激光器波长检测方法与流程

本发明涉及一种光学检测技术，特别涉及一种激光器波长检测方法。

背景技术：

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。某些激光器,如可调谐激光器，由于可调谐激光器可以利用其调谐机构在很宽的波长范围内调节其输出光的波长，因此事先不能确定其输出波长；而半导体激光器，其输出光的波长会随着工作参数的改变而发生变化。这些激光器在使用时大多必须知道它们精确的输出波长,而大多数的激光器在维修以后波长也会发生改变，也必须对其输出波长重新进行标定。此外，有些激光器由于其本身的特性导致输出波长不稳定，跳动性比较大，使用时需要对其波长进行实时监测。因此激光波长是激光器性能测试的一项重要参数，也是激光器的研究、生产和应用中的一项基础工作。这项参数已越来越引起人们的重视。

技术实现要素：

本发明是针对激光器波长检测重要性的问题，提出了一种激光器波长检测方法，基于光栅衍射角与入射光波长之间的关系，通过测量光栅的衍射角，从而实现对激光波长的检测。

本发明的技术方案为：一种激光器波长检测方法，具体包括如下步骤：

1）参考激光光源发出波长为λ1的参考激光束，待测激光光源发出波长为λ2的待测激光束，参考激光束λ1和待测激光束λ2，分别经过第一光纤耦合器和第二光纤耦合器通过单模2x2光纤耦合器两个输入端口进入单模2x2光纤耦合器，两束激光经过单模2x2光纤耦合器的耦合区后合束，合束后的激光通过单模2x2光纤耦合器的其中一个端口输出进入光纤准直器准直后，穿过光隔离器，再经过分束镜分束，透射光照射到平面光栅表面，发生衍射；

2）当衍射光到达平面光栅上方的平面反射镜后，观察0级衍射光的位置，确定0级衍射光之后转动平面反射镜，使得0级衍射光能沿着原光路返回到平面光栅表面，此时平面光栅上的入射角为α，当0级衍射光返回到平面光栅表面后，经过相同的光路到达分光镜，经过分光镜的反射，反射光束被聚焦透镜聚焦到ccd上，记下此时ccd上光斑的位置以及固定平面反射镜的高精度旋转台的度数θ0；

3）再次转动平面反射镜，分别找到参考激光束λ1和待测激光束λ2所对应的1级衍射光，并使得1级衍射光在ccd上的光斑位置与0级衍射光的光斑位置一致，记下高精度旋转台所对应的度数，分别算出两束不同波长λ1、λ2的激光所对应的0级与1级衍射光之间的夹角δ1和δ2，α>0,δ1<0,δ2<0；

4）将所得数据代入方程组，解方程组

sin(α)+sin(-α-δ1)=λ1/d

sin(α)+sin(-α-δ2)=λ2/d

得到待测激光器的波长λ2，其中d为平面光栅的周期。

所述平面光栅的周期d≥λ/2，λ=max(λ1,λ2)。

所述光纤耦合器、光纤准直器及单模2x2光纤耦合器皆与通过的激光光源中心波长相匹配。

本发明的有益效果在于：本发明激光器波长检测方法，可以实时测量激光波长，装置简单易操作，且精度较高,同一个光栅可以适用于一个很宽的频带内的任一脉冲光。在实际操作过程中，只需转动平面反射镜依次使得平面光栅产生的1个0级和两个1级衍射光沿着原入射方向返回到平面光栅上，使得3个衍射光斑在ccd上处于同一位置。通过解方程组即可以得到待测激光器的波长值。

附图说明

图1为本发明激光器波长检测系统结构示意图；

图2为本发明激光器波长检测方法各个角度示意图。

具体实施方式

如图1所示激光器波长检测系统结构示意图，包括波长已知的参考激光光源1，待测激光光源2，第一光纤耦合器3，第二光纤耦合器4，单模2x2光纤耦合器5，光纤准直器6，光隔离器7，分光镜8，周期已知的平面光栅9，装在高精度旋转台11上的平面反射镜10，聚焦透镜12，ccd13。

参考激光光源1和待测激光光源2分别发出波长为λ1和λ2的激光束，参考激光束λ1经过第一光纤耦合器3进入单模2x2光纤耦合器5的入射端口p1，而待测激光束λ2则经过第二光纤耦合器4进入单模2x2光纤耦合器5的入射端口p2，耦合光通过出射端口p3进入光纤准直器6，而端口p4是没有用到的。两束激光经过单模2x2光纤耦合器5的耦合区后将会进行合束，合束后的激光将分别传输到端口p3和端口p4，传到端口p4的那部分激光会损失掉，而传到端口p3的混合激光经光纤准直器6准直后，穿过光隔离器7，经过分束镜8分束，透射光照射到平面光栅9表面，发生衍射。当衍射光到达平面光栅9上方的平面反射镜10后，观察0级衍射光的位置，确定0级衍射光之后转动平面反射镜10，转到合适的位置以使得0级衍射光能沿着原光路返回到平面光栅9表面，此时平面光栅9上的入射角为α，如图2所示各个角度示意图。当0级衍射光返回到平面光栅9表面后，经过相同的光路到达分光镜8。经过分光镜8的反射，反射光束被聚焦透镜12聚焦到ccd13上，记下此时ccd13上光斑的位置以及高精度旋转台11的度数。同样的检测方法，找到两束激光所对应的1级衍射光，依次对其进行相应的操作，使得它们在ccd13上的光斑位置与0级衍射光的光斑位置一致，记下高精度旋转台11所对应的度数。分别算出两束不同波长λ1、λ2的激光所对应的0级与1级衍射光之间的夹角δ1和δ2，其中α>0,δ1<0,δ2<0,平面光栅9的周期d以及参考激光器的波长λ1为已知，解方程组

sin(α)+sin(-α-δ1)=λ1/d（1）

sin(α)+sin(-α-δ2)=λ2/d（2）

即可以得到待测激光器的波长λ2。该实验可以根据待测激光光源2的不同，选择相对应的参考激光光源1，第一光纤耦合器3，第一光纤耦合器4，光纤准直器6，单模2x2光纤耦合器5以及平面光栅9。

固定在平面反射镜10下方的高精度转台11可以360°连续转动，通过转动使特定级次的衍射光能沿着入射方向返回到平面光栅9上。

参考激光光源1的波长是稳定的，其波动可以忽略不计。单模2x2光纤耦合器5一共有四个端口，并且是双向的，任何端口都可以用作输入端。

所述光纤耦合器，光纤准直器6，单模2x2光纤耦合器5皆与通过的激光光源中心波长相匹配。

光隔离器7使得激光束只能从左向右传播，而不能反向传播。

所述平面光栅9的周期d≥λ/2，λ=max(λ1,λ2)。

在下面的检测激光器波长的实施实例中，参考激光器的输出中心波长为671.277nm、待测激光光源波长范围为650±10nm，平面光栅的周期为500nm，其它激光波长的检测与该检测的实施方法一致。

具体实现激光器波长检测的过程如下：如图1所示，由周期已知的平面光栅9（周期d=500nm），波长已知的参考激光光源1（λ1=671.277nm），待测激光光源2（波长范围为：650±10nm），第一光纤耦合器3，第二光纤耦合器4，光纤准直器6，单模2x2光纤耦合器5（覆盖波长：632±50纳米，耦合比为50：50），光隔离器7，分光镜8，聚焦透镜12，ccd13，高精度旋转台11（分辨率：0.00125°），平面反射镜10组成。

参考激光光源1和待测激光光源2分别发出波长为λ1和λ2的激光束，参考激光束λ1和待测激光束λ2，分别经过第一光纤耦合器3和第二光纤耦合器4进入单模2x2光纤耦合器5，两束激光经过单模2x2光纤耦合器5的耦合区后将会进行合束，合束后的激光将分别传输到端口p3和端口p4，传到端口p4的那部分激光会损失掉，而传到端口p3的混合激光经光纤准直器6准直后，穿过光隔离器7后进入分束镜8，透射光照射到平面光栅9表面。平面光栅9的一侧放置着一个高精度转台11，平面反射镜10安装在转台的中心上，用来接收平面光栅9形成的衍射光。高精度转台11可以360°旋转，用来转动平面反射镜10，使得不同级次的衍射光沿着原光路返回，即满足自准直条件。当衍射光到达平面反射镜10后，观察0级衍射光的位置。0级衍射光与入射光对称分布于光栅法线两侧，而λ1，λ2所对应的1级衍射光，波长值较小的1级衍射光的位置离0级衍射光更近。若对于其它波长相差较大的激光而言，则可以直接通过颜色来判断它们所对应的1级衍射光。在确定0级衍射光之后转动平面反射镜10，转到合适的位置以使得0级衍射光能沿着原光路返回到平面光栅9表面。当0级衍射光返回到平面光栅9表面后，经过相同的光路到达分光镜8。经过分光镜8的反射，光束被聚焦透镜12聚焦到ccd13上，记下此时ccd13上光斑的位置以及转台11的度数θ0。同样的，确定两束激光分别对应的1级衍射光，依次对其进行相应的操作，使得它们在ccd13上的光斑位置与0级衍射光的光斑位置一致，记下转台11所对应的度数θλ1、θλ2。则可以得到两束不同波长λ1、λ2的激光所对应的0级与1级衍射光之间的夹角δ1和δ2，其中，δ1=θ0-θλ1，δ2=θ0-θλ2。令入射角为α，待测激光器的波长为λ2，其中α>0,δ1<0,δ2<0,平面光栅9的周期d以及参考激光器的波长λ1为已知，解方程组

sin(α)+sin(-α-δ1)=λ1/d（1）

sin(α)+sin(-α-δ2)=λ2/d（2）

即可以得到待测激光器的波长λ2。

本发明实施例可用于检测激光器的波长，测量前先将待测激光光束2与参考激光束1进行合束，转动平面反射镜10，依次使得平面光栅9产生的1个0级和两个1级衍射光沿着原入射方向返回到平面光栅上9，最终由ccd13探测返回来的衍射光斑的位置。通过解方程组即可以得到待测激光器的波长值。