CN107024285A - 一种全光纤激光频率测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种全光纤激光频率测量装置及方法，属于飞秒激光精密测量领域。装置包括待测激光器、光纤飞秒激光频率梳、微波原子钟、光纤分束器、光纤合束器、光纤环路器、可调谐光纤光栅、光纤输入式雪崩光电探测器、光纤输入式波长计、频率计数器。方法实施步骤为：待测激光与频率梳激光经过光纤传输，在光纤合束器上拍频，调谐光纤光栅，选取出产生拍频的频段，通过光纤环路器进入光纤输入式雪崩光电探测器上获得拍频频率；利用重复频率、载波包络偏移频率、拍频频率和波长计粗测频率，获得待测激光频率精确值。本发明能够避免空间光路调节、提高信噪比、易于集成，无需反复更换元件和调整光路，还具有结构简单、操作方便、测量范围宽等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种全光纤激光频率测量装置及方法，属于飞秒激光精密测量技术领域。
背景技术
激光频率测量是计量学领域的一个重要前沿课题。激光频率的测量可以为许多物理测量提供时频基准，原子分子物理、天文光谱学等研究领域都需要对激光频率进行极高精度的测量。激光频率的精确测量还有助于新一代光学原子钟的发展，获得更精确的计时，可以极大提高全球导航定位***的性能。另外，激光频率和激光波长直接相关，通过对激光频率的测量可以将相应几何量溯源至米定义，对几何量测量也具有重要意义。
基于锁模脉冲激光的飞秒激光频率梳在频域上为等间隔分布的梳齿，相邻梳齿的间隔等于脉冲重复频率(frep)，它处于微波频段，因此飞秒激光频率梳可以作为连接微波频率标准与光学频率标准的桥梁。将飞秒激光频率梳的重复频率与载波包络偏移频率(fceo)锁定到微波原子钟的参考频率上，频率梳的每一根梳齿都具有了和原子钟同等的频率稳定度，这样的一台频率梳就相当于成千上万台稳频激光器，形成一把测量频率的尺子。目前，飞秒激光频率梳已经成为激光频率测量最有力的工具。2005年，美国JILA实验室的霍尔教授和德国Max-Planck研究所的亨施教授因在飞秒激光频率梳以及相关精密光谱学方面的贡献获得了当年的诺贝尔物理学奖。
目前，利用飞秒激光频率梳测量激光频率首先要搭建待测激光与飞秒激光频率梳的拍频光路。现有技术的拍频光路主要为全空间光路或部分空间光路，待测激光和频率梳激光的光路准直需要进行反复调节，两者在空间上的完全重合难以实现，影响了拍频信号(fbeat)的信噪比。并且，空间光路元件多，体积较大，难以集成，因而稳定性不高，每次测量均需要重新调节。另外，拍频后的光学滤波器目前主要采用窄带滤光片或者反射光栅，测量的激光波长稍有不同就需要更换滤光片，或者调整反射光栅后的光路重新对准，整个装置的灵活性差、普适性不够，难以调节。
发明内容
为了克服飞秒激光精密测量激光频率技术领域现有技术存在的下述不足：空间光路调节复杂、信噪比差、难以集成、需要反复更换元件和调整光路。本发明公开的一种全光纤激光频率测量装置及方法，要解决的技术问题是提供一种全光纤激光频率测量装置及方法，能够避免空间光路调节、提高信噪比、易于集成，且无需反复更换元件和调整光路。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明公开的一种全光纤激光频率测量装置，包括待测激光器、光纤飞秒激光频率梳、微波原子钟、光纤分束器、光纤输入式波长计、光纤合束器、光纤环路器、可调谐光纤光栅、光纤输入式雪崩光电探测器和频率计数器。
待测激光器、光纤分束器、光纤合束器、光纤环路器、光纤输入式雪崩光电探测器依次通过光纤连接；可调谐光纤光栅通过光纤连接至光纤环路器；光纤输入式波长计通过光纤与光纤分束器连接；光纤飞秒激光频率梳通过光纤与光纤合束器连接；微波原子钟为光纤飞秒激光频率梳的锁定以及频率计数器提供参考信号。
所述装置光学器件全部由光纤连接，连接光纤为单模光纤或保偏光纤。所述装置光学器件由保偏光纤连接时，装置中的光纤分束器、光纤合束器、光纤环路器、可调谐光纤光栅均为相应的保偏类型；所述装置光学器件由单模光纤连接时，光纤链路中额外包括光纤偏振控制器。
所述待测激光器为具有稳频机构的半导体激光器、固体激光器或光纤激光器，待测激光器波长处于所述光纤飞秒激光频率梳的光谱或扩展光谱范围内。
所述可调谐光纤光栅的反射波长通过应变、温度调节或应变和温度组合调节，调谐范围覆盖待测激光的波长。可调谐光纤光栅反射波长的半高宽(FWHM)处于0.008nm～0.5nm范围。可调谐光纤光栅部件可更换，以适应不同波长激光的测量要求。
所述光纤输入式波长计的频率测量分辨力应优于所述光纤飞秒激光频率梳重复频率的一半。
本发明还公开用于一种全光纤激光频率测量装置的一种全光纤激光频率测量方法，实现步骤为：待测激光器发出待测激光经光纤分束器传输至光纤合束器；将重复频率和载波包络偏移频率锁定到微波原子钟的光纤飞秒激光频率梳通过光纤传输至光纤合束器；待测激光与锁定到微波原子钟的光纤飞秒激光频率梳在光纤合束器上拍频，经光纤环路器传输进入可调谐光纤光栅，调谐可调谐光纤光栅，选取出产生拍频的频段，经可调谐光纤光栅反射后从光纤环路器输出，由光纤输入式雪崩光电探测器和频率计数器记录下拍频频率fbeat；同时，待测激光经光纤分束器分出一路，利用光纤输入式波长计(5)粗测出待测激光频率值；利用重复频率frep、载波包络偏移频率fceo、拍频频率fbeat和波长计粗测频率计算出待测激光的绝对频率flaser。
所述的计算待测激光频率的公式为flaser＝n×frep±fceo±fbeat；式中的n为与待测激光频率最接近的光梳齿序数，可以通过波长计粗测频率和frep计算得出；式中两个加减号的判断通过如下顺序和方式进行：微调frep使其略微增大的同时观察频率计数器，若fbeat减小，则fbeat项前为加号，若fbeat增大，则fbeat项前为减号；微调fceo使其增大的同时观察频率计数器，若fbeat减小，则fceo项前符号与fbeat相同，若fbeat增大，则fceo项前符号与fbeat相反。
有益效果：
1)装置采用全光纤结构，能够避免空间光路复杂的光束准直调节工作，使操作大大简化；
2)待测激光与光纤飞秒激光频率梳可直接获得完美的重合，大幅提高拍频信号的信噪比；
3)全光纤结构体积小巧，易于集成，装置稳定性更高；
4)采用可调谐光纤光栅作为光学滤波器件，调谐范围内的激光频率均可通过同一台装置直接测量，无需反复更换元件和调整光路，装置灵活性、普适性更高，能够提高测量效率。
附图说明
图1是保偏光纤连接的全光纤激光频率测量装置的结构示意图；
图2是单模光纤连接的全光纤激光频率测量装置的机构示意图；
图中的标记分别表示：1—待测激光器，2—光纤飞秒激光频率梳，3—微波原子钟，4—光纤分束器，5—光纤输入式波长计，6—光纤合束器，7—光纤环路器，8—可调谐光纤光栅，9—光纤输入式雪崩光电探测器，10—频率计数器，11—光纤偏振控制器。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施例公开的一种全光纤激光频率测量装置，如图1所示，包括：待测激光器1、光纤飞秒激光频率梳2、微波原子钟3、光纤分束器4、光纤输入式波长计5、光纤合束器6、光纤环路器7、可调谐光纤光栅8、光纤输入式雪崩光电探测器9、频率计数器10。
待测激光器1、光纤分束器4、光纤合束器6、光纤环路器7、光纤输入式雪崩光电探测器9依次通过光纤连接；可调谐光纤光栅8通过光纤连接至光纤环路器7；光纤输入式波长计5通过光纤与光纤分束器4连接；光纤飞秒激光频率梳2通过光纤与光纤合束器6连接；微波原子钟3为光纤飞秒激光频率梳2的锁定以及频率计数器10提供参考信号。
上述装置光学器件由保偏光纤连接，装置中的光纤分束器4、光纤合束器6、光纤环路器7、可调谐光纤光栅8均为相应的保偏类型。
上述待测激光器1为乙炔吸收稳频的半导体激光器，波长为1542.4nm。
上述光纤飞秒激光频率梳2的振荡器为基于半导体可饱和吸收镜锁模的掺铒光纤飞秒激光器，重复频率约为132MHz，中心波长为1550nm。振荡器内有一段光纤缠绕在压电陶瓷上，可以通过控制压电陶瓷的伸缩改变腔长，实现重复频率的锁定。振荡器的泵浦电流可以调制，用来锁定载波包络偏移频率。
上述可调谐光纤光栅8的调谐范围为1538nm～1550nm，反射波长可通过应变和温度调谐。反射波长的FWHM为0.05nm。
上述微波原子钟3为氢钟，为光纤飞秒激光频率梳的锁定以及频率计数器提供10MHz参考频率。
上述光纤输入式波长计5的型号为Bristol 721A。
上述频率计数器10的型号为Agilent 53230A。
本实施例公开用于一种全光纤激光频率测量装置的一种全光纤激光频率测量方法，待测激光器1发出待测激光经光纤分束器4传输至光纤合束器6；将重复频率和载波包络偏移频率锁定到微波原子钟3的光纤飞秒激光频率梳2通过光纤传输至光纤合束器6；待测激光与锁定到微波原子钟3的光纤飞秒激光频率梳2在光纤合束器6上拍频，经光纤环路器7传输进入可调谐光纤光栅8，调谐可调谐光纤光栅8，选取出产生拍频的频段，经可调谐光纤光栅8反射后从光纤环路器7输出，由光纤输入式雪崩光电探测器9和频率计数器10记录下拍频频率。同时，待测激光经光纤分束器4分出一路，利用光纤输入式波长计5粗测出待测激光频率值。利用重复频率frep、载波包络偏移频率fceo、拍频频率fbeat和波长计粗测频率计算出待测激光的绝对频率flaser。
本实施例公开的一种全光纤激光频率测量方法，具体实施时应注意优化提高拍频信号的信噪比，一般应使其达到30dB以上。可先将雪崩光电探测器9的输出接到一台频谱仪上观察，缓慢调谐可调谐光纤光栅8直至拍频信号出现，持续优化使信噪比达到最大。调整好后接入频率计数器10精确记录fbeat。
计算待测激光频率的公式为flaser＝n×frep±fceo±fbeat。式中的n为与待测激光频率最接近的光梳齿序数，可以通过波长计粗测频率和frep计算得出。式中两个加减号的判断可通过如下顺序和方式进行：微调frep使其略微增大的同时观察频率计数器，若fbeat减小，则fbeat项前为加号，若fbeat增大，则fbeat项前为减号；微调fceo使其增大的同时观察频率计数器，若fbeat减小，则fceo项前符号与fbeat相同，若fbeat增大，则fceo项前符号与fbeat相反。
实施例2
本实例公开的一种全光纤激光频率测量装置，如图2所示，包括：待测激光器1、光纤飞秒激光频率梳2、微波原子钟3、光纤分束器4、光纤输入式波长计5、光纤合束器6、光纤环路器7、可调谐光纤光栅8、光纤输入式雪崩光电探测器9、频率计数器10、光纤偏振控制器11。
待测激光器1、光纤分束器4、光纤偏振控制器11、光纤合束器6、光纤环路器7、光纤输入式雪崩光电探测器9依次通过光纤连接；可调谐光纤光栅8通过光纤连接至光纤环路器7；光纤输入式波长计5通过光纤与光纤分束器4连接；光纤飞秒激光频率梳2通过光纤与光纤合束器6连接；微波原子钟3为光纤飞秒激光频率梳2的锁定以及频率计数器10提供参考信号。
上述装置光学器件由单模光纤连接。
上述待测激光器1为碘分子吸收稳频固体激光器，波长为1064nm。
上述光纤飞秒激光频率梳2的振荡器为基于非线性偏振旋转锁模的掺镱光纤飞秒激光器，重复频率约为250MHz，中心波长为1030nm，光谱扩展后覆盖1064nm。振荡器内有一块反射镜粘接在压电陶瓷上，可以通过控制压电陶瓷的伸缩改变腔长，实现重复频率的锁定。振荡器的泵浦电流可以调制，用来锁定载波包络偏移频率。
上述可调谐光纤光栅8的调谐范围为1060nm～1070nm，反射波长可通过应变和温度调谐。反射波长的FWHM为0.1nm。
上述微波原子钟3为氢钟，为光纤飞秒激光频率梳的锁定以及频率计数器提供10MHz参考频率。
上述光纤输入式波长计5的型号为Bristol 721A。
上述频率计数器10的型号为Agilent 53230A。
本实施例公开用于一种全光纤激光频率测量装置的一种全光纤激光频率测量方法，待测激光器1发出待测激光经光纤分束器4、光纤偏振控制器11传输至光纤合束器6；将重复频率和载波包络偏移频率锁定到微波原子钟3的光纤飞秒激光频率梳2通过光纤传输至光纤合束器6；待测激光与锁定到微波原子钟3的光纤飞秒激光频率梳2在光纤合束器6上拍频，经光纤环路器7传输进入可调谐光纤光栅8，调谐可调谐光纤光栅8，选取出产生拍频的频段，经可调谐光纤光栅8反射后从光纤环路器7输出，由光纤输入式雪崩光电探测器9和频率计数器10记录下拍频频率。同时，待测激光经光纤分束器4分出一路，利用光纤输入式波长计5粗测出待测激光频率值。利用重复频率frep、载波包络偏移频率fceo、拍频频率fbeat和波长计粗测频率计算出待测激光的绝对频率flaser。
本实施例公开的一种全光纤激光频率测量方法，具体实施时应注意优化提高拍频信号的信噪比，一般应使其达到30dB以上。可先将光纤输入式雪崩光电探测器9的输出接到一台频谱仪上观察，缓慢调谐可调谐光纤光栅8直至拍频信号出现，同时调节光纤偏振控制器11，持续优化使信噪比达到最大。调整好后接入频率计数器10精确记录fbeat。
计算待测激光频率的公式为flaser＝n×frep±fceo±fbeat。式中的n为与待测激光频率最接近的光梳齿序数，可以通过波长计粗测频率和frep计算得出。式中两个加减号的判断可通过如下顺序和方式进行：微调frep使其略微增大的同时观察频率计数器，若fbeat减小，则fbeat项前为加号，若fbeat增大，则fbeat项前为减号；微调fceo使其增大的同时观察频率计数器，若fbeat减小，则fceo项前符号与fbeat相同，若fbeat增大，则fceo项前符号与fbeat相反。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种全光纤激光频率测量装置，其特征在于：包括待测激光器(1)、光纤飞秒激光频率梳(2)、微波原子钟(3)、光纤分束器(4)、光纤输入式波长计(5)、光纤合束器(6)、光纤环路器(7)、可调谐光纤光栅(8)、光纤输入式雪崩光电探测器(9)、频率计数器(10)；
待测激光器(1)、光纤分束器(4)、光纤合束器(6)、光纤环路器(7)、光纤输入式雪崩光电探测器(9)依次通过光纤连接；可调谐光纤光栅(8)通过光纤连接至光纤环路器(7)；光纤输入式波长计(5)通过光纤与光纤分束器(4)连接；光纤飞秒激光频率梳(2)通过光纤与光纤合束器(6)连接；微波原子钟(3)为光纤飞秒激光频率梳(2)的锁定以及频率计数器(10)提供参考信号。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤激光频率测量装置，其特征在于：所述装置光学器件全部由光纤连接，连接光纤为单模光纤或保偏光纤；所述装置由保偏光纤连接时，光纤分束器(4)、光纤合束器(6)、光纤环路器(7)、可调谐光纤光栅(8)均为相应的保偏类型；所述装置由单模光纤连接时，光纤链路中包括光纤偏振控制器(11)。
3.根据权利要求1所述的一种全光纤激光频率测量装置，其特征在于：所述待测激光器(1)为具有稳频机构的半导体激光器、固体激光器或光纤激光器，其波长处于所述光纤飞秒激光频率梳(2)的光谱或扩展光谱范围内。
4.根据权利要求1所述的一种全光纤激光频率测量装置，其特征在于：所述光纤输入式波长计(5)的频率测量分辨力应优于所述光纤飞秒激光频率梳(2)重复频率的一半。
5.根据权利要求1所述的一种全光纤激光频率测量装置，其特征在于：所述可调谐光纤光栅(8)的反射波长通过应变、温度调节或应变和温度组合调节，调谐范围覆盖待测激光的波长；可调谐光纤光栅(8)部件可更换，以适应不同波长激光的测量要求。
6.根据权利要求5所述的一种全光纤激光频率测量装置，其特征在于：所述的反射波长的半高宽(FWHM)处于0.008nm～0.5nm范围。
7.用于权利要求1至6任意一项所述的一种全光纤激光频率测量装置的一种全光纤激光频率测量方法，其特征在于：实现步骤为，待测激光器(1)发出待测激光经光纤分束器(4)传输至光纤合束器(6)；将重复频率和载波包络偏移频率锁定到微波原子钟(3)的光纤飞秒激光频率梳(2)通过光纤传输至光纤合束器(6)；待测激光与锁定到微波原子钟(3)的光纤飞秒激光频率梳(2)在光纤合束器(6)上拍频，经光纤环路器(7)传输进入可调谐光纤光栅(8)，调谐可调谐光纤光栅(8)，选取出产生拍频的频段，经可调谐光纤光栅(8)反射后从光纤环路器(7)输出，由光纤输入式雪崩光电探测器(9)和频率计数器(10)记录下拍频频率fbeat；同时，待测激光经光纤分束器(4)分出一路，利用光纤输入式波长计(5)粗测出待测激光频率值；利用重复频率frep、载波包络偏移频率fceo、拍频频率fbeat和波长计粗测频率计算出待测激光的绝对频率flaser。
8.根据权利要求7所述的一种全光纤激光频率测量方法，其特征在于：利用重复频率frep、载波包络偏移频率fceo、拍频频率fbeat和波长计粗测频率计算出待测激光的绝对频率flaser；
计算待测激光频率的公式为flaser＝n×frep±fceo±fbeat；式中的n为与待测激光频率最接近的光梳齿序数，通过波长计粗测频率和frep计算得出；式中两个加减号的判断通过如下顺序和方式进行：微调frep使其略微增大的同时观察频率计数器，若fbeat减小，则fbeat项前为加号，若fbeat增大，则fbeat项前为减号；微调fceo使其增大的同时观察频率计数器，若fbeat减小，则fceo项前符号与fbeat相同，若fbeat增大，则fceo项前符号与fbeat相反。
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