專利名稱：：基于光纖延時(shí)自外差法的測(cè)量窄線寬激光器線寬裝置及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種測(cè)量窄線寬激光器線寬的方法，更特別地說，是指一種基于光纖延時(shí)自外差法的原理，釆用較短光纖延時(shí)線，達(dá)到精確測(cè)量線寬的目的，釆用該方法可以有效降低光纖延時(shí)線長度，成本、體積得到降低，而基本不影響原有精度。
背景技術(shù)：
：?jiǎn)晤l激光器是近年來激光器的發(fā)展方向之一，它主要應(yīng)用于光雷達(dá)、光通信、引力波測(cè)量、高分辨率光譜測(cè)量以及量子光學(xué)中壓縮態(tài)研究等許多領(lǐng)域。普通光源發(fā)光，是大量獨(dú)立振子的自發(fā)輻射。每個(gè)振子發(fā)出的光波是由持續(xù)一段時(shí)間Ar或在空間占有長度cA^的波列組成，對(duì)波列進(jìn)行頻譜分析，就得到它的光源頻帶寬度Avs)^，相干時(shí)間、與光源頻帶寬度^的關(guān)系為、="=)^。光源的單色性越好，相干時(shí)間越長。因此，精確測(cè)量這些激光器的線寬對(duì)于評(píng)價(jià)單頻激光器的性能顯得非常重要。通常對(duì)窄線寬激光器，采用的方法有F-P干涉儀法和外差法。但是目前公布的窄線寬激光器參數(shù)，線寬已小于KHz量級(jí)，測(cè)量如此窄的線寬，F(xiàn)abay—perot干涉儀分辨率顯得不夠。外差法是測(cè)量很窄線寬較理想的方法，可以得到比較滿意的分辨率。同時(shí)為了保證信號(hào)光和本振光之間的頻率差相對(duì)固定，取消差頻跟蹤模塊。1986年，L.E.Rechter采用聲光調(diào)制器(AOM)移頻然后做延時(shí)自外差，避開了低頻干擾，得到了很好的測(cè)量結(jié)果。然而根據(jù)L.E.Rechter的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于目前大量使用的kHz量級(jí)線寬的激光器而言，需要用到上百公里長的光纖延時(shí)線才能滿足測(cè)量精度要求。這就使整個(gè)方案體積龐大、使用不便且成本較高。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種基于光纖延時(shí)自外差法的測(cè)量窄線寬激光器線寬方法，該窄線寬激光器的線寬測(cè)量方法是基于光纖延時(shí)自外差法的原理，通過對(duì)外差后的光電流信號(hào)采用頻譜分析儀測(cè)量出該信號(hào)的3dB譜寬；然后，對(duì)3dB譜寬進(jìn)行光纖延時(shí)線長度誤差修正，以消除因光纖延時(shí)線長度不足導(dǎo)致的測(cè)量誤差，從而得到精度高的窄線寬激光器的線寬測(cè)量值。本發(fā)明的一種基于光纖延時(shí)自外差法的測(cè)量窄線寬激光器線寬裝置，被測(cè)激光器輸出光信號(hào)給第一耦合器，第一耦合器將接收的光信號(hào)分成A路光、B路光，其中A路光經(jīng)一段光纖延時(shí)線后進(jìn)入第二耦合器，B路光經(jīng)聲光調(diào)制器后進(jìn)入第二耦合器，A路光、B路光在第二耦合器中合光后輸出到光電探測(cè)器，光電探測(cè)器對(duì)接收的光信號(hào)經(jīng)混頻后輸出光電流外差信號(hào)給頻譜分析儀。在線寬測(cè)量上利用移頻延時(shí)自外差法原理建立激光器線寬與光電流外差信號(hào)譜寬A/的仿真模型，以及利用三階比例函數(shù)模型擬合獲得激光器線寬Au與光電流外差信號(hào)譜寬A/的函數(shù)關(guān)系，本發(fā)明提出了采用短光纖延時(shí)自外差法，可以在延時(shí)光纖長度遠(yuǎn)小于6倍的激光器相干長度時(shí)，消除延時(shí)自外差法因?yàn)檠訒r(shí)時(shí)間不夠?qū)е聹y(cè)量精度的大幅度下降這一缺陷，為工程上實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量窄線寬激光器線寬提供了行之有效的方法。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1)以較短的光纖延時(shí)線(15003500w)實(shí)現(xiàn)對(duì)窄線寬激光器線寬的高精度測(cè)試；(2)釆用本發(fā)明的光纖延時(shí)線長度誤差修正方法可以有效地降低延時(shí)自外差法的線寬測(cè)量裝置的體積、成本。圖1是本發(fā)明測(cè)量窄線寬激光器線寬裝置的示意圖。圖2A是激光器線寬為50kHz，中心波長為1549.9nm時(shí)測(cè)得的頻譜圖。圖2A是激光器線寬為17kHz，中心波長為1549.9nm時(shí)測(cè)得的頻譜圖。圖3A是圖2A中的條件代入本發(fā)明仿真模型后的頻譜圖。圖3B是圖2B中的條件代入本發(fā)明仿真模型后的頻譜圖。圖4是光纖延時(shí)線長為2500m時(shí)對(duì)應(yīng)的功率譜密度曲線。圖5是光纖延時(shí)線長為2500m與對(duì)應(yīng)線寬擬合曲線。具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。請(qǐng)參見圖1所示，本發(fā)明是基于光纖延時(shí)自外差法的測(cè)量窄線寬激光器線寬裝置，被測(cè)激光器輸出光信號(hào)給第一耦合器，第一耦合器將接收的光信號(hào)分成A、B兩路光，其中A路光經(jīng)一段光纖延時(shí)線后進(jìn)入第二耦合器，B路光經(jīng)聲光調(diào)制器(AOM)后進(jìn)入第二耦合器，A、B兩路光在第二耦合器中合光后輸出到探測(cè)器，光電探測(cè)器對(duì)接收的光信號(hào)經(jīng)混頻后輸出光電流外差信號(hào)給頻譜分析儀，由頻譜分析儀輸出激光器的線寬。在本發(fā)明中，當(dāng)光纖延時(shí)時(shí)間^遠(yuǎn)大于相干時(shí)間r,(rrf〉〉、)時(shí)，光電探測(cè)器中光電流的頻譜才能精確反映被測(cè)激光器的線寬。本發(fā)明是一種基于光纖延時(shí)自外差法原理的測(cè)量窄線寬激光器線寬的新方法，有下列線寬測(cè)量步驟第一步設(shè)定光纖延時(shí)線的長度Z,所述光纖延時(shí)線長度Z為15003500m;第二步根據(jù)移頻延時(shí)自外差法原理建立激光器線寬Au與光電流外差信號(hào)譜寬A/的仿真模型，然后分別選取激光器線寬的有效范圍F，并在有效范圍F內(nèi)確定"個(gè)頻率點(diǎn)，然后獲得"個(gè)頻率點(diǎn)的步進(jìn)頻率AF，且AF-F/";所述仿真模型為Ww，~)=!+卜±Q)2^"[1—6~"'，式+會(huì)尸027^—±。)中，SOy,、)表示光電探測(cè)器在自變量角速度w和光纖延時(shí)時(shí)間^下的光電流功率譜密度，P。表示光電流信號(hào)的幅度，^表示相干時(shí)間，Q表示聲光移頻器頻移量，^y士Q)表示脈沖函數(shù)；第三步根據(jù)第二步獲取的頻率點(diǎn)采用三階比例函數(shù)模型進(jìn)行擬合，得到在擬合光纖長度丄。條件下的、激光器線寬Au與光電流外差信號(hào)譜寬A/的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系；第四步將當(dāng)前時(shí)刻"頻譜分析儀輸出的、在光纖延時(shí)線長度丄條件下的、光電流外差信號(hào)的實(shí)測(cè)譜寬△/代入第三步的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系中，解析得到被測(cè)激光器線寬在本發(fā)明中，仿真1I塊依據(jù)移頻延時(shí)自外差法原理建立。外差探測(cè)所用的探測(cè)器，只要光譜響應(yīng)和頻率響應(yīng)合適，原則上和直接探測(cè)所用的光電探測(cè)器相同。假定同方向到達(dá)且同偏振方向的信號(hào)光束和本機(jī)振蕩光束的電場(chǎng)分別為s,五'.cos(A.,+p,)(1)W)=^cos(W+%)(2)式中，^W表示信號(hào)光在自變量時(shí)間^的電場(chǎng)，A表示信號(hào)光的電場(chǎng)幅度，《,表示信號(hào)光角速度，P,表示信號(hào)光相位，^(/)表示本振光在自變量f的電場(chǎng)，^表示本振光的電場(chǎng)幅度，A表示本振光角速度，A表示本振光相位。由光電探測(cè)器平方律特性，其輸出光電流為z=，s(0+^(OJ(3)式中，/表示光電探測(cè)器輸出的光電流，"表示光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)c這個(gè)光電流經(jīng)過有限帶寬的中頻放大器，直流項(xiàng)被濾除，最后只剩下中頻交流分量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(4)式中，^表示中頻交流分量，A,表示中頻交流信號(hào)的角速度。由于激光的相干性問題，單模激光可以認(rèn)為是一個(gè)有相位擾動(dòng)振幅穩(wěn)定的準(zhǔn)單色電磁場(chǎng)。故式(4)可表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(5)式中，P,(O表示信號(hào)光對(duì)自變量時(shí)間Z的隨機(jī)波動(dòng)，A(0表示本振光對(duì)自變量時(shí)間^的隨機(jī)波動(dòng)，信號(hào)光的隨機(jī)波動(dòng)伊,W與本振光的隨機(jī)波動(dòng)A(O導(dǎo)致了譜線展寬。在本發(fā)明中，取^=化+0，Q表示聲光調(diào)制器的頻移量，光纖環(huán)延時(shí)為^時(shí)，則經(jīng)隔直輸入頻譜分析儀的信號(hào)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(6)式中，W)表示頻譜分析儀接收的電流信號(hào)，尸。表示光電流信號(hào)的幅度。測(cè)量裝置穩(wěn)定工作后，光電探測(cè)器輸出的光電流相位波動(dòng)可看作為高斯平穩(wěn)隨機(jī)過程。O的隨機(jī)波動(dòng)將轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度噪聲，反映為光電流的頻譜展寬，為了將光電流的頻譜與激光器的線寬相聯(lián)系，則有光電流自相關(guān)函數(shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(7)根據(jù)根據(jù)Wiener-Khintchine定律，可以由光電流自相關(guān)函數(shù)直接得到光電流功率譜密度為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(8)式中，S(w,r,)表示光電探測(cè)器在自變量角速度w和光纖延時(shí)時(shí)間r,下的光電流功率譜密度，5("±^)表示脈沖函數(shù)。當(dāng)^》^時(shí)，式(8)可展開簡(jiǎn)化并用頻率表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(9)式中，A/表示光電流外差信號(hào)譜寬，/表示光電流信號(hào)頻率，/。表示光電流信號(hào)中心頻率。激光器均勻加寬線型函數(shù)為,、—Au/2;r_At>)=(u-u。)2+(Au/2)2=呵一2+(H。)2](10)式中，g(",u。)表示激光器均勻加寬線型函數(shù)，"表示光信號(hào)頻率，u。表示光信號(hào)中心頻率，Au表示激光器的線寬。對(duì)比式(9)和式(10)，可以看出在^》、情況下，光電流的頻譜譜寬可以表征光譜的線寬，且為線寬的2倍。以上分析，推導(dǎo)了移頻延時(shí)自外差法測(cè)量激光器線寬的基本原理，并釆用仿真模型，編寫了仿真程序。借助此分析結(jié)果，通過對(duì)兩臺(tái)已知線寬的窄線寬激光器的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，首次提出了短光纖延時(shí)自外差法，采用該方法可以在延時(shí)光纖長度遠(yuǎn)小于6倍的激光器相干長度時(shí)，消除延時(shí)自外差法因?yàn)檠訒r(shí)時(shí)間不夠?qū)е聹y(cè)量精度的大幅度下降這一缺陷。為工程上實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量窄線寬激光器線寬提供了行之有效的方法。延時(shí)自外差法仿真及實(shí)驗(yàn)對(duì)比擬合光纖長度丄。選取2500w,且為單模光纖，延時(shí)時(shí)間、=125//"第一耦合器和第二耦合器為1X2型，分光比為l:l;AOM為上移頻55M的聲光移頻器；探測(cè)器為跨阻40A的PINFET。整個(gè)試驗(yàn)裝置放在一個(gè)箱子里，降低外界溫度和聲音的影響。激光器源采用兩個(gè)單頻光纖激光器做對(duì)比測(cè)試，A線寬為;B線寬為17A，中心波長均為1549.9"m。釆用上述測(cè)量裝置，測(cè)得頻譜圖如圖2A和圖2B。將試驗(yàn)參數(shù)代入仿真程序，得到仿真結(jié)果如圖3A和圖3B，兩組結(jié)果基本吻合。根據(jù)上面移頻延時(shí)自外差法理論分析，圖2A和圖2B中的實(shí)測(cè)不能精確反映激光器的線寬，以B線寬而言，光纖延時(shí)長度需達(dá)到71b，才能得到比較精確的線寬數(shù)值。而以現(xiàn)在報(bào)道的線寬已突破1^^的激光器而言，光纖延時(shí)長度將會(huì)達(dá)到驚人的1200h以上，這顯然會(huì)使整個(gè)測(cè)量方案很難得以實(shí)現(xiàn)。因此，如何以較短的光纖達(dá)到長光纖的測(cè)量結(jié)果顯得非常重要。實(shí)施例1假設(shè)被測(cè)激光器線寬為10Mfe，則相干時(shí)間、=100/^;采用2500m延時(shí)線，^=121.5/^，iV-^/^-0.823。將三個(gè)參數(shù)代入仿真程序，結(jié)果如圖4所示，實(shí)即為#=0.823時(shí)的功率曲線，線寬為25.5^/z;"*"線即為采用均勻加寬線型函數(shù)求解出的功率譜曲線，線寬為10.001^fe。兩個(gè)結(jié)果反映了光纖延時(shí)線延時(shí)時(shí)間不足夠大時(shí)，線寬比實(shí)際線寬寬了2.5倍多，只能大致反映線寬的量級(jí)，精度誤差太大。按上述方法，選取光纖延時(shí)線長度為2500m，分別選取激光器線寬范圍從2Wfe到6(U/fe，步進(jìn)為2^fe的30個(gè)頻率點(diǎn)，換算出相應(yīng)參數(shù)，代入仿真程序，得到如表1所示結(jié)果。表l2500m延時(shí)線仿真頻譜寬與激光線寬對(duì)照(單位^fe)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>對(duì)表1的結(jié)果擬合做圖，如圖5所示。實(shí)線為擬合曲線，菱形點(diǎn)為表1中數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過對(duì)polynomial、Gaussian、power、rational四禾中常見禾莫型進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)采用三階擬合即可達(dá)到較好的效果，在此基礎(chǔ)上對(duì)四種模型的三階擬合做了對(duì)比(power除外，只能到二階)，結(jié)果如表2所示。選取以下三個(gè)統(tǒng)計(jì)量評(píng)價(jià)參數(shù)模型的擬合優(yōu)度，誤差平方和(SSE)、R的平方和(R—square)、均方誤差的根(RMSE)。從表2可以看出，rational模型的擬合效果最好，精度最高，其它三種結(jié)果相差不大。從算法的實(shí)現(xiàn)角度而言，polynomial模型最簡(jiǎn)。因此可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取。本文選取三階rational進(jìn)行參數(shù)擬合，可得測(cè)量線寬與實(shí)際線寬的擬合對(duì)應(yīng)函數(shù)為△u=(0.002321A/3+0.5066A/2+23.2A/-822.4)/(△/—11.62)(11)表2四種數(shù)學(xué)模型三階擬合優(yōu)度對(duì)比<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>例如用2500w測(cè)量得到的3d5譜寬為256/fe，則可推算出實(shí)際線寬為8.2156^fe，用6倍相干長度光纖延時(shí)仿真得到的數(shù)據(jù)為8.324Wfe，兩者誤差108他，誤差比率僅為1.2%。應(yīng)該注意的是，對(duì)應(yīng)所選取的光纖延時(shí)線長度，該方法有測(cè)量的極限，以式(11)為例，3必譜寬小于22.324Mfe，擬合值小于零，通過求解比例多項(xiàng)式，得到近零點(diǎn)為22.39^/z，即當(dāng)譜寬小于此值，已無法準(zhǔn)確推導(dǎo)出實(shí)際線寬。本發(fā)明中引用符合的物理意義為:<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權(quán)利要求1、一種基于光纖延時(shí)自外差法的測(cè)量窄線寬激光器線寬裝置，其特征在于被測(cè)激光器輸出光信號(hào)給第一耦合器，第一耦合器將接收的光信號(hào)分成A路光、B路光，其中A路光經(jīng)一段光纖延時(shí)線后進(jìn)入第二耦合器，B路光經(jīng)聲光調(diào)制器后進(jìn)入第二耦合器，A路光、B路光在第二耦合器中合光后輸出到光電探測(cè)器，光電探測(cè)器對(duì)接收的光信號(hào)經(jīng)混頻后輸出光電流外差信號(hào)給頻譜分析儀。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量窄線寬激光器線寬裝置，其特征在于光纖延時(shí)線白勺長度L為15003500m。3、應(yīng)用權(quán)利要求1所述的測(cè)量窄線寬激光器線寬裝置進(jìn)行的線寬測(cè)量，其特征在于線寬測(cè)量包括有下列步驟第一步設(shè)定光纖延時(shí)線的長度L；第二步根據(jù)移頻延時(shí)自外差法原理建立激光器線寬△u與光電流外差信號(hào)譜寬△f的仿真模型，然后分別選取激光器線寬的有效范圍F，并在有效范圍F內(nèi)確定n個(gè)頻率點(diǎn)，然后獲得n個(gè)頻率點(diǎn)的步進(jìn)頻率△F，且△F=F/n;所述仿真模型為<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中，S(ω,td)表示光電探測(cè)器在自變量角速度ω和光纖延時(shí)時(shí)間td下的光電流功率譜密度，P0表示光電流信號(hào)的幅度，tc表示相干時(shí)間，Ω表示聲光移頻器頻移量，δ(ω+/-Ω)表示脈沖函數(shù)；第三步根據(jù)第二步獲取的頻率點(diǎn)采用三階比例函數(shù)模型進(jìn)行擬合，得到在擬合光纖長度L0條件下的、激光器線寬△v與光電流外差信號(hào)譜寬△f的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，記為△v=(0.00232△f3+0.5066△f2+23.2△f-822.4)/(△f-11.62);所述擬合光纖長度L0為2500米；第四步將當(dāng)前時(shí)刻頻譜分析儀輸出的、在光纖延時(shí)線長度Z條件下的、光電流外差信號(hào)的實(shí)測(cè)譜寬△fn代入第三步的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系中，解析得到被測(cè)激光器線寬△vn.全文摘要本發(fā)明公開了一種基于光纖延時(shí)自外差法的測(cè)量窄線寬激光器線寬裝置及其線寬測(cè)量方法，硬件裝置上通過在第一、第二耦合器之間連接一光纖延時(shí)線、以及在第一、第二耦合器之間連接一聲光調(diào)制器，被測(cè)激光器連接在第一耦合器的輸入端上，光電探測(cè)器連接在第二耦合器的輸出端上，光電探測(cè)器與頻譜分析儀連接。在線寬測(cè)量上利用移頻延時(shí)自外差法原理建立激光器線寬Δυ與光電流外差信號(hào)譜寬Δf的仿真模型，以及利用三階比例函數(shù)模型擬合獲得激光器線寬Δυ與光電流外差信號(hào)譜寬Δf的函數(shù)關(guān)系，本發(fā)明提出了采用短光纖延時(shí)自外差法，可以在延時(shí)光纖長度遠(yuǎn)小于6倍的激光器相干長度時(shí)，消除延時(shí)自外差法因?yàn)檠訒r(shí)時(shí)間不夠?qū)е聹y(cè)量精度的大幅度下降這一缺陷，為工程上實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量窄線寬激光器線寬提供了行之有效的方法。文檔編號(hào)G01B11/02GK101201243SQ20071017838公開日2008年6月18日申請(qǐng)日期2007年11月29日優(yōu)先權(quán)日2007年11月29日發(fā)明者迪馮,張春熹,彬曹,攀歐,胡姝玲,賈豫東申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)