CN117664525B - 一种测量双波长激光波长和线宽的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量双波长激光波长和线宽的装置及方法，所述装置包括待测双波长激光器、两个中性密度衰减片组转轮、两个近红外衰减片组转轮、两个双波长反射镜、两个快门、双波长分光镜、窄带滤光片转轮、消色差透镜、双波长单模光纤、光谱仪、谐波分束器、两个可变光阑和两个基准激光器。与现有技术相比，本发明可切换滤光模式，实现对双波长激光波长和线宽的自动测量，具有测量效率高、可重复性好以及操作简便等优点。

Description

一种测量双波长激光波长和线宽的装置及方法

技术领域

本发明属于激光线宽测量技术领域，尤其是涉及一种测量双波长激光波长和线宽的装置及方法。

背景技术

与其他类型的光相比，激光发射的各个光子频率相同，是十分优秀的单色光源。激光波长代表着激光所携带的电磁波的波长，激光波长的具体数值与激光器结构及所使用材料等因素有关。线宽是激光器的频率波动程度的评价指标，用于描述激光器输出信号在频率上的分布稳定性，激光波长的线宽越窄，说明该激光器所产生的光谱非常窄、单色性好。针对于不同的应用场景和需求，可以选择不同波长的激光来实现需要的功能，例如，在环境监测、通讯、医疗、材料加工等领域，需要对其激光光谱进行表征，选取窄线宽的单色激光。

目前用来表征光谱的仪器主要有光谱仪，但仅通过光谱仪对千赫兹量级的窄线宽光纤激光器进行分析是非常困难的；随后又有学者提出了混频法，例如双光束外差法和单激光器的延时自外差法，但这类方法往往需要复杂的实验***，使用较为不便。中国发明专利CN111351569B公开了一种测量连续激光器线宽的装置及方法，利用残余误差功率谱密度进行分析计算，可以精确快速地测量激光的线宽，具有可测量范围广，测量速度快，可移植能力强、测量精度高等诸多优点，但该方法只能测量单波长激光，无法对二倍频YAG激光器输出的双波长激光进行测量，当切换波长测量时，需要重新耦合进入光纤，导致测试步骤繁琐，延长了调试时间。因此，需要设计一种测量双波长激光波长和线宽的装置，提高双波长激光线宽的测量效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测量双波长激光波长和线宽的装置及方法，可以同时测量双波长激光线宽。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种测量双波长激光波长和线宽的装置，包括待测双波长激光器、第一基准激光器和第二基准激光器，所述待测双波长激光器输出的光束依次通过第一中性密度衰减片组转轮和第一近红外衰减片组转轮，经第一双波长反射镜反射后，进入双波长分光镜；所述第一基准激光器输出的光束经过第二双波长反射镜反射后，与所述第二基准激光器输出的光束通过谐波分束器进入所述双波长分光镜；所述双波长分光镜后依次设置第一可变光阑、第二中性密度衰减片组转轮、第二近红外衰减片组转轮、第二可变光阑、窄带滤光片转轮和消色差透镜，所述消色差透镜通过双波长单模光纤与光谱仪相连；所述谐波分束器和所述双波长分光镜之间设置第二快门，所述第一双波长反射镜和所述双波长分光镜之间设置第一快门。

进一步地，所述双波长单模光纤与所述消色差透镜间设置光纤调整架。

进一步地，所述窄带滤光片转轮内安装有第一滤光片、第二滤光片和挡板，分别对应第一测量位置、第二测量位置和第三测量位置，所述第一滤光片为透第一波长激光反第二波长激光的滤光片，所述第二滤光片为透第二波长激光反第一波长激光的滤光片，其中，所述第一波长激光为待测双波长激光中一种波长的激光，所述第二波长激光为待测双波长激光中另一种波长的激光。

进一步地，所述窄带滤光片转轮通过步进电机驱动。

进一步地，所述窄带滤光片转轮通过USB 2.0或RS-232接口以及自带的图形用户界面应用程序实现自动运行。

本发明还提供一种基于如上所述的测量双波长激光波长和线宽的装置的测量双波长激光波长和线宽的方法，包括以下步骤：

S1、校准所述测量双波长激光波长和线宽的装置；

S2、调节待测双波长激光光束能量；

S3、调节待测双波长激光光束与基准激光光束同轴；

S4、将窄带滤光片转轮切换至自动运行模式，进行全自动测量。

进一步地，步骤S1的具体过程如下：

S101、调节基准激光光束能量；

S102、调节第一基准激光与测量双波长激光波长和线宽的装置中的光学元件的中心同轴，使第一基准激光耦合进入双波长单模光纤；

S103、调节第二基准长反射镜和谐波分束器的俯仰和偏摆，使第二基准激光与第一基准激光合束；

S104、读取第一基准激光和第二基准激光波长和线宽的数据，分别与其出厂数据相比较，判断误差是否在设备误差范围内，若是，则校准结束；若否，则返回步骤S101重新校准。

进一步地，步骤S2的具体过程如下：

在窄带滤光片转轮和消色差透镜之间放置能量计，调节第一中性密度衰减片组转轮和第一近红外衰减片组转轮，当待测双波长激光光束能量分别和两基准激光光束能量一致后，移走能量计。

进一步地，步骤S3的具体过程如下：

将第一可变光阑和第二可变光阑调至最小光孔；

打开第一快门和第二快门，调节第一双波长反射镜和双波长分光镜的俯仰和偏摆；当待测双波长激光可以同时穿过第一可变光阑和第二可变光阑后，关闭第一快门。

进一步地，步骤S4的具体过程如下：

窄带滤光片转轮转到第一测量位置时，读取待测双波长激光光束中一种单波长的激光的波长和线宽；

窄带滤光片转轮转到第二测量位置时，读取待测双波长激光光束中另一种波长的激光的波长和线宽；

窄带滤光片转轮转到第三测量位置时，结束测量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过基准激光器对装置进行校准，可以使测量结果更加精确；本发明通过中性密度衰减片组转轮和近红外衰减片组转轮，调节待测双波长激光注入双波长单模光纤的能量和基准激光光束能量一致后，通过窄带滤光片转轮切换滤光模式，可以实现对双波长激光波长和线宽的测量；本发明利用消色差透镜可以使不同波长的激光光束聚焦于同一点，简化了激光耦合进入双波长单模光纤的步骤。

2、本发明设置光纤调整架夹持双波长单模光纤，便于对双波长单模光纤进行固定及其俯仰、偏摆调节，使测量更加便捷迅速。

3、本发明中，窄带滤光片转轮通过USB 2.0或RS-232接口以及自带的图形用户界面应用程序实现自动运行，装置整体结构简洁、结果准确，具有测量效率高、可重复性好以及操作简便等优点。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图，

其中001、待测双波长激光器；002、第一中性密度衰减片组转轮；003、第一近红外衰减片组转轮；004、第一双波长反射镜；005、第一快门；006、双波长分光镜；007、第二中性密度衰减片组转轮；008、第二近红外衰减片组转轮；009、窄带滤光片转轮；010、消色差透镜；011、光纤调整架；012、双波长单模光纤；013、光谱仪；101、第一基准激光器；102、第二基准激光器；103、第二双波长反射镜；104、谐波分束器；105、第二快门；201、第一可变光阑；202、第二可变光阑；203、能量计。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例：

本实施例提供一种测量双波长激光波长和线宽的装置，如图1所示，包括待测双波长激光器001、1064nm第一基准激光器101和532nm第二基准激光器102，待测双波长激光器001输出的光束依次通过第一中性密度衰减片组转轮002和第一近红外衰减片组转轮003，经第一双波长反射镜004反射后，进入双波长分光镜006；第一基准激光器101输出的光束经过第二双波长反射镜103反射后，与第二基准激光器102输出的光束通过谐波分束器104进入双波长分光镜006；双波长分光镜006后依次设置第一可变光阑201、第二中性密度衰减片组转轮007、第二近红外衰减片组转轮008、第二可变光阑202、窄带滤光片转轮009和消色差透镜010，消色差透镜010通过双波长单模光纤012与光谱仪013相连，双波长单模光纤012与消色差透镜010间设置光纤调整架011；谐波分束器104和双波长分光镜006之间设置第二快门105，第一双波长反射镜004和所述双波长分光镜006之间设置第一快门005。具体地，消色差透镜010为1064nm和532nm消色差双胶合透镜，焦距f＝500mm，使532nm和1064nm的激光聚焦在同一靶面上，消除不同波长聚焦的差异；第一中性密度衰减片组转轮002和第二中性密度衰减片组转轮007用来调节532nm激光束的能量；第一近红外衰减片组转轮003和第二近红外衰减片组转轮008用来调节1064nm激光束的能量。

窄带滤光片转轮009通过步进电机驱动，内置6位转轮，安装有英寸第一滤光片、第二滤光片和1个1英寸的挡板，分别对应第一测量位置、第二测量位置和第三测量位置，其中，第一滤光片为透532nm反1064nm的滤光片，主要作为选择532nm单波长激光的滤光片；第二滤光片为透1064nm反532nm的滤光片，主要作为选择1064nm单波长激光的滤光片。窄带滤光片转轮009通过USB 2.0或RS-232接口以及自带简单易用的图形用户界面应用程序可实现滤光片序列的自动切换。

使用上述测量双波长激光波长和线宽的装置对双波长激光波长和线宽进行测量包括以下步骤：

S1、校准所述测量双波长激光波长和线宽的装置，使后续测量结果更加准确，具体过程如下：

(a)调节基准激光光束进入双波长单模光纤012前的激光能量。在所述窄带滤光片转轮009和所述消色差透镜010之间放置能量计203，打开第二快门105先测透过第一滤光片的532nm的能量，调节第二中性密度衰减片组转轮007使其能量E<300μJ，调节衰减片后，基准激光的能量为243μJ。

(b)调节基准光源。调节基准光源532nm的光轴和光路的光学元件的中心同轴，使532nm激光经校准光路进入消色差透镜010中心，微调光纤调整架011的俯仰和偏摆，使532nm空间光耦合进入双波长单模光纤012。

(c)光纤调偏。微调光纤调整架011的俯仰和偏摆，使得光谱仪波长计曝光时间在0-500ms之间。

(d)调节校准光源。调节第二双波长反射镜103和谐波分束器104的俯仰和偏摆，使得1064nm激光和基准光源532nm激光合束。

(e)调节校准光源能量。将第二近红外衰减片组转轮008的ND值调至最大，再将窄带滤光片转轮009调至第二测量位置使1064nm激光进入双波长单模光纤012，再调节第二近红外衰减片组转轮008的ND值，直至光谱仪波长计曝光时间在0-500ms之间。

(f)读取532nm和1064nm基准激光波长和线宽的数据，分别与基准激光器的出厂数据相比较，判断误差是否在设备误差范围内，若是，则校准结束；若否，则返回步骤(a)重新校准。

S2、调节待测双波长激光光束能量，具体过程如下：

在所述窄带滤光片转轮009和所述消色差透镜010之间放置能量计203，调节第一中性密度衰减片组转轮002和第一近红外衰减片组转轮003，当待测的1064nm和532nm激光光束能量分别和两基准激光光束能量一致后，移走所述能量计203,最终使进入光纤的能量小于300μJ，调节衰减片后，待测双波长激光的入射能量测试结果如下：532nm激光光束能量为237μJ，1064nm激光光束能量为237μJ。

S3、调节待测双波长激光光束与基准激光光束同轴，具体过程如下：

将第一可变光阑201和第二可变光阑202调至最小光孔，打开第一快门005和第二快门105，调节第一双波长反射镜004和双波长分光镜006的俯仰和偏摆；当待测双波长激光可以同时穿过第一可变光阑201和第二可变光阑202后，关闭第一快门005。

S4、将窄带滤光片转轮009切换至自动运行模式，进行全自动测量，具体过程如下：

窄带滤光片转轮009转到第一测量位置时，待测双波长激光经过第一滤光片，透过532nm单波激光，经消色差透镜010，最终到达光谱仪波长计；依次读取波长和线宽，532nm激光波长为532.206nm，线宽为18.0pm；

532nm的单波长激光测试完毕后，窄带滤光片转轮009转到第二测量位置，待测双波长激光经过第二滤光片，透过1064nm单波激光，经消色差透镜010，最终到达光谱仪波长计；依次读取波长和线宽，1064nm激光波长为1064.407nm，线宽为46.0pm；

窄带滤光片转轮009转到第三测量位置时，挡板挡住光路保护测试***，测量结束。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量双波长激光波长和线宽的装置，其特征在于，包括待测双波长激光器（001）、第一基准激光器（101）和第二基准激光器（102），所述待测双波长激光器（001）输出的光束依次通过第一中性密度衰减片组转轮（002）和第一近红外衰减片组转轮（003），经第一双波长反射镜（004）反射后，进入双波长分光镜（006）；所述第一基准激光器（101）输出的光束经过第二双波长反射镜（103）反射后，与所述第二基准激光器（102）输出的光束通过谐波分束器（104）进入所述双波长分光镜（006）；所述双波长分光镜（006）后依次设置第一可变光阑（201）、第二中性密度衰减片组转轮（007）、第二近红外衰减片组转轮（008）、第二可变光阑（202）、窄带滤光片转轮（009）和消色差透镜（010），所述消色差透镜（010）通过双波长单模光纤（012）与光谱仪（013）相连；所述谐波分束器（104）和所述双波长分光镜（006）之间设置第二快门（105），所述第一双波长反射镜（004）和所述双波长分光镜（006）之间设置第一快门（005）；

所述双波长单模光纤（012）与所述消色差透镜（010）间设置光纤调整架（011）；

所述窄带滤光片转轮（009）内安装有第一滤光片、第二滤光片和挡板，分别对应第一测量位置、第二测量位置和第三测量位置，所述第一滤光片为透第一波长激光反第二波长激光的滤光片，所述第二滤光片为透第二波长激光反第一波长激光的滤光片，其中，所述第一波长激光为待测双波长激光中一种波长的激光，所述第二波长激光为待测双波长激光中另一种波长的激光。

2.根据权利要求1所述的一种测量双波长激光波长和线宽的装置，其特征在于，所述窄带滤光片转轮（009）通过步进电机驱动。

3.根据权利要求1所述的一种测量双波长激光波长和线宽的装置，其特征在于，所述窄带滤光片转轮（009）通过USB 2.0或RS-232接口以及自带的图形用户界面应用程序实现自动运行。

4.一种基于如权利要求1-3任一所述的测量双波长激光波长和线宽的装置的测量双波长激光波长和线宽的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、校准所述测量双波长激光波长和线宽的装置；

S2、调节待测双波长激光光束能量；

S3、调节待测双波长激光光束与基准激光光束同轴；

S4、将窄带滤光片转轮（009）切换至自动运行模式，进行全自动测量。

5.根据权利要求4所述的测量双波长激光波长和线宽的方法，其特征在于，步骤S1的具体过程如下：

S101、调节基准激光光束能量；

S102、调节第一基准激光与所述测量双波长激光波长和线宽的装置中的光学元件的中心同轴，使第一基准激光耦合进入双波长单模光纤（012）；

S103、调节第二双波长反射镜（103）和谐波分束器（104）的俯仰和偏摆，使第二基准激光与第一基准激光合束；

S104、读取第一基准激光和第二基准激光波长和线宽的数据，分别与其出厂数据相比较，判断误差是否在设备误差范围内，若是，则校准结束；若否，则返回步骤S101重新校准。

6.根据权利要求4所述的测量双波长激光波长和线宽的方法，其特征在于，步骤S2的具体过程如下：

在窄带滤光片转轮（009）和消色差透镜（010）之间放置能量计（203），调节第一中性密度衰减片组转轮（002）和第一近红外衰减片组转轮（003），当待测双波长激光光束能量分别和两基准激光光束能量一致后，移走能量计（203）。

7.根据权利要求4所述的测量双波长激光波长和线宽的方法，其特征在于，步骤S3的具体过程如下：

将第一可变光阑（201）和第二可变光阑（202）调至最小光孔；

打开第一快门（005）和第二快门（105），调节第一双波长反射镜（004）和双波长分光镜（006）的俯仰和偏摆；当待测双波长激光可以同时穿过第一可变光阑（201）和第二可变光阑（202）后，关闭第一快门（005）。

8.根据权利要求4所述的测量双波长激光波长和线宽的方法，其特征在于，步骤S4的具体过程如下：

窄带滤光片转轮（009）转到第一测量位置时，读取待测双波长激光光束中一种波长的激光的波长和线宽；

窄带滤光片转轮（009）转到第二测量位置时，读取待测双波长激光光束中另一种波长的激光的波长和线宽；

窄带滤光片转轮（009）转到第三测量位置时，结束测量。