窄线宽激光器进行线宽测量时，通常采用通过频谱分析仪或动态信号分析仪采集单次触发频谱数据进行数据处理的方法，得到单次触发频谱数据，经过多次平均和数据拟合等数据处理得到激光线宽。而进行拍频的两台激光器输出激光的中心频率抖动和漂移对这种抓图的方法制造了困难，有时需要多次抓图才能得到结果。此外，对几次图像的数据处理也相对麻烦。(2)频率-电压变换(Frequency-voltage converter)法如图2所示，两台激光器，即主激光器(Maser laser)与从激光器(Slavelaser)，发出的激光通过分光棱镜进行合束，所形成的拍频信号与稳定信号fKF在频率相位探测器(Frequency-Phase-Detertor)中进行鉴频鉴相，经伺服系统将误差信号反馈到从激光器(Slave laser)的频率控制器件上，如压电陶瓷(PZT)或者激光器驱动电流等，从而实现将一台激光器(从激光器Slave laser)的频率锁定在主激光器(Maser laser)上,可得到稳定的拍频信号。图2中，AOM为声光调制器，A为放大器，tracking Osc.为跟随振荡器，VCO为压控振荡器，INT为积分器，+为加法器，Spectrum analyzer为频谱分析仪、counter为计数器。其中的伺服系统包括两个积分器。采用频率-电压变换的方式将两台激光器进行相对频率锁定，是避免进行拍频的两台激光器输出激光相对频率漂移的目前比较公认的方法。但是，这种测量方法需要采用较复杂的电路系统，将频率误差通过伺服系统反馈到从激光器上，对反馈锁定系统(包括伺服系统与频率控制器件)要求较高。反馈锁定系统带宽太宽，将影响所测的实际激光线宽的准确性，这是因为当伺服系统带宽过宽时，两台激光器输出的激光可能部分相干甚至相干，当相干时得到的拍频信号线宽表现为S函数，而不是真实的激光线宽。反馈锁定系统带宽太窄，又增加了频率锁定的难度。(3)延时自外差法(delayed self-heterodyne)利用光纤延时的方法，通过一台激光器获得两束具有相同频率噪声但不相干的激光，将其中一束激光经过移频后与另外一束激光进行拍频，所得拍频信号线宽为待测激 光线宽的V 2倍。如图3所示，待测线宽的激光器(Laser)发出的激光经过光学隔离器(Isolator)后，在光纤耦合器(FC)中分成两束；其中一束激光经过一段延时为τ d的光纤，另一束激光经过声光调制器(AOM)进行移频《s，之后两束激光在另一个光纤耦合器中率禹合形成拍频信号，依次进入探测器(H))、频谱分析仪(Spectrum Analyzer)进行分析,获得拍频信号的线宽。当两束激光相干时，得到的拍频信号线宽表现为δ函数，而不是真实的激光线宽。延时自外差法通过光纤进行激光去相干的处理，使激光在光纤中的光程超过激光的相干长度，即去相干操作，与经过移频的同一台激光器输出的另一束激光进行拍频后，得到的拍频信号线宽的V 2/2倍即为待测激光线宽。延时自外差法测量线宽较宽的激光线宽时，可简单的获得稳定的拍频信号。但是对于线宽小于IOkHz的激光而言，有效去相干需要使用几十千米以上光纤，更窄线宽激光则需要使用更长光纤。此外，由于光纤材料对不同波长的激光吸收有较大的区别，对于在光纤吸收较强范围内的激光，通过长光纤后输出光严重衰减，影响了拍频信号的信噪比。(4)损耗补偿延时自外差法(loss-compensated recirculating delayedself-heterodyne detection)这种方法为了解决延时自外差法中有限的光纤长度带来的线宽测量的局限性，采用了光纤环形腔的结构，并且在光路中加入光纤放大器，例如，掺铒光纤放大器(EDFA)，有效的弥补了激光在光纤中长距离传输带来的损耗。如图4所示，Laser为激光器，H)为探测器，ESA为频谱仪，coupler为光纤稱合器，Frequency shifter为频率变换器。损耗补偿延时自外差法通过光纤环形腔有效的解决了延时自外差法中有限的光纤长度带来的线宽测量的局限性，同时为了弥补激光在光纤中长距离传输带来的损耗，在光路中加入光纤放大器。但是，对于不具有对应光纤放大器的波长的激光，无法通过该损耗补偿延时自外差法测量线宽。此外，光纤放大器带来的如自发辐射等线宽展宽，会降低线宽测量的准确性，并且，光纤本身带来的相位噪声也将影响线宽测量结果。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种一种激光线宽测量方法和设备，以通过相对简单的电路，在无需通过伺服系统对激光器进行电路反馈的情况下，可以测量窄线宽激光器及超窄线宽激光器的真实激光线宽。基于上述目的，本专利技术实施例提供的一种激光线宽测量方法，包括将第一激光器输出的第一激光与第二激光器输出的第二激光进行合束，所述第一激光与所述第二激光频率不同且相位不相关；探测接收合束后的拍频信号fb，所述拍频信号fb为第一激光与第二激光通过合束混频后的差频信号；将所述拍频信号fb分为第一路拍频信号与第二路拍频信号；·将第一路拍频信号fb与频率为&的理想信号混频，得到第一拍频信号与所述理想/[目号的差频/[目号；通过可控带宽跟随振荡器，产生差频信号I在跟随振荡器的设定跟随带宽下的跟随信号ft= fb-fol ；将第二路拍频信号与跟随信号ft混频，输出拍频信号与跟随信号ft的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光线宽测量方法，其特征在于，包括：将第一激光器输出的第一激光与第二激光器输出的第二激光进行合束，所述第一激光与所述第二激光频率不同且相位不相关；探测接收合束后的拍频信号fb，所述拍频信号fb为第一激光与第二激光通过合束混频后的差频信号；将所述拍频信号fb分为第一路拍频信号与第二路拍频信号；将第一路拍频信号fb与频率为f0的理想信号混频，得到第一拍频信号与所述理想信号的差频信号|fb？f0|；通过可控带宽跟随振荡器，产生差频信号|fb？f0|在跟随振荡器的设定跟随带宽下的跟随信号ft＝|fb？f0|；将第二路拍频信号与跟随信号ft混频，输出拍频信号与跟随信号ft的差频信号f0；对差频信号f0进行分析，获取第一激光器和/或第二激光器的激光线宽。

【技术特征摘要】
1.一种激光线宽测量方法，其特征在于，包括 将第一激光器输出的第一激光与第二激光器输出的第二激光进行合束，所述第一激光与所述第二激光频率不同且相位不相关； 探测接收合束后的拍频信号fb，所述拍频信号fb为第一激光与第二激光通过合束混频后的差频信号； 将所述拍频信号fb分为第一路拍频信号与第二路拍频信号； 将第一路拍频信号fb与频率为fo的理想信号混频，得到第一拍频信号与所述理想信号的差频/[目号； 通过可控带宽跟随振荡器，产生差频信号I在跟随振荡器的设定跟随带宽下的跟随信号ft = fb-f0 ; 将第二路拍频信号与跟随信号ft混频，输出拍频信号与跟随信号ft的差频信号fo ; 对差频信号fo进行分析，获取第一激光器和/或第二激光器的激光线宽。2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，将第一路混频信号fb与频率为&的理想信号混频，得到第一拍频信号与所述理想信号的差频信号包括 通过第一混频器对第一路混频信号fb与频率为&的理想信号进行混频，得到第一混频信号 fb、fQ、fb+fQ 与 |fb-fQl ； 通过第一滤波器滤除第一混频信号中的fb、fo与fb+fo，得到差频信号I fb-foU3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，将第二路拍频信号与跟随信号ft混频，输出拍频信号与跟随信号ft的差频信号fo包括 将第二路拍频信号与跟随信号&进行混频，得到第二混频信号fb、fo> 2fb-f0与fb-fo ； 通过第二滤波器滤除第二混频信号中的fb、2fb-f0与Ifb-L|，得到差频信号4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，对差频信号&进行检测，获取第一激光器和/或第二激光器的激光线宽包括 对差频信号&进行分析，获取拍频信号fb的线宽； 根据第一激光器与第二激光器激光线宽之间关系，获取第一激光器和/或第二激光器的激光线宽。5.—种激光线宽测量设备,其特征在于,包括第一激光器、第二激光器、合束装置、探测器、功分器、第一混频器、可控带宽跟随振荡器、第二混频器与信号分析装置，第一激光器输出的第一激光与第二激光器输出的第二激光频率不同且相位不相关； 所述合束装置，用于对第一激光与第二激光进行合束； 所述探测器，用于探测接收合束后的拍频信号fb，所述拍频信号fb为第一激光与第二激光通过合束混频后的差频信号； 所述功分器，用于将所述拍频信号fb分为第...

【专利技术属性】
技术研发人员：臧二军，赵阳，曹建平，李烨，方占军，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：