CN104897376A - 一种激光器线宽测量方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器线宽测量方法及***，方法包括步骤：S1、将待测激光光束进行聚焦，测量焦平面上的光斑大小值为ω₀，获得待测激光光束的初始发散角f为焦距；S2、将所述待测激光束进行光栅衍射得到-1级衍射光，将所述-1级衍射光聚焦后，测量焦平面上的光斑大小值为ω'，获得光栅衍射后待测激光光束的发散角θ'，S3、计算所述待测激光光束的线宽Δλ＝Δθ·d·cosθ，其中，d为光栅常数，θ为光栅衍射角，所述光栅衍射后待测激光光束的发散角的增大量Δθ＝θ'-θ₀。本发明还提供了实现上述方法的***，***包括沿激光器出射光路依次放置的衍射光栅、聚焦装置、和光斑测量装置。相比于现有技术，本发明***结构简单，方法易于实现，尤其适用于窄线宽激光器线宽的测量。

Description

一种激光器线宽测量方法及***

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种激光器线宽测量方法及***。

背景技术

光纤激光器具有转换效率高、结构紧凑、光束质量优良等特点，在工业、国防等领域具有广泛的应用前景。随着大模场双包层光纤和高亮度泵浦源技术的发展，光纤激光器的输出功率迅速提高。为了获得更高的激光输出功率，提出了合成技术，即将多路激光合成一路输出，例如相干合成、光谱合成，而窄线宽激光器是这些高功率激光合成***的前提。另外，窄线宽激光器在光纤通信网络、光纤传感、高精度光谱等领域具有重要的应用。

窄线宽激光器通常是指线宽小于0.1nm的激光器。对于窄线宽激光器，其输出谱线的线宽是衡量激光器性能的重要指标。传统的激光器，一般采用光谱仪进行谱线分析，其波长扫描范围宽，动态范围大，但是目前光频谱分析仪的分辨率最高为0.02nm，已无法准确测量GHZ线宽的谱线，更不可能测量线宽为兆赫兹、千赫兹的窄线宽激光器。

针对窄线宽激光器线宽的测量，目前主要是基于光外差法。光外差法的基本原理是两束波长相近的光波耦合到光探测器中混频，从而产生中频电信号，频率由两束光的波长差决定，通过对自相关函数进行傅里叶变换即可得到光电流的谱密度。光外差法分为双光束外差法和延时自外差法。双光束外差法由于需要两个激光器，并且对激光器的频率、幅度等稳定性有十分苛刻的要求，实验***复杂，所以目前通常采用的是延时自外差法。延时自外差法包括了延时零拍自外差法和延时非零拍自外差法。延时自外差法的基本原理是将一路入射光分为两路，将其中一路光延时后，使两路光相拍，经光电转换，得到相拍后的光电流谱线，从而确定出激光器的线宽。延时零拍自外差法的***工作在零拍状态，***光路简单，但是较容易引入由于周围环境引起的变动，使得整个***对环境要求比较高。因此，发展出了延时非零拍自外差法。延时非零拍外差法是通过调制光源或光路，使信号光和参考光产生一定的频率差，发生干涉后产生的拍频位于非零频的中频附近，避免了周围环境对***带来的低频干扰，但是导致***比较复杂，对实验精确性和成本的要求都很高。

近年来，又提出一种利用非平衡光纤干涉仪相位噪声测量并计算线宽的方法，通过分析短程差非平衡干涉仪相位噪声与窄线宽激光器的光频噪声的关系，得到了激光器的光波功率频谱和线宽。另外，还提出了使用布里渊光纤环形激光器产生的二阶斯托克斯光作为参考光测量超窄线宽的新方法。该方法测量精度高，但是最大的限制是不能测量线宽较宽的激光器，而且要获得二阶斯托克斯光需要较大的注入功率，对于低功率的激光器无法实现测试。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种激光器线宽测量方法及***，相比于现有技术，***结构简单，方法易于实现，尤其适用于窄线宽激光器线宽的测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种激光器线宽测量方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将待测激光光束进行聚焦，测量焦平面上的光斑大小值为ω₀，获得待测激光光束的初始发散角f为焦距；

S2、将所述待测激光束进行光栅衍射得到-1级衍射光，将所述-1级衍射光聚焦后，测量焦平面上的光斑大小值为ω'，获得光栅衍射后待测激光光束的发散角θ'，

S3、计算所述待测测激光光束的线宽Δλ＝Δθ·d·cosθ，其中，d为光栅常数，θ为光栅衍射角，所述光栅衍射后待测激光光束的发散角的增大量Δθ＝θ'-θ₀。

相应的，本发明还提供一种用于实现激光器线宽测量方法的***，所述***包括沿激光器出射光路依次放置的衍射光栅、聚焦装置、和光斑测量装置，所述聚焦装置用于聚焦激光光束，所述光斑测量装置用于测量焦平面上的光斑大小。

因此，本发明可以获得以下的有益效果：本发明方法利用光栅的衍射原理，具有一定的谱宽度的光束，通过衍射光栅色散后，光束的发散角会增大，通过测量由色散引起的发散角的增大量，从而获得窄线宽激光器的线宽，解决了窄线宽激光器线宽测量的问题，与传统的光外差法测量线宽的技术相比，本发明方法及***结构简单、易于实现，为工程上实现精确测量窄线宽激光器的线宽提供了行之有效的方法。

附图说明

图1为本发明激光器线宽测量方法流程示意图；

图2为本发明激光器线宽测量***结构示意图；

图3为本发明一个实施例中激光器线宽测量***结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供一种激光器线宽测量方法，方法包括以下步骤：

S1、测量被测光束的初始发散角。将被测光束通过焦距为f的透镜聚焦后，采用光斑尺寸测量装置测量焦平面上的光斑大小，测量的光斑大小值为ω₀，则光束的初始发散角为

S2、测量被测光束通过衍射光栅后的发散角。光栅优选采用闪耀光栅，激光束以一定的角度入射到光栅，测量-1级衍射光的发散角。将-1级衍射光通过焦距为f的透镜聚焦后，采用光斑尺寸测量装置测量焦平面上的光斑大小，测量的光斑大小值为ω'，则衍射后光束的发散角为

S3、计算光束通过光栅衍射后光束发散角的增大量。由于光束具有一定的谱宽度，通过衍射光栅色散后，光束的发散角会增大，即由色散引起的发散角的增大量为Δθ＝θ'-θ₀；

S4、计算光束的线宽。光栅的衍射方程为对波长取微分则有其中为入射角，θ为衍射角，d为光栅常数。通过上述测量得到的Δθ，可以计算得出光束的线宽为Δλ＝Δθ·d·cosθ。

图2为本发明窄线宽激光器线宽测量装置结构示意图，装置包括沿待测激光激光器1出射光路方向依次放置的衍射光栅4、聚焦装置2和光斑测量装置3，所述聚焦装置2用于聚焦激光光束，所述光斑测量装置3用于测量焦平面上的光斑大小。

第一步，测量被测光束的初始发散角。如图3所示，沿待测激光激光器1出射光路方向依次放置有聚焦装置2和光斑测量装置3。将被测激光器1的光束通过焦距为f的聚焦装置2聚焦后，采用光斑测量装置3测量焦平面上的光斑大小，测量得到的光斑大小值为ω₀，则光束的初始发散角为

第二步，测量被测光束通过衍射光栅后的发散角。如图2所示，将待测激光器1的激光光束以一定的角度入射到衍射光栅4，测量-1级衍射光的发散角，将-1级衍射光通过焦距为f的聚焦装置2聚焦后，采用光斑测量装置3测量焦平面上的光斑大小，测量得到的光斑大小值为ω'，则衍射后光束的发散角为

第三步，计算光束通过光栅衍射后光束发散角的增大量。由于待测激光器1的光束具有一定的谱宽度，通过衍射光栅4色散后，光束的发散角会增大，即由光栅色散引起的发散角的增大量为Δθ＝θ'-θ₀。

第四步，计算光束的线宽。光栅的衍射方程为对波长取微分则有其中为入射角，θ为衍射角，d为光栅常数，m为衍射级次，λ为激光束的中心波长。通过上述测量得到的Δθ，可以计算得出待测激光器1的光束线宽为Δλ＝Δθ·dcosθ。

本发明装置中，聚焦装置2通常为聚焦透镜。根据激光器线宽的范围，其焦距的可选择范围为200mm～3000mm。

光斑测量装置3可选用任意能测量激光光束光斑直径的高精度仪器，包括CCD、M²-200、光束轮廓分析仪、焦点分析仪等。

衍射光栅4可选用透射式光栅或反射式光栅。为提高光束的衍射效率，本发明优选为闪耀光栅，并且为了提高测量精度，光栅刻线数尽可能的大。

以下结合一个具体实施例对本发明方案作进一步说明。

本实施例中，待测激光器选用光纤耦合输出的半导体激光器，波长为1056nm；所采用的聚焦装置为焦距为294mm的透镜；光斑测量装置采用CCD设备，每个像元的大小为4.4μm×4.4μm；光栅为反射式闪耀光栅，尺寸为50mm×50mm，光栅刻线数为1740l/mm。

采用图3所示的结构测量激光束的初始发散角。将CCD设备置于透镜的焦平面处，测量5组光斑直径ω₀的值，测量结果为ω₀＝119μm、122μm、118μm、118μm、118μm。取平均，则ω₀＝119μm。计算初始发散角：

采用图2所示的结构测量激光束经衍射光栅色散后的发射角。待测激光束以74°的入射角入射到衍射光栅，-1级的衍射角为61°，测量衍射光束的发散角。将CCD设备置于透镜的焦平面处，测量焦平面处光斑直径ω'的值，测量结果为ω′＝152μm、162μm、163μm、157μm、159μm。取平均，则ω'＝158μm。计算激光束经衍射光栅色散后的发射角：

经过光栅衍射后，发散角增大Δθ＝θ'-θ₀＝0.14×10^-3。

则激光器的线宽为Δλ＝Δθ·d·cosθ＝0.039nm。

由于高精度光谱仪分辨率存在限制，测得该激光器的线宽为0.14nm，而采用本发明方法，线宽的测量精度提高了一个数量级。在本实施例***中，线宽的测量精度为4pm，如果采用焦距更长的透镜，则测量精度进一步提高，因此，采用本发明方法可以精确测量窄线宽激光器的线宽。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种激光器线宽测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、将待测激光光束进行聚焦，测量焦平面上的光斑大小值为ω₀，获得待测激光光束的初始发散角f为焦距；

S2、将所述待测激光束进行光栅衍射得到-1级衍射光，将所述-1级衍射光聚焦后，测量焦平面上的光斑大小值为ω'，获得光栅衍射后待测激光光束的发散角θ'，

S3、计算所述待测测激光光束的线宽Δλ＝Δθ·d·cosθ，其中，d为光栅常数，θ为光栅衍射角，所述光栅衍射后待测激光光束的发散角的增大量Δθ＝θ'-θ₀。

2.一种用于实现如权利要求1所述激光器线宽测量方法的***，其特征在于，所述***包括沿激光器出射光路依次放置的衍射光栅、聚焦装置、和光斑测量装置，所述聚焦装置用于聚焦激光光束，所述光斑测量装置用于测量焦平面上的光斑大小。