一种单频激光器波长比较的装置和方法
【专利摘要】本发明提供了一种单频激光器波长比较的装置和方法，此装置包括：第一单频激光器、第二单频激光器、光学合束器、非简并光学腔、色散元件、光电探测器、示波器。采用上述装置，此方法包括以下步骤：将两台激光器的输出光在光学合束器上合束，并使两束光在光学合束器后光束参数相同，传播方向一致；挡住其中一束光，调节另一束光与非简并光学腔实现模式匹配；改变另一束激光的波长，通过比较两束光与非简并光学腔的模式匹配效率来比较两束光的波长差异。该方法装置简便、实用、廉价，具有很好的实用价值。
【专利说明】
一种单频激光器波长比较的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光【技术领域】，具体属于一种单频激光器波长比较的装置和方法。
【背景技术】
[0002]实际工作中，比较两台单频激光器波长是否相等或者近似相等有非常广泛的应用:
[0003]I)线宽是衡量单频激光器性能的一个重要指标，目前为止，测量单频激光器线宽最常用的方法是拍频法，即测量两台激光器的差频信号的频谱宽度计算得到激光器的线宽值。如果参与拍频的两台单频激光器的频率差太大，受光电探测器和频谱分析仪带宽的限制，就不能获得拍频信号。需要用一种方法比较两台激光器的波长差异，并调谐其中一台激光器的波长使两台激光器的波长近似相等，达到光电探测器和频谱分析仪的测量范围，获得激光器的线宽。
[0004]2)随着科学的发展和技术的进步，对激光器的功率提出越来越高的要求，单台激光器的输出功率并不能满足一些领域的应用需求。需要将几台激光器输出的光进行相干合成以便获得更高功率激光输出。参与相干合成的几台激光器的波长必须能够调谐至近似相等才能实现高效相干合成。因此，需要用一种方法比较两台激光器的波长差异来筛选输出波长近似的激光器来进行相干合成。
[0005]3)在光与原子相互作用研究中，需要将几台激光器锁定在一定差频范围内的几个不同波长上，以满足与不同的原子跃迁线相匹配，而锁定几台激光器的前提是将几台激光器的波长调谐到近似相等，以满足相位锁定的需要。因此，需要用一种方法比较两台激光器的波长差异来调谐两台激光器的波长到近似相等。
[0006]现有技术中，最直接的比较两台激光器波长差异的方法是用高精度波长计分别测量两台激光器的波长，然后计算出两台激光器的波长差。但是高精度波长计的价格昂贵。
[0007]本发明提出一种单频激光器波长比较的装置和方法，用简便、实用、廉价的实验装置就可以比较两台激光器的波长，具有重要的应用价值。
【发明内容】
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[0008]本发明的目的是提供一种简便、实用、廉价的单频激光器波长比较的装置和方法。
[0009]本发明的核心思想是利用不同波长的光通过色散元件后传播方向不同与非简并光学腔对输入光束方向敏感的原理。首先，调节两台激光器输出的光束重合；然后，将两束光通过色散元件，由于不同波长的光通过色散元件后的传播方向不同，因而，不同波长的光在非简并光学腔中的入射角度不同；最后，把经过色散元件后的光导入非简并光学腔，角度不同的光在非简并光学腔中对应不同的模式匹配效率；根据两束光与非简并光学腔的模式匹配效率(模式匹配效率根据非简并光学腔的透射信号判断)判断两束光的波长差异，如果两束光的波长差异大，模式匹配效率差异明显，随着两束光的波长差异变小，模式匹配效率差异越来越小，直到两束光的模式匹配效率相等且非简并光学腔的透射峰重合时，两束光的波长相等。
[0010]本发明提供的一种单频激光器波长比较的装置，包括第一单频激光器、第二单频激光器、光学合束器、非简并光学腔、色散元件、光电探测器、示波器；所述的第一单频激光器的输出光与第二单频激光器的输出光在光学合束器上耦合后，经色散元件导入非简并光学腔，非简并光学腔的透射光导入光电探测器中；光电探测器与示波器连接；所述的第一单频激光器和第二单频激光器的输出光在光学合束器上I禹合时偏振方向相同。
[0011 ] 所述的色散元件为光栅或三棱镜。
[0012]所述的非简并光学腔为两镜腔或其它多镜腔。
[0013]所述的光学合束器是光学镜片合束器或光纤合束器。
[0014]第一单频激光器和第二单频激光器均为或其中一台为可调谐激光器，通过固定一台激光器的波长，改变另一台激光器的波长可以观察另一台激光器模式匹配效率的变化情况。光栅一般在两台激光器波长差小的时候使用，因为光栅的色散特性更好，光栅的分辨率越闻，分辨的波长差越小，该方法的分辨率越闻；三棱镜一般在两台激光器波长差大的时候使用，利用三棱镜作为色散元件时，该方法的分辨率较低。第一单频激光器和第二单频激光器的输出光在光学合束器I禹合时偏振方向相同，保证两束光波长相等时，对应非简并光学腔同样的本征模式。
[0015]基于上述装置，本发明提供的一种单频激光器波长比较的方法，依次包括如下步骤:
[0016]I)、将第一单频激光器的输出光与第二单频激光器的输出光在光学合束器上合束，并使两束光在光学分束器后的光束参数相同、位置重合；
[0017]两束光在入射到色散元件前的传播方向一致、光束参数相同保证光束通过色散元件后在非简并光学腔中模式匹配效率的差异是由色散引起的，排除了其它实验条件对模式匹配效率的影响。如果两束光在色散元件前的光束参数和传播方向不同，即使不经过色散元件，两束光与非简并光学腔的模式匹配效率也不相等。
[0018]2)、将合束光入射到色散元件上，由于色散元件的色散作用，合束光通过色散元件后的传播方向与光束的波长有关；
[0019]两束光经过色散兀件后传播方向的偏离与色散兀件的分辨率有关。对于同样的波长差，色散元件的分辨率越高，两束光传播方向的偏离角越大，与非简并光学腔的模式匹配效率相差越大，该方法的分辨率越高。
[0020]3)、挡住第一单频激光器的输出光，将第二单频激光器的输出光导入非简并光学腔，并调节光束与非简并光学腔实现良好模式匹配，模式匹配通过用光电探测器探测非简并光学腔后的信号获得，光电探测器的输出与示波器连接，读出透射信号；
[0021]调节第二单频激光器的输出光与非简并光学腔实现良好模式匹配，以第二单频激光器为基准，调节第一单频激光器的输出波长，比较两束光与非简并光学腔的模式匹配效率的变化情况就可以判断两束光的波长差是变大还是缩小。
[0022]4)、放开第一单频激光器的输出光，用示波器观察非简并光学腔的透射信号，当第一单频激光器与非简并光学腔的模式匹配效率和第二单频激光器与非简并光学腔的模式匹配效率接近时，两台激光器的输出波长近似相等；当第一单频激光器与非简并光学腔的模式匹配效率和第二单频激光器与非简并光学腔的模式匹配效率相等且透射峰重合时，两台激光器的输出波长相等。
[0023]所述的步骤I)使两束光在光学合束器后的光束参数相同、位置重合的方法，是将第一单频激光器的输出光与第二单频激光器的输出光通过光学镜片合束器合束，导入一个非简并光学腔，调节两束光分别与非简并光学腔模式匹配；或者是直接通过光纤合束器合束实现。
[0024]将两台激光器的输出光分别耦合进光纤合束器的两个输入端，由于光纤是波导器件，在光纤的输出端两束光的光束参数相同。由于两束光从一根光纤输出，因而传播方向一致。也可以将合束光导入一个非简并光学腔，如果两束光均与非简并光学腔实现良好模式匹配，表明两束光光束参数相同，传播方向一致
[0025]本发明所述的单频激光器波长比较的装置和方法与传统的方法相比具有以下优占-
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[0026](I)该装置无需用昂贵的波长计分别测量两台激光器的波长，仅仅用光栅和非简并光学腔就可比较两台激光器的波长，价格低廉。
[0027](2)该方法通过同时观察两束光通过光学腔后的透射信号，判断两束光的波长是否相等或相近，具有结果直观的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是用光栅作为色散元件，单频激光器波长比较的装置示意图
[0029]图2是用三棱镜作为色散元件，单频激光器波长比较的装置示意图
[0030]图中:1-第一单频激光器，2-第二单频激光器，3-光学合束器，4-非简并光学腔，5-色散元件，6-光电探测器，7-示波器。
[0031]图3是实施例1中波长差大小不同时，两束光通过非简并光学腔的透射信号，A)波长相差较大；B)波长接近；C)波长相等。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明的【具体实施方式】做出进一步详细说明。以下实施方式用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0033]实施例1
[0034]是利用光栅作为色散元件，单频激光器波长比较的实验方案。实验装置如图1所不，包括第一单频激光器1、第二单频激光器2、光学合束器3、非简并光学腔4、色散兀件5、光电探测器6、示波器7。第一单频激光器I采用分布反馈式单频光纤激光器，激光器的输出波长可以在1549.50nm-1550.50nm范围内调谐。第二单频激光器2采用另一台分布反馈式单频光纤激光器，激光器的波长可以在1549.50nm-1550.50nm范围内调谐。在实验中，我们固定第一单频激光器I的输出波长在1550.303nm，改变第二单频激光器2的波长。第二单频激光器的调谐方式为控制激光器的温度和扫描激光器上的压电陶瓷两种方法，改变第二单频激光器2的工作温度可以实现大范围调谐，改变第二单频激光器2上压电陶瓷的电压可以实现小范围调谐。使两台激光器的输出光在光学分束器上I禹合时偏振方向相同，光学合束器3由一个对1550nm反射率为50%的45度反射镜充当，两台激光器的输出光在光学合束器3上稱合,并调节两台激光器的输出光在通过光学合束器3后重合,在光学合束器3后面加一个辅助光学腔，该腔为非简并光学腔。调节两台激光器的输出光与辅助光学腔的模式匹配效率均大于99.5%,表明此时两台激光器的输出光在光学合束器3后面的光束参数相同，传播方向一致。将合束光入射到色散元件5上，色散元件5由反射光栅充当，入射光正入射到光栅上，光栅每毫米的刻线为1200条，刻面宽度为20毫米。合束光通过光栅衍射后，挡住第二单频激光器2的输出光，用合适的透镜组变换光束的参数和用反射镜调节光束的传播方向，使第一单频激光器I的输出光与非简并光学腔4实现良好模式匹配，模式匹配效率大于99.5%。然后放开第二单频激光器2的挡光片，将第二单频激光器2的光也导入非简并光学腔4，获得如图3 (A)所示的透射峰曲线。由于光栅的色散原理，如果第二单频激光器2的输出光波长与第一单频激光器I输出光的波长相差较大，通过光栅后光束的偏离较大，因此第二单频激光器2不能与非简并光学腔4实现良好模式匹配，两束光的模式匹配效率差别较大。我们改变第二单频激光器2的输出波长，当两台激光器的波长差减小时，第二单频激光器2的输出光通过光栅后与第一激光器I的偏离角缩小，两束光的模式匹配效率差别减小，结果如图3(B)所示，此时两台激光器的波长接近相等。继续改变第二单频激光器2的输出波长，当两台激光器的输出波长相等时，两台激光器通过光栅后光束的传播方向一致。因此，模式匹配效率相等，且由于两束光波长相等，因此在腔内同时达到的共振条件，两束光的透射峰重合，结果如图3(C)所示，此时，两台激光器的波长相等。因此，通过比较两束光在非简并光学腔4中模式匹配效率，就可以比较两束光的波长差异。
[0035]实施例2
[0036]是利用三棱镜作为色散元件，单频激光器波长比较的实验方案。实验装置如图2所示，包括第一单频激光器1、第二单频激光器2、光学合束器3、非简并光学腔4、色散元件
5、光电探测器6、示波器7。第一单频激光器I采用分布反馈式单频光纤激光器，激光器的输出波长可以在1549.50nm-1550.50nm范围内调谐。第二单频激光器2采用另一台分布反馈式单频光纤激光器，激光器的波长可以在1549.50nm-1550.50nm范围内调谐。在实验中，我们固定第一单频激光器I的输出波长在1550.303nm，改变第二单频激光器2的波长。第二单频激光器的调谐方式为控制激光器的温度和扫描激光器上的压电陶瓷两种方法，改变第二单频激光器2的工作温度可以实现大范围调谐，改变第二单频激光器2上压电陶瓷的电压可以实现小范围调谐。使两台激光器的输出光在光学分束器上I禹合时偏振方向相同，光学合束器3是一个保偏光纤合束器,包括两个稱合输入端和一个稱合输出端,两台激光器的输出光分别经光纤耦合器导入光纤合束器中，此时在光纤合束器的输出端两束光的光束参数相等，传播方向一致。合束光通过三棱镜散射后，挡住第二单频激光器2的输出光，用合适的透镜组变换光束的参数和用反射镜调节光束的传播方向，使第一单频激光器I的输出光与非简并光学腔4实现良好模式匹配，模式匹配效率大于99.5%，三棱镜用熔融石英材料制成，折射率为1.45，顶角为60度。然后放开第二单频激光器2的挡光片，将第二单频激光器2的光也导入非简并光学腔4。由于三棱镜的色散原理，当两台激光器的波长差较大时，两束光与非简并光学腔4的模式匹配效率差别较大；当两台激光器的波长接近时，两束光与非简并光学腔4的模式匹配效率差别变小；当两台激光器的波长相等时，两束光与非简并光学腔4的模式匹配效率相等，且透射光束重合。因此，通过比较两束光在非简并光学腔4中模式匹配效率，就可以比较两束光的波长差异。
[0037]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种单频激光器波长比较的装置，其特征在于，包括第一单频激光器(I)、第二单频激光器(2)、光学合束器(3)、非简并光学腔(4)、色散元件(5)、光电探测器￠)、示波器(7);所述的第一单频激光器(I)的输出光与第二单频激光器(2)的输出光在光学合束器(3)上耦合后，经色散元件(5)导入非简并光学腔(4)，非简并光学腔(4)的透射光导入光电探测器(6)中；光电探测器(6)连接示波器(7);所述的第一单频激光器⑴和第二单频激光器(2)的输出光在光学合束器(3)上I禹合时偏振方向相同。
2.根据权利要求书I所述的一种单频激光器波长比较的装置，其特征在于，所述的色散元件(5)为光栅或三棱镜。
3.根据权利要求书I所述的一种单频激光器波长比较的装置，其特征在于，所述的非简并光学腔(4)为两镜腔或其它多镜腔。
4.根据权利要求书I所述的一种单频激光器波长比较的装置，其特征在于，所述的光学合束器(3)是光学镜片合束器或光纤合束器。
5.一种单频激光器波长比较的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的装置，依次包括如下步骤: 1)、将第一单频激光器(I)的输出光与第二单频激光器(2)的输出光在光学合束器(3)上合束，并使两束光在光学合束器(3)后的光束参数相同、位置重合； 2)、将合束光入射到色散兀件(5)上； 3)、挡住第一单频激光器(I)的输出光，将第二单频激光器(2)的输出光导入非简并光学腔(4)，并调节光束与非简并光学腔(4)实现模式匹配，模式匹配效率通过用光电探测器(6)探测非简并光学腔(4)后的信号获得，光电探测器￠)的输出与示波器(7)连接，读出透射信号； 4)、放开第一单频激光器(I)的输出光，用示波器(7)观察非简并光学腔(4)的透射信号，当第一单频激光器(I)与非简并光学腔(4)的模式匹配效率和第二单频激光器(2)与非简并光学腔(4)的模式匹配效率接近时，两台激光器的输出波长近似相等，当第一单频激光器(I)与非简并光学腔(4)的模式匹配效率和第二单频激光器(2)与非简并光学腔(4)的模式匹配效率相等且透射峰重合时，两台激光器的输出波长相等。
6.根据权利要求书5所述的一种单频激光器波长比较的方法，其特征在于，所述的步骤I)使两束光在光学合束器(3)后的光束参数相同、位置重合的方法，是将第一单频激光器(I)的输出光与第二单频激光器(2)的输出光通过光学镜片合束器合束，导入一个非简并光学腔，调节两束光分别与非简并光学腔模式匹配；或者是直接通过光纤合束器合束实现。
【文档编号】H01S3/10GK104332817SQ201410558996
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】郑耀辉, 王雅君, 彭堃墀 申请人:山西大学