一种fp干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置及方法。本发明包括激光器分束系统、FP干涉型滤波器系统和光电探测系统；激光器分束系统包括激光器、准直扩束器、第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分光镜、第三反射镜；FP干涉型滤波器系统包括FP干涉滤波器和频率谐调设备；光电探测系统包括第三分光镜、第一透镜、第二透镜、第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管、差分放大器、示波器；具体包括如下步骤：1.计算两束探针光束的入射角；2.调节两束探针光束的入射角；3.查看示波器，判断锁频状态。本发明实现简单，能够避免传统锁频方法对电路和光路的复杂要求，从而具有较强的系统稳定性和鲁棒性。
【专利说明】一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光雷达【技术领域】,特别是涉及一种FP (Fabry-Perot)干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置及方法。
【背景技术】
[0002]高光谱分辨率激光雷达由于采用了光谱滤波技术，解决了传统后向散射激光雷达需要诸多先验假设才能反演出大气参数的不足，因而提高了大气遥感的精度。在高光谱分辨率激光雷达中，光谱滤波器的使用是一个极为关键的技术。通过光谱滤波器的高光谱分辨能力，能将大气后向散射光谱中由大气气溶胶散射的成分和由大气分子散射的成分分离开来，这样就能得到大气后向散射谱的更多细节。结合相关的遥感原理即能更加准确的反演出大气后向散射系数、消光系数等大气光学属性。
[0003]目前，碘分子吸收滤波器因对大气气溶胶散射信号的高过滤率，光谱吸收特性的高稳定性以及不依赖于和入射光的机械对齐等优点已被用在很多高光谱分辨率激光雷达中。但是由于此类滤波器的吸收峰值(吸收谐振峰)是由分子的自然吸收机理所决定的，不能任意改变其使用波段，故限制了激光雷达的光谱拓展。为了解决这个缺点，FP(Fabry-Perot)干涉型光谱滤波器越来越受到关注并逐步应用到激光雷达中。由于采用了光的干涉原理，FP干涉型光谱滤波器的谐振频率可以设置在任何感兴趣的激光波长，极大的拓宽了激光雷达的光谱应用领域。
[0004]但是，FP干涉型光谱滤波器的谐振频率却远不如碘分子吸收滤波器那样稳定。温度、外部应力等都会造成谐振频率的漂移。怎样将FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定在需要的激光中心频率是其用于高光谱分辨率激光雷达的一个重大技术问题。在已有报道的文献中，均采用了频率调制锁频的技术。该技术通过将用来锁频的激光光束通过电光调制器或者声光调制器的调制后，产生对称分布于原始激光频率两侧的边带频率信号。该边带信号和原激光信号通过待锁定的干涉型光谱滤波器之后，会在光电探测器上得到幅度调制的电压信号。最后需要一个与驱动调制器的信号相同步的电压信号来解调该幅度调制信号，从而得到频率失锁时的误差信号。通过将该误差信号反馈到干涉型光谱滤波器的频率谐调设备，如压电传感器(PZT)，就可以将失去锁定的滤波器重新谐调到所使用的激光频率。虽然该技术应用广泛，但是不足之处是所需要的设备十分复杂。例如至少需要两个电光频率调制器来达到比较好的调制效果；为了保持解调信号与调制器驱动信号的同步，往往需要锁相环电路；由于调制频率通常都在MHz量级，故探测器需要很高的频率响应才能探测到需要的光电信号。这些都增加了该技术的电路与光学器件的复杂程度。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，减少FP干涉型光谱滤波器频率锁定的装置复杂性，提出了一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置及方法。
[0006]本发明巧妙的利用了 FP干涉型光谱滤波器谐振频率与入射激光的入射角的依赖关系，通过两束入射角相匹配的探针光束来对FP干涉滤波器谐振频率进行实时探测，一旦存在频率失锁定，则能产生误差信号并反馈给滤波器的频率谐调设备以将其重新谐调到频率锁定状态。由于不需要高频调制和同步解调，故极大降低了电路、光路的复杂程度。
[0007]一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置，包括激光器分束系统、FP干涉型滤波器系统和光电探测系统；
[0008]激光器分束系统包括激光器、准直扩束器、第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分光镜、第三反射镜；FP干涉型滤波器系统包括FP干涉滤波器和频率谐调设备，且FP干涉滤波器和频率谐调设备机械连接实现谐振频率调整；光电探测系统包括第三分光镜、第一透镜、第二透镜、第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管、差分放大器、示波器；
[0009]激光器发射的激光光束经准直扩束器被扩束为宽光束平行光；宽光束平行光经过第一分光镜分成两路，其中一路经过第一分光镜透射后直接射入待锁频的FP干涉滤波器作为监测光束；被FP干涉滤波器反射回来的部分监测光束经第三分光镜反射后通过第一透镜且聚焦在其焦平面，在第一透镜焦平面的干涉信号被第三光电倍增管接收，第三光电倍增管的输出电信号通过示波器显示，用于判定频率锁定的状态；另一路依次经过第一反射镜、第二反射镜后，再经第二分光镜分成两路，其中第一路经过第二分光镜透射后，再经第三反射镜反射以角度Θ 2进入待锁频的FP干涉滤波器作为探针光束；第二路经第二分光镜反射后直接以角度Θ i进入待锁频的FP干涉滤波器作为探针光束；两路探针光束经过待锁频的FP干涉滤波器后，被第二透镜聚焦在其焦平面不同位置并分别发生干涉，且干涉信号分别被第一光电倍增管、第二光电倍增管接收并转换成电信号；将第一光电倍增管、第二光电倍增管输出的电信号输入差分放大器，差分放大器的输出信号反馈给频率谐调设备。
[0010]一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置的方法，包括如下步骤:
[0011]步骤1.计算两束探针光束的入射角；
[0012]步骤2.调节两束探针光束的入射角；
[0013]步骤3.查看示波器，判断锁频状态；
[0014]步骤I所述的两路探针光束的入射角包括Θ i和θ 2 ; Θ i和Θ 2需满足如下匹配要求:
[0015]当探针光束以入射角Q1入射时，待锁频的FP干涉滤波器的光谱透过函数F( Θ !, U )为:
[0016]
【权利要求】
1.一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置，其特征在于包括激光器分束系统、FP干涉型滤波器系统和光电探测系统； 激光器分束系统包括激光器、准直扩束器、第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分光镜、第三反射镜；FP干涉型滤波器系统包括FP干涉滤波器和频率谐调设备，且FP干涉滤波器和频率谐调设备机械连接实现谐振频率调整；光电探测系统包括第三分光镜、第一透镜、第二透镜、第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管、差分放大器、示波器； 激光器发射的激光光束经准直扩束系统被扩束为宽光束平行光；宽光束平行光经过第一分光镜分成两路，其中一路经过第一分光镜透射后直接射入待锁频的FP干涉滤波器作为监测光束；被FP干涉滤波器反射回来的部分监测光束经第三分光镜反射后通过第一透镜且聚焦在其焦平面，在第一透镜焦平面的干涉信号被第三光电倍增管接收，第三光电倍增管的输出电信号通过示波器显示，用于判定频率锁定的状态；另一路依次经过第一反射镜、第二反射镜后，再经第二分光镜分成两路，其中第一路经过第二分光镜透射后，再经第三反射镜反射以角度Θ 2进入待锁频的FP干涉滤波器作为探针光束；第二路经第二分光镜反射后直接以角度Θ i进入待锁频的FP干涉滤波器作为探针光束；两路探针光束经过待锁频的FP干涉滤波器后，被第二透镜聚焦在其焦平面不同位置并分别发生干涉，且干涉信号分别被第一光电倍增管、第二光电倍增管接收并转换成电信号；将第一光电倍增管、第二光电倍增管输出的电信号输入差分放大器，差分放大器的输出信号反馈给频率谐调设备。
2.使用如权利要求1所述的一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定装置的方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤1.计算两束探针光 束的入射角； 步骤2.调节两束探针光束的入射角； 步骤3.查看示波器，判断锁频状态； 步骤I所述的两路探针光束的入射角包括Θ i和Θ 2 ; Θ i和Θ 2需满足如下匹配要求: 当探针光束以入射角Q1入射时，待锁频的FP干涉滤波器的光谱透过函数FP1, υ)为: F(0vo)^]^\l + 2yjRk οο^{2πυ^υ?+(I) 、} l + i?[ 6 L I FSRJJJ 其中，u为光谱频率，u ^为激光器的中心频率，Λ \表示频率失锁量，R和FSR分别为待锁频的FP干涉滤波器平行平板反射率和自由光谱范围，k为求和指标；m’是一个位于O到I之间的数，且满足
Δ OPD (Q1) = (rii+m，)λ。= (r^+m，) c υ 0, (2) 式(2)中，Ii1是一个待选定的整数，λ ^为激光束的中心波长，c为光速；Λ OPD (Q1)是探针光束以角度θ ?射入FP干涉滤波器时的光程差与正入射时光程差的差值，且该差值Δ0Ρ?( Θ j)如下确定: ΔΟ/?⑷=▲(卜—).(3) 式(2)表明，通过将探针光束以角度Θ i入射，使FP干涉滤波器对该探针光束的光程差与零度入射时的光程差相差(nAm’)个波长；只要确定了该m’和一个合适的Ii1，也就确定了 θ1; 要和Q1相匹配，入射角02必须满足FP干涉滤波器对该探针光束的光程差和正入射时的光程差之间的变化:
3.如权利要求1或2所述的一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定的方法，其特征在于所述的第一分光镜是反射率大于透射率的分光镜；第二分光镜是50%:50%分光比的分光镜。
4.如权利要求3所述的一种FP干涉型光谱滤波器谐振频率锁定的方法，其特征在于所述的第一分光镜的反射率与透射率比如下:T:R=10%:90%。
【文档编号】G01S7/481GK103809167SQ201410025290
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】刘 东, 杨甬英, 成中涛 申请人:浙江大学