CN111220284A - 基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量方法，包括：S1，获取基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***输出的功率谱；S2，在所述功率谱上选取相邻的波峰和波谷，计算出选取的波峰和波谷在功率谱上的对比度的差值ΔS；S3，根据差值ΔS、延迟光纤的长度计算出激光器的激光线宽Δf。本发明更有利于测量***的集成化，更能保证测量***的精度，且自零差方式不需要频移，增大了双臂光路的相干性，将进一步提高相干测量的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及激光器线宽测量技术领域，特别是涉及一种基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***和方法。
背景技术
本领域技术人员应该明白，激光线宽对探测***的精度、灵敏度、探测距离以及探测噪声等都有很大影响，例如：在光量子领域中，激光线宽决定了量子***的相干性；在高阶调制技术以及相干检测***中，激光线宽决定了其光通信***的容量；在光纤水听器***中，激光线宽决定了***噪声，也决定了***的最小可测信号；在布里渊光时域反射仪(BOTDR)中，激光线宽决定了温度和应力的测量分辨率等。故在搭建***时，需要对所用的激光器的激光线宽值进行精密标定才能预判后面测量***或信号源的测量精度、距离、灵敏度以及噪声等特性。
现有技术中，用于测定激光线宽常见的方法主要有高精度光谱仪、扫描F-P干涉仪、自零差线宽探测和自外差线宽探测等；在现有技术条件下，采用前述的第一种方法和第二种方法进行激光线宽值测定时，其精度只能达到MHz级别，而采用前述的第三种方法和第四种方法以及延伸出的补偿自外差方法进行激光线宽值测定时，其精度只能达到kHz级别。
随着超窄线宽激光器技术的发展，激光线宽越来越窄，对于线宽在百Hz级别以下的超窄线宽激光器，前述的第一种方法和第二种方法则完全不能适用，若用前述的第三种和第四种方法对这种超窄线宽激光器的激光线宽值进行测定，需要使用几百公里长度的单模光纤作为延迟光纤，然而由这么长的延迟光纤所产生的1/f噪声所形成的高斯型线宽能达到数kHz级别，该噪声会把需要测定的激光线宽淹没掉，虽然可以采用Voigt拟合将洛仑兹线型和高斯线型分开，但是Voigt拟合时已经取近似，再加上噪声所形成的高斯型线宽比激光器本身的洛仑兹线宽高一个数量级，因此利用Voigt拟合是难以精确地测量出激光器线宽的。
针对现有测量方法无法精密测量kHz以下激光线宽问题，申请人初步研究了基于短延迟自外差相干包络谱与激光线宽的关系，并发现相干包络谱、延迟光纤长度与激光线宽存在一定的对应关系，能利用包络谱特征来获取激光线宽。但测量***过于庞大，需要声光调制器(AOM)及其对应的电学驱动器，包括固定驱动电源以及调制驱动电源，如此多的设备，它们之间的相互干扰大，影响测量精度；且自外差相方式需要频移，进一步降低相干测量的精确度。
发明内容
针对现有技术存在的器件之间的相互干扰大和自外差相方式需要频移，进一步降低相干测量的精确度的问题，本发明提供一种基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***和方法。
本申请的具体方案如下：
一种基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***，包括：激光器、第一光衰减器、第二光衰减器、光隔离器、第一耦合器、延迟光纤、第二耦合器、光电探测器和频谱仪；所述延迟光纤的长度为激光器的相干长度K倍，K>1；所述激光器、光隔离器、第一耦合器依次连接，第一耦合器的第一输出端通过第一光衰减器和第二耦合器的第一输入端连接，第一耦合器的第二输出端和延迟光纤的一端连接，所述延迟光纤的另一端通过第二光衰减器和第二耦合器的第二输入端连接，第二耦合器的输出端和光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端连接至频谱仪。
一种基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量方法，包括：
S1，获取基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***输出的功率谱；
S2，在所述功率谱上选取相邻的波峰和波谷，计算出选取的波峰和波谷在功率谱上的对比度的差值ΔS；
S3，根据差值ΔS、延迟光纤的长度计算出激光器的激光线宽Δf。
优选地，在步骤S2中，选取功率谱的第二个波峰和第二个波谷；根据差值ΔS、延迟光纤的长度计算出激光器的激光线宽Δf的公式为：
ΔS＝10log10S(f1，Δf)-10log10S(f2，Δf)
其中，f1＝3c/(2nL)为功率谱上所述第二个波峰位置处的频谱仪探测频率，f2＝2c/(nL)为功率谱上所述第二个波谷位置处的频谱仪探测频率；其中，n为基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***中延迟光纤的折射率，L为基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***中延迟光纤的长度，c为光速；
S(f1，Δf)＝S1#·S2#，S(f2，Δf)＝S1*·S2*；
其中，P0为超窄线宽的激光器的光功率；τd＝nL/c为基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***中延迟光纤的时延时间，自零差中为上下两臂的时间差。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明的基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***输出的自零差相干包络谱将更有利于测量***的集成化，更能保证测量***的精度，相比于自外差，本方法因为少了一个AOM频率移动器及其对应的驱动器件，减少了******件；
2.相比于自外差，自零差方式不需要频移，增大了双臂光路的相干性，将进一步提高相干测量的精确度；
3.另一方面基于延迟自零差，不需要用到零频功率谱，亦克服了传统零频测量的低频噪声的干扰。
附图说明
图1为本发明的基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***的结构框图。
图2为本发明的基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量方法的示意性流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1、一种基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***，包括：激光器(laser)、第一光衰减器(VOA1)、第二光衰减器(VOA2)、光隔离器(ISO)、第一耦合器(C1)、延迟光纤(DF)、第二耦合器(C2)、光电探测器(PD)和频谱仪(ESA)；所述延迟光纤(DF)的长度为激光器(laser)的相干长度K倍，K>1；所述激光器(laser)、光隔离器(ISO)、第一耦合器(C1)依次连接，第一耦合器(C1)的第一输出端通过第一光衰减器(VOA1)和第二耦合器(C2)的第一输入端连接，第一耦合器(C1)的第二输出端和延迟光纤(DF)的一端连接，所述延迟光纤(DF)的另一端通过第二光衰减器(VOA2)和第二耦合器(C2)的第二输入端连接，第二耦合器(C2)的输出端和光电探测器(PD)的输入端连接，光电探测器(PD)的输出端连接至频谱仪(ESA)。
所述激光器(laser)为窄线宽激光器，所述延迟光纤(DF)的长度远远小于激光器(laser)的相干长度。激光器(laser)输出的窄线宽激光通过第一耦合器(C1)分成两路进入马赫曾德尔干涉仪，在光第二耦合器(C2)处进行合束，合束光进入光电探测器(PD)进行光电转换，电信号进入频谱仪(ESA)进行信号分析。作为另一可实施例，马赫曾德尔干涉仪可以被其他光学干涉***代替，如迈克尔逊干涉等。
根据现有理论可知，在自零差条件下采用图1中激光线宽测量***对激光线宽进行检测时，频谱仪(ESA)输出的功率谱可由下表达式所示：
S(f,Δf)＝S1·S2+S3
根据现有理论，S1、S2和S3可展开为如下3式：
其中P0为激光器(laser)的光功率，f为频谱仪(ESA)的探测频率(横坐标)；Δf为功率谱的半高全宽，自零差条件下其对应激光器(laser)的线宽值；S1为f对应的洛伦兹线型谱；S2为f对应的周期正弦调制谱；S3为对应功率谱上高尖峰脉冲的函数，本领域技术人员应该清楚，应用自零差探测***(激光线宽测量***)时，功率谱上对应频率为0Hz的位置处存在一个高尖峰脉冲；当f＝0时，δ(f)＝∞，当f≠0时，δ(f)＝0，故在仿真时，只取
S(f≠0,Δf)＝S1·S2
由此可见，频谱仪(ESA)所获得的功率谱S是由洛伦兹线型谱S1与周期正弦调制谱S2的乘积，当延迟光纤(DF)的长度远远长于激光的相干长度时，S2的幅值趋于0，故所得的功率谱S即为洛伦兹线型谱S1，这就是传统的延迟自零差线宽测量法；当延迟光纤(DF)长度远远短于激光器(laser)的相干长度时，与周期正弦调制谱S2的值是比较大的，最终得到的功率谱S＝S1·S2是一个相干包络功率谱；本方案的核心就是选取相干包络功率谱中的特征来逆推激光线宽的值，具体如下：
参加图2，基于上述激光线宽测量***的基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量方法，包括：
S1，获取基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***输出的功率谱；所述功率谱为相干包络功率谱。
S2，在所述功率谱上选取相邻的波峰和波谷，计算出选取的波峰和波谷在功率谱上的对比度的差值ΔS；
S3，根据差值ΔS、延迟光纤(DF)的长度计算出激光器(laser)的激光线宽Δf。
在本实施例，在步骤S2中，选取功率谱的第二个波峰和第二个波谷；根据差值ΔS、延迟光纤(DF)的长度计算出激光器(laser)的激光线宽Δf的公式为：
ΔS＝10log10S(f1，Δf)-10log10S(f2，Δf)
其中，f1＝3c/(2nL)为功率谱上所述第二个波峰位置处的频谱仪(ESA)探测频率，f2＝2c/(nL)为功率谱上所述第二个波谷位置处的频谱仪(ESA)探测频率；其中，n为基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***中延迟光纤(DF)的折射率，L为基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***中延迟光纤(DF)的长度，c为光速；
S(f1，Δf)＝S1#·S2#，S(f2，Δf)＝S1*·S2*；
其中，P0为超窄线宽的激光器(laser)的光功率；τd＝nL/c为基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***中延迟光纤(DF)的时延时间，自零差中为上下两臂的时间差。上下两臂是指马赫曾德尔干涉仪的两臂。
由上式及其对应仿真的功率谱可知，第二峰谷差值ΔS，延迟光纤(DF)长度L，激光线宽Δf，三者之间是一一对应关系，只要用谱仪测出第二峰谷差值ΔS，以及所用延迟光纤(DF)的长度，就能够逆推激光线宽的值Δf。
本方案的提出了一种精密测量窄线宽激光器(laser)激光线宽的方法，该方法可以在延迟光纤(DF)较短的条件下实现窄线宽激光的精密测量，不仅大大减少了硬件(AOM及其驱动)需求，而且可以有效避免大长度延迟光纤(DF)带来的高斯噪声问题，使激光线宽测量精度得到了很大的提高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***，其特征在于，包括：激光器、第一光衰减器、第二光衰减器、光隔离器、第一耦合器、延迟光纤、第二耦合器、光电探测器和频谱仪；所述延迟光纤的长度为激光器的相干长度的1/K倍，K>1；
所述激光器、光隔离器、第一耦合器依次连接，第一耦合器的第一输出端通过第一光衰减器和第二耦合器的第一输入端连接，第一耦合器的第二输出端和延迟光纤的一端连接，所述延迟光纤的另一端通过第二光衰减器和第二耦合器的第二输入端连接，第二耦合器的输出端和光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端连接至频谱仪。
2.一种基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量方法，其特征在于，包括：
S1，获取基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***输出的功率谱；
S2，在所述功率谱上选取相邻的波峰和波谷，计算出选取的波峰和波谷在功率谱上的对比度的差值ΔS；
S3，根据差值ΔS、延迟光纤的长度计算出激光器的激光线宽Δf。
3.根据权利要求2所述的基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量方法，其特征在于，在步骤S2中，选取功率谱的第二个波峰和第二个波谷；根据差值ΔS、延迟光纤的长度计算出激光器的激光线宽Δf的公式为：
ΔS＝10log105(f1，Δf)-10l0g10S(f2，Δf)
其中，f1＝3c/(2nL)为功率谱上所述第二个波峰位置处的频谱仪探测频率，f2＝2c/(nL)为功率谱上所述第二个波谷位置处的频谱仪探测频率；其中，n为基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***中延迟光纤的折射率，L为基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***中延迟光纤的长度，c为光速；
S(f1，Δf)＝S1#·S2#，S(f2，Δf)＝S1*·S2*；
其中，P0为超窄线宽的激光器的光功率；τd＝nL/c为基于短延迟自零差相干包络的激光线宽测量***中延迟光纤的时延时间，自零差中为上下两臂的时间差。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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