专利名称：基于马赫曾德干涉仪的激光器频率噪声功率谱密度测试系统及方法
技术领域：
本发明涉及光学仪器的测试与测量技术领域，尤其涉及一种基于马赫曾德干涉仪的激光器频率噪声功率谱密度测试系统及方法。
背景技术：
激光器频率噪声对光路系统影响的计算需要精确得到激光器频率噪声PSD特性， 建立激光器频率噪声PSD特性的测试系统是十分有必要的。但是直接对PSD曲线测试是很难完成，需要将频率噪声通过线性转换得到光强，再进行测试。常见的激光器频率噪声PSD测试方法有边带锁定法和Ponud-Drever-Hall (PDH) 锁频法。PDH锁频技术需要采用高精度的Fabry-Perot腔，搭建系统复杂，成本较高；边带锁定法在成本和实用性上具优势，本发明的基本原理即属于边带锁定法，在原有基础上进行改进，提出反馈方案和声光移频器移频方案，简易和稳定地实现激光器频率噪声PSD的测试。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于马赫曾德干涉仪的激光器频率噪声功率谱密度测试系统及方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的
基于马赫曾德干涉仪的激光器频率噪声功率谱密度测试系统包括待测激光器、隔离器、衰减器、第一 50%耦合器、相位调制器、延时光纤、声光移频器、第二 50%耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、锁相放大器、伺服回路、信号源、电子频谱仪；待测激光器、隔离器、衰减器、第一 50%耦合器、相位调制器、第二 50%耦合器、第一光电探测器、锁相放大器、 伺服回路顺次相连，伺服回路与相位调制器相连；第一 50%耦合器、延时光纤、声光移频器 、第二 50%耦合器、第二光电探测器、电子频谱仪顺次相连；信号源分别与声光移频器、锁相放大器相连。基于马赫曾德干涉仪的激光器频率噪声功率谱密度测试方法是待测激光器的激光通过隔离器、衰减器，经第一 50%耦合器分成两路激光，一路激光通过相位调制器，另一路激光通过延时光纤、声光移频器，两路激光经第二 50%耦合器干涉后再分为两路激光， 一路激光经第一光电探测器转换成光电流并通过伺服回路用于反馈回路控制，使得系统工作在线性段，另一路激光经第二光电探测器转换成光电流在电子频谱仪上观测激光器的频率噪声功率谱密度，信号源对声光移频器进行移频，同时作为同步信号用于锁相放大器的信号解调，完成反馈信号的提取。本发明与现有技术相比具有的有益效果
1)本发明提供一种在电子频谱仪上即可稳定观测的激光器频率噪声功率谱密度测试方法；2)本发明提供的反馈控制回路实现系统的测试工作点的稳定，为测试提供良好的线性区间；
3)本发明提供的声光移频器的移频，可以有效避开测试系统本身的Ι/f噪声。
图1是基于马赫曾德干涉仪的激光器频率噪声功率谱密度测试系统的结构示意图2是基于马赫曾德干涉仪的激光器频率噪声功率谱密度测试方法的原理示意图； 图中1、待测激光器，2、隔离器，3、衰减器，4、第一 50%耦合器，5、相位调制器，6、延时光纤，7、声光移频器，8、第二 50%耦合器，9、第一光电探测器，10、第二光电探测器，11、锁相放大器，12、伺服回路，13、信号源，14、电子频谱仪。
具体实施例方式如图1所示，基于马赫曾德干涉仪的激光器频率噪声功率谱密度测试系统包括待测激光器1、隔离器2、衰减器3、第一 50%耦合器4、相位调制器5、延时光纤6、声光移频器 7、第二 50%耦合器8、第一光电探测器9、第二光电探测器10、锁相放大器11、伺服回路12、 信号源13、电子频谱仪14 ；待测激光器1、隔离器2、衰减器3、第一 50%耦合器4、相位调制器5、第二 50%耦合器8、第一光电探测器9、锁相放大器11、伺服回路12顺次相连，伺服回路12与相位调制器5相连；第一 50%耦合器4、延时光纤6、声光移频器7、第二 50%耦合器8、第二光电探测器10、电子频谱仪14顺次相连；信号源13分别与声光移频器7、锁相放大器11相连。基于马赫曾德干涉仪的激光器频率噪声功率谱密度测试方法是待测激光器1 的激光通过隔离器2、衰减器3，经第一 50%耦合器4分成两路激光，一路激光通过相位调制器5，另一路激光通过延时光纤6、声光移频器7，两路激光经第二 50%耦合器8干涉后再分为两路激光，一路激光经第一光电探测器9转换成光电流并通过伺服回路12用于反馈回路控制，使得系统工作在线性段，另一路激光经第二光电探测器10转换成光电流在电子频谱仪14上观测激光器的频率噪声功率谱密度，信号源13对声光移频器7进行移频，同时作为同步信号用于锁相放大器11的信号解调，完成反馈信号的提取。激光器频率噪声对光路系统影响的计算需要精确得到激光器频率噪声PSD特性， 因此需要建立激光器频率噪声PSD特性的测试系统。但是直接对PSD曲线测试是很难完成，需要将频率噪声通过线性转换得到光强，再进行测试。本发明提供一种结合环路反馈以及声光移频器(AOM)移频技术，通过电子频谱仪直接测试激光器频率噪声PSD的方法和系统。待测激光器输出通过隔离器并由耦合系数为的第一 50%耦合器分成两路光，其中一路通过相位调制器(PM)，另外一路通过一个光纤延时线和声光移频器，再通过第二 50% 耦合器进行干涉，并通过光电探测器(PD)把光信号转换成电信号，一路用于锁定，另一路在电子频谱仪(ESA)上进行观测得到功率谱密度曲线。其中AOM用来将激光器频率噪声频谱搬移到高频处，消除测试系统本身Ι/f噪声对测试带来的影响；反馈回路用来控制工作点， 使得系统工作在良好的线性段。具体的理论推导如下假设激光器光场输出为
+ δοφΥ)(1)
其中Ptl为激光器功率，Vtl为中心频率，δ V (t)为光频的波动，即所需测得频率噪声。光纤延时路经过耦合器和延时光纤和AOM得到光场输出为
Edehv (i) = ^Jp^ cxpC72iT(q + aj + (5b(i))(t — r0))(2)
其中Ttl为由延时光纤引起的延时，Pd为经过延时光纤后的功率，6 为AOM的移频量。PM相移路经过耦合器和PM得到光场输出为
Em (i) = ^Pm Eip(/(2^(1 + 5υ( 》) + 2πυ τ耀、、(3)
其中τ PM为由PM引起的相位等效延时，Ppm为经过PM后的功率。经干涉后，再通过耦合器输出到PD输入端的光场为
E1 (i) ^ Pd + Pfm + PdPfm cos(2Tr^r + -t) + 2πδυ( )τ0)(4)
其中 τ = τ 0+ τ ρΜΟ最后由PD输出到频谱仪ESA观察的电信号为
( ) = 5 + Pam + 2yjPdPfm cos(2jTL^-r + (τ0 - ) + 2πδυ^:)τ0)] =J0 + Aj eosplOTyr + (γ0 — ) +(5)
其中P力PD的光电转换系数，这里使用量纲为A/w，I0 = m(Pd +Pjm) , M = 2m批Pm 。在反馈路我们先用锁相放大器用加载在AOM上的碎同步信号去解调，得到以下
信号
^ (i) = [ I0 + Δι cos(2m>0T + ω0 (τα - )+ 2πδυ ( )τ0)] cos( 0f + φ)
=？,J ccis(s|ji+f) *去 cos(2/b.>4t-2f%i + ^ + 2 -φ)*· ιιν$ 2 ε,'0τ+ 2 + 2πδυ(β)τ ) + ] (6)
再用低通滤波得到
=+ 2πδυ·(Φο ~ψ)⑴
Z
再通过反馈调整使得
Γ
Ιπι^τ + -φ= 2πι^(r0 +τΡΜ)-φ= — + ιιπ(8)
这样我们可以得到
i2 (t) = -Δι sin(lMSi^t)T0)(9)
在此时激光器中心频率在正交点，上述信号可以写成
权利要求
1.一种基于马赫曾德干涉仪的激光器频率噪声功率谱密度测试系统，其特征在于包括待测激光器(1)、隔离器O)、衰减器(3)、第一 50%耦合器G)、相位调制器(5)、延时光纤(6)、声光移频器(7)、第二 50%耦合器(8)、第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)、 锁相放大器(11)、伺服回路(12)、信号源(13)、电子频谱仪(14)；待测激光器(1)、隔离器 (2)、衰减器(3)、第一 50%耦合器(4)、相位调制器(5)、第二 50%耦合器(8)、第一光电探测器(9)、锁相放大器(11)、伺服回路(12)顺次相连，伺服回路(12)与相位调制器(5)相连； 第一 50%耦合器(4)、延时光纤(6)、声光移频器(7)、第二 50%耦合器(8)、第二光电探测器(10)、电子频谱仪(14)顺次相连；信号源(13)分别与声光移频器(7)、锁相放大器(11) 相连。
2.一种使用如权利要求1所述系统的基于马赫曾德干涉仪的激光器频率噪声功率谱密度测试方法，其特征在于待测激光器(1)的激光通过隔离器O)、衰减器(3)，经第一 50%耦合器(4)分成两路激光，一路激光通过相位调制器(5)，另一路激光通过延时光纤 (6)、声光移频器(7)，两路激光经第二 50%耦合器(8)干涉后再分为两路激光，一路激光经第一光电探测器(9)转换成光电流并通过伺服回路(12)用于反馈回路控制，使得系统工作在线性段，另一路激光经第二光电探测器(10)转换成光电流在电子频谱仪(14)上观测激光器的频率噪声功率谱密度，信号源(13)对声光移频器(7)进行移频，同时作为同步信号用于锁相放大器(11)的信号解调，完成反馈信号的提取。
全文摘要
本发明公开了一种基于马赫曾德干涉仪的激光器频率噪声功率谱密度测试系统及方法。本发明通过反馈回路将激光器中心频率锁定在马赫曾德干涉仪干涉曲线的正交点，使得系统工作在良好的线性段，完成对激光器的频率噪声到光强的转换，达到了通过电子频谱仪直接测试的目的；通过声光移频器的移频使得频率观测点避开测试系统本身的1/f噪声。本发明为激光器频率噪声功率谱密度的测试，提供一种在电子频谱仪上即可观测的稳定测试方法，为激光器频率噪声对光学系统的影响分析提供了一种手段，具有重要的科学意义与应用价值。
文档编号G01M11/02GK102183362SQ201110069378
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月22日 优先权日2011年3月22日
发明者张顾洪, 金仲和, 马慧莲 申请人:浙江大学