一种精确测量激光波长的装置及方法

一种精确测量激光波长的装置及方法
【专利摘要】本发明涉及波长测量技术，具体是一种精确测量激光波长的装置及方法。一种精确测量激光波长的装置，包括飞秒脉冲激光器、顺次位于飞秒脉冲激光器出射光路上的PPLN晶体、光子晶体光纤、第一凸透镜、第一衰减片和第一半波片；还包括顺次位于待测激光光路上的光阑、第二衰减片、第二半波片、第一偏振分束器、第三半波片和第二偏振分束器；第二偏振分束器的出射光路上设有反射光栅，反射光栅的反射光路上顺次设有第二凸透镜、滤光片、第三凸透镜、第三衰减片和雪崩二极管探测器；雪崩二极管探测器的信号输出端连接有频谱仪。整个装置及方法具有结构简单、操作简便、易于调节、外界干扰小、稳定性强、精确度极高的优点。
【专利说明】一种精确测量激光波长的装置及方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及波长测量技术，具体是一种精确测量激光波长的装置及方法。

【背景技术】
[0002]随着现代科学技术的发展，激光波长的测量在计量学、信息科学、通信、天文等领域占有越来越重要的地位，一直是国内外关注的热点，提高激光波长测量准确性具有非常重要的意义。激光波长作为测量基准值，被广泛应用于长度、角度、平面度、直线度和垂直度等的测量，是精密机械和微电子工业领域重要的测量标准，而精确的测量波长的大小和稳定性是保证测量准确性和量值溯源的关键。因此，激光波长测量设备的研究有着广泛的适用性和发展前景，激光波长测量精度的提高也将提升与之相关的领域技术的精度。同时，科学技术的发展对激光波长标准的精确度的要求越来越高。因此，在现有技术手段的基础上，提高波长测量的精确度迫在眉睫。目前国内外对于激光波长测量技术主要是以下几种方法。
[0003]第一种是基于谐波光频链的激光波长的测量。该方法的原理是从铯原子微波频标开始经过一系列保持相位锁定的微波谐波振荡器和特殊激光器，将被测光学频率与微波频率标准连接起来，从而实现激光波长的精确测量。但由于这种方法虽然实现了光学频率的绝对测量，而不是直接测量，且在实际测量过程中如果链中光频之间的间隙过大(超过10GHz)，要确定在已知光频与任一未知光频间的联系是很困难的。所以这种激光波长的测量方法不易实现。
[0004]第二种是基于光频间隔内分频率链的光频测量。1990年，Telle等人提出了用光频间隔二分法来测量光学频率。其基本原理是以三台激光器作为基础，利用非线性晶体将其中一台激光器的频率fl倍频，并锁定在其余两台激光器频率的和频信号的中心(f2+f3)/2,即构成了光学频率间隔内分激光器。如果对新形成的光频间隔采取η次上述的一分过程，那么最后得到的光频间隔只有f/2n，这个频率间隔可以直接测量。但是为了有合适的微波频率标准作为参考进行拍频测量，这种技术要求最后的光频间隔足够小。一个能覆盖微波段到光频段的几百THz的光频间隔内分频率链是极其复杂和难以实现的。
[0005]第三种是基于干涉原理的激光波长的测量方法。激光波长测量大多是基于干涉原理，典型的商品化波长测量仪器(波长计)有迈克尔逊干涉型、雯索干涉型和F-P干涉型。迈克尔逊型波长计适合测量连续激光波长，测量精度最高可达10'斐索干涉是一种薄膜双光束干涉，斐索型波长计结构简单，不需内置参考激光器，但测量精度低于迈克尔逊型和F-P型波长计，美国New Focus公司生产的斐索干涉型波长计，精度为10_5。F-P干涉型波长计是利用光束通过两块镀以高反射率、间距一定的玻璃板时产生多光束干涉的现象进行待测激光波长的测量。但是波长计大多适于进行波长的初步测量，其测量的精度不高(常用波长计的精确度达到的精度是30-60MHZ量级)，误差较大，且受外界环境的影响也比较大。


【发明内容】

[0006]本发明为了解决现阶段内激光波长测量的精确性低、误差大、测量的稳定性差等技术问题，提供一种精确测量激光波长的装置及方法。
[0007]本发明所述一种精确测量激光波长的装置是采用以下技术方案实现的:一种精确测量激光波长的装置，包括飞秒脉冲激光器、顺次位于飞秒脉冲激光器出射光路上的PPLN晶体、光子晶体光纤、第一凸透镜、第一衰减片和第一半波片；还包括顺次位于待测激光光路上的光阑、第二衰减片、第二半波片、第一偏振分束器、第三半波片和第二偏振分束器；第一偏振分束器还位于第一半波片的出射光路上；第一半波片与第一偏振分束器的位置应保证由第一半波片出射的激光经第一偏振分束器反射后的光路与由第二半波片出射的激光经第一偏振分束器透射后的光路相重合；第二偏振分束器的出射光路上设有反射光栅，反射光栅的反射光路上顺次设有第二凸透镜、滤光片、第三凸透镜、第三衰减片和雪崩二极管探测器；雪崩二极管探测器的信号输出端连接有频谱仪。
[0008]基于现有几种波长测量方法的优缺点，本申请提出了一种利用飞秒脉冲激光器和待测激光相干，对激光波长实现精确测量的装置。飞秒脉冲激光器体积小、轻便，且具有高可靠性和高稳定性，其输出的光是近乎理想的点光源，输出光束的圆度和强度分布较容易获得接近理想的高质量输出光束。飞秒脉冲激光器输出的是10MHz到IGHz的等频率间距的脉冲，通过PPLN晶体和光子晶体光纤后光束被展宽，其总的频率展宽在I到ΙΟΟΤΗζ。在频率域内展宽后的超级连续谱是一系列等间隔的频率成分组合而成的，其相邻频率间隔为脉冲重复频率，零点校准频率为偏置频率。所以展宽后的连续谱可视为一把具有极高精确度且可溯源的激光频率标尺，可用于对任意覆盖范围内的激光波长进行测量，也可通过偏频锁定方式锁定工作激光器的频率，由其作为桥梁将测量结果溯源至频率基准。
[0009]经飞秒脉冲激光器和目标(待测)激光器的激光相干合成，可以得到目标激光器的激光波长。通过锁定飞秒锁模激光的重复频率和偏置频率至微波频率基准，在时域上得到重复频率稳定的飞秒脉冲激光，在频域上得到频率间隔稳定的激光频率梳。通过探测采集干涉信号，采集到的信号在频谱仪上显示的是关于不同频率的谱线分布图，通过频谱仪可以读出待测激光和飞秒激光相干信号的频差，根据待测激光相干的飞秒激光的频率值即可获得待测激光频率的精确值。
[0010]进一步地，所述飞秒脉冲激光器的出射光路上设有一个第一全反射镜；所述PPLN晶体位于第一全反射镜的反射光路上；第一衰减片与第一半波片之间还设有由第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜组成的光束准直结构；还包括位于第二偏振分束器出射光路上的第五反射镜；所述反射光栅位于第五全反射镜的反射光路上。
[0011]光束准直结构用于将扩束后的激光准直并入射至第一半波片，同时使整个装置所占空间减小；第一全反射镜和第五反射镜也用于激光的准直，同时优化装置所占空间。
[0012]进一步的，还包括一个外壳上开有第一通孔和第二通孔的腔体；所述第三全反射镜，第二衰减片，光阑，第二半波片，第一偏振分束器，雪崩二极管探测器，频谱仪，第三衰减片，第三凸透镜，滤光片，第二凸透镜，光栅，第五全反射镜，第二偏振分束器，第三半波片，第一半波片，第四全反射镜，第一全反射镜，PPLN晶体，光子晶体光纤，第一凸透镜，第一衰减片，第二全反射镜均位于腔体内；飞秒脉冲激光器出射的激光由第一通孔射入位于腔体内的第一全反射镜上；待测激光经第二通孔入射至光阑上；雪崩二极管探测器通过BNC线与频谱仪相连接。
[0013]工作时，腔体起到隔离保护的作用。各个部件可以在腔体将位置固定后，做成一个集约化便于携带的装置，方便移动，同时免去了组装的复杂工序，节约了时间。
[0014]本发明所述的一种精确测量激光波长的方法是采用如下技术方案实现的:一种精确测量激光波长的方法，包括以下步骤:(a)、飞秒脉冲激光器发射的激光经过PPLN晶体和光子晶体光纤后实现扩束，扩束后的激光经过第一凸透镜聚焦后，透过第一衰减片并经光束准直结构到达第一半波片，经第一半波片调整激光偏振方向后，进入第一偏振分束器，再经第一偏振分束器反射后输出到第三半波片；同时待测激光器输出的激光通过光阑、透过第二衰减片，经第二半波片调整激光偏振方向后，进入第一偏振分束器；满足第一偏振分束器偏振方向的激光输出到第三半波片，经第三半波片调整输入到其上的飞秒脉冲激光器激光和待测激光器激光的偏振方向后，输出到第二偏振分束器；(b)、上述两光束入射到第二偏振分束器后，满足第二偏振分束器输出方向的偏振光输出并完成相干合成；(c )、合成光经第五全反射镜反射后入射到反射光栅上，经反射光栅衍射并反射后，再由第二凸透镜聚焦成连续光谱带；连续光谱带透过滤光片后，入射到第三凸透镜，光束经第三凸透镜聚焦后，透过第三衰减片，入射到雪崩二极管探测器；(d)、雪崩二极管探测器将采集到的光信号转换成相应的电信号，并将其输入至频谱仪；根据频谱仪上所显示的待测激光和飞秒激光相干信号的频差以及与待测激光相干的飞秒激光的频率值即可获得待测激光的频率。
[0015]工作时，雪崩二极管探测器对光谱信号进行采集，将采集信号输入到频谱仪可进行进一步分析处理。图2所示即为利用相干测得激光波长的实验结果与理论结果对比图。如图2所示测量所得激光波长精确度很高，若多次重复测量可以得到与实际波长更加吻合的测试结果。在上述的测试系统中，辅助测试的激光器为飞秒脉冲激光器(激光频率为1560nm)。超短脉冲激光频率被展宽后，其频谱覆盖范围为300_1200nm，相当于无数个普通单模激光器的组合，通过滤光片的筛选，可以得到所需的频率波段。在时间域内，锁模飞秒脉冲激光器的输出为一系列等间隔的超短脉冲，脉冲宽度为几到几十飞秒，重复频率为几百MHz到几GHz ;在频率域内，其光谱是由一系列规则等间隔的连续波光谱线组成的光梳，每个梳齿之间的间隔精确等于飞秒激光器的脉冲重复频率。基于以上几点，本发明有效地解决了现阶段内激光波长测量的精确性低、误差大、测量的稳定性差等问题。
[0016]本发明提供了一种基于飞秒激光的结构简单、操作简便、易于调节、外界干扰小、稳定性强、精确度极高的实验装置以及方法，该装置以及方法基于锁模的脉冲激光器的独特优点，有效地解决了现阶段内激光波长测量的精确性低、误差大、测量的稳定性差、效率低等问题。整个装置及方法具有结构简单、操作简便、易于调节、外界干扰小、稳定性强、精确度极高的优点。

【专利附图】

【附图说明】
[0017]图1是本发明所述装置的结构示意图。
[0018]图2是激光波长测量实验与理论对比图。
[0019]图3本发明频谱仪所获得的相干光产生的信号图。
[0020]图中:1-第三全反射镜，2-第二衰减片，3-光阑，4-第二通孔，5-第二半波片，6-第一偏振分束器，7-雪崩二极管探测器，8-BNC线，9-频谱仪，10-第三衰减片，11-第三凸透镜，12-滤光片，13-第二凸透镜，14-反射光栅，15-第五全反射镜，16-第二偏振分束器，17-第三半波片，18-第一半波片，19-第四全反射镜，20-第一全反射镜，21-第一通孔，22-PPLN晶体，23-光子晶体光纤，24-第一凸透镜，25-第一衰减片，26-第二全反射镜，
27-腔体，28-飞秒脉冲激光器。

【具体实施方式】
[0021]一种精确测量激光波长的装置，包括飞秒脉冲激光器28、顺次位于飞秒脉冲激光器28出射光路上的PPLN晶体22、光子晶体光纤23、第一凸透镜24、第一衰减片25和第一半波片18 ;还包括顺次位于待测激光光路上的光阑3、第二衰减片2、第二半波片5、第一偏振分束器6、第三半波片17和第二偏振分束器16 ;第一偏振分束器6还位于第一半波片18的出射光路上；第一半波片18与第一偏振分束器6的位置应保证由第一半波片18出射的激光经第一偏振分束器6反射后的光路与由第二半波片5出射的激光经第一偏振分束器6透射后的光路相重合；第二偏振分束器16的出射光路上设有反射光栅14,反射光栅14的反射光路上顺次设有第二凸透镜13、滤光片12、第三凸透镜11、第三衰减片10和雪崩二极管探测器7 ;雪崩二极管探测器7的信号输出端连接有频谱仪9。
[0022]所述飞秒脉冲激光器28的出射光路上设有一个第一全反射镜20 ;所述PPLN晶体22位于第一全反射镜20的反射光路上；第一衰减片25与第一半波片18之间还设有由第二全反射镜26、第三全反射镜I和第四全反射镜19组成的光束准直结构；还包括位于第二偏振分束器16出射光路上的第五反射镜15 ;所述反射光栅14位于第五全反射镜15的反射光路上。
[0023]还包括一个外壳上开有第一通孔21和第二通孔4的腔体27 ;所述第三全反射镜1，第二衰减片2，光阑3，第二半波片5，第一偏振分束器6，雪崩二极管探测器7，频谱仪9，第三衰减片10，第三凸透镜11，滤光片12，第二凸透镜13，光栅14，第五全反射镜15，第二偏振分束器16，第三半波片17，第一半波片18，第四全反射镜19，第一全反射镜20，PPLN晶体22,光子晶体光纤23,第一凸透镜24,第一衰减片25,第二全反射镜26均位于腔体27内；飞秒脉冲激光器28出射的激光由第一通孔21射入位于腔体27内的第一全反射镜20上；待测激光经第二通孔4入射至光阑3上；雪崩二极管探测器7通过BNC线8与频谱仪9相连接。
[0024]一种精确测量激光波长的方法，包括以下步骤:(a)、飞秒脉冲激光器28发射的激光经过PPLN晶体22和光子晶体光纤23后实现扩束，扩束后的激光经过第一凸透镜24聚焦后，透过第一衰减片25并经光束准直结构到达第一半波片18，经第一半波片18调整激光偏振方向后，进入第一偏振分束器6,再经第一偏振分束器6反射后输出到第三半波片17 ；同时待测激光器输出的激光通过光阑3、透过第二衰减片2，经第二半波片5调整激光偏振方向后，进入第一偏振分束器6 ;满足第一偏振分束器6偏振方向的激光输出到第三半波片17，经第三半波片17调整输入到其上的飞秒脉冲激光器激光和待测激光器激光的偏振方向后，输出到第二偏振分束器16 ;(b)、上述两光束入射到第二偏振分束器16后，满足第二偏振分束器16输出方向的偏振光输出并完成相干合成；(C)、合成光经第五全反射镜15反射后入射到反射光栅14上，经反射光栅14衍射并反射后，再由第二凸透镜13聚焦成连续光谱带；连续光谱带透过滤光片12后，入射到第三凸透镜11，光束经第三凸透镜11聚焦后，透过第三衰减片10，入射到雪崩二极管探测器7 ;(d)、雪崩二极管探测器7将采集到的光信号转换成相应的电信号，并将其输入至频谱仪9 ;根据频谱仪9上所显示的待测激光和飞秒激光相干信号频差以及与待测激光相干的飞秒激光的频率值即可获得待测激光的频率。
[0025]图3中①和④为飞秒激光梳齿之间的相干信号，②和③为所要测量的激光和飞秒激光相干的信号。根据此可以测量出待测激光的频率。
[0026]具体实施时，所使用的激光器为掺饵激光器FC1500。所述的第一全反射镜20、第二全反射镜26、第三全反射镜1、第四全反射镜19、第五全反射镜15均为镀高反膜的全反射镜。所述第一凸透镜24、第二凸透镜13、第三凸透镜11均为镀增透膜的凸透镜。雪崩二极管探测器7型号为APD210。频谱仪也可以连接计算机，通过计算机对所得频谱进行分析，分析速度快，结果精确。
【权利要求】
1.一种精确测量激光波长的装置，其特征在于，包括飞秒脉冲激光器(28)、顺次位于飞秒脉冲激光器(28)出射光路上的PPLN晶体(22)、光子晶体光纤(23)、第一凸透镜(24)、第一衰减片(25)和第一半波片(18);还包括顺次位于待测激光光路上的光阑(3)、第二衰减片(2)、第二半波片(5)、第一偏振分束器(6)、第三半波片(17)和第二偏振分束器(16)；第一偏振分束器(6)还位于第一半波片(18)的出射光路上；第一半波片(18)与第一偏振分束器(6)的位置应保证由第一半波片(18)出射的激光经第一偏振分束器(6)反射后的光路与由第二半波片(5)出射的激光经第一偏振分束器(6)透射后的光路相重合；第二偏振分束器(16)的出射光路上设有反射光栅(14),反射光栅(14)的反射光路上顺次设有第二凸透镜(13)、滤光片(12)、第三凸透镜(11)、第三衰减片(10)和雪崩二极管探测器(7);雪崩二极管探测器(7)的信号输出端连接有频谱仪(9)。
2.如权利要求1所述的一种精确测量激光波长的装置，其特征在于，所述飞秒脉冲激光器(28)的出射光路上设有一个第一全反射镜(20);所述PPLN晶体(22)位于第一全反射镜(20)的反射光路上；第一衰减片(25)与第一半波片(18)之间还设有由第二全反射镜(26)、第三全反射镜(I)和第四全反射镜(19)组成的光束准直结构；还包括位于第二偏振分束器(16)出射光路上的第五反射镜(15);所述反射光栅(14)位于第五全反射镜(15)的反射光路上。
3.如权利要求2所述的一种精确测量激光波长的装置，其特征在于，还包括一个外壳上开有第一通孔(21)和第二通孔(4)的腔体(27);所述第三全反射镜(1)，第二衰减片(2)，光阑(3)，第二半波片(5)，第一偏振分束器(6)，雪崩二极管探测器(7)，频谱仪(9)，第三衰减片(10)，第三凸透镜(11)，滤光片(12)，第二凸透镜(13)，光栅(14)，第五全反射镜(15)，第二偏振分束器(16)，第三半波片(17)，第一半波片(18)，第四全反射镜(19)，第一全反射镜(20 )，PPLN晶体(22 )，光子晶体光纤(23 )，第一凸透镜(24)，第一衰减片(25 )，第二全反射镜(26)均位于腔体(27)内；飞秒脉冲激光器(28)出射的激光由第一通孔(21)射入位于腔体(27)内的第一全反射镜(20)上；待测激光经第二通孔(4)入射至光阑(3)上；雪崩二极管探测器(7 )通过BNC线(8 )与频谱仪(9 )相连接。
4.如权利要求2或3所述的一种精确测量激光波长的装置，其特征在于，所述第一全反射镜(20)、第二全反射镜(26)、第三全反射镜(I)、第四全反射镜(19)、第五全反射镜(15)均为镀高反膜的全反射镜；所述第一凸透镜(24)、第二凸透镜(13)、第三凸透镜(11)均为镀增透膜的凸透镜。
5.一种采用如权利要求2所述装置精确测量激光波长的方法，其特征在于，包括以下步骤:(a)、飞秒脉冲激光器(28)发射的激光经过PPLN晶体(22)和光子晶体光纤(23)后实现扩束，扩束后的激光经过第一凸透镜(24 )聚焦后，透过第一衰减片(25 )并经光束准直结构到达第一半波片(18)，经第一半波片(18)调整激光偏振方向后，进入第一偏振分束器(6),再经第一偏振分束器(6)反射后输出到第三半波片(17);同时待测激光器输出的激光通过光阑(3)、透过第二衰减片(2)，经第二半波片(5)调整激光偏振方向后，进入第一偏振分束器(6);满足第一偏振分束器(6)偏振方向的激光输出到第三半波片(17),经第三半波片(17)调整输入到其上的飞秒脉冲激光器激光和待测激光器激光的偏振方向后，输出到第二偏振分束器(16); (b)、上述两光束入射到第二偏振分束器(16)后，满足第二偏振分束器(16)输出方向的偏振光输出并完成相干合成；(C)、合成光经第五全反射镜(15)反射后入射到反射光栅(14)上，经反射光栅(14)衍射并反射后，再由第二凸透镜(13)聚焦成连续光谱带；连续光谱带透过滤光片(12)后，入射到第三凸透镜(11)，光束经第三凸透镜(11)聚焦后，透过第三衰减片(10)，入射到雪崩二极管探测器(7); (d)、雪崩二极管探测器(7)将采集到的光信号转换成相应的电信号，并将其输入至频谱仪(9);根据频谱仪(9)上所显示的待测激光和飞秒激光频率相干信号的频差以及与待测激光相干的飞秒激光的频率值即可获得待测激光的频率。
【文档编号】G01J9/00GK104236725SQ201410512204
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】曹书凯, 张一驰, 汪丽蓉, 向少山 申请人:山西大学