一种基于电光相位调制频移反馈环路的激光频率漂移测量方法及系统与流程

本发明涉及光电子技术，特别是涉及一种基于电光相位调制频移反馈环路的激光频率漂移测量方法及系统。

背景技术：

窄线宽稳频激光器因其具有相干长度长、谱线宽度窄、频率稳定等优点，被广泛应用与激光雷达(测风、测云等)、激光通信等众多领域。在这些应用领域中，激光器不仅要求为单频输出，同时还需要较高的频率稳定度。但是，单频激光器的频率稳定度，尤其是长期稳定度一般需要经过专门的激光稳频才可以达到较高的水平。由于晶体温度、机械振动等因素的影响，单频激光器的工作频率是随时间变化的。这种现象，称为激光器输出频率漂移。在实际应用中，激光频率漂移会造成较大的测量误差。例如，激光相干测风雷达是根据激光的多普勒效应对风场进行测量，当激光器的频率漂移时，激光相干产生的多普勒频移不仅包含风场的多普勒频移，还包括激光频率的漂移，使得风速测量精度降低。

对单频激光器频率漂移特性的测量，常见的方法有直接测量法、拍频法、频率标准参考具法和自外差法等。直接测量法是利用光谱分析仪直接测量激光器的输出频率，其测量精度受到光谱分析仪频率分辨率的限制；拍频法通常利用一台频率相同的激光器与待测激光器进行光外差混合产生拍频，由频谱分析仪分析拍频信号，得到待测激光器相对于另外一台激光器的频率稳定度，其拍频信号的频率不稳定度来源于两台激光器。因此，拍频法需要一台与待测激光器相比具有更高稳定度的参考激光器。其他利用频率标准参考具如光频梳、光电子振荡器、法布里-珀罗(f-p)谐振腔等方法，不需要引入稳定度很高的激光器作为频率参考，可以在光频域直接测量激光器的频率漂移。但是，频率测量范围局限在标准具谐振半宽范围内。

此外，法国学者chatellus于2016年研究发现基于声光调制的频移反馈环路能够实现激光频率-时间映射，即当注入频移反馈环路中的激光由多个频率组成时，在频移反馈环路的输出端，光脉冲沿着时间轴完美地映射了输入的种子激光光谱。

因而，亟需一种具有测量范围宽，精度高，结构简单等优点的激光频率漂移测量方法。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的缺陷，本发明的第一方面，提供一种基于电光相位调制频移反馈环路的激光频率漂移测量方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)将待测激光注入频移反馈环路，经过电光相位调制产生双边带移频；

(2)所述待测激光在所述环路中传输一周的时间τ内，当所述电光相位调制的调制频率fm乘以所述τ等于整数时，输出并探测所述待测激光的双脉冲输出：

(2-1)在t时刻，一个调制周期tm内，探测所述待测激光通过所述电光相位调制频移反馈环路的第一组双脉冲输出，得到所述第一组双脉冲输出的时间间隔t′(t)；

(2-2)在t+δt时刻，一个调制周期tm内，探测所述待测激光通过所述电光相位调制频移反馈环路的第二组双脉冲输出，得到所述第二组双脉冲输出的时间间隔t′(t+δt)；

(3)根据所述第二、第一组双脉冲输出的时间间隔的差值t′(t+δt)-t′(t)，得出所述待测激光的频率漂移变化量f0(t+δt)-f0(t)，其中，f0为所述待测激光的频率。

进一步的，所述待测激光的频率漂移变化量f0(t+δt)-f0(t)为：

其中，δ为所述电光相位调制的调制深度，ωm为调制角频率，τ为所述待测激光在所述环路中传输一周所需的时间。

进一步的，所述调制深度δ满足：π/20＜δ＜2π。

进一步的，所述调制深度δ＝π。

进一步的，基于射频驱动信号进行所述电光相位调制，所述射频驱动信号的频率为fm，所述环路的基频为fc；

所述方法在探测所述第一、二组双脉冲输出之前，还包括调整所述fm和/或所述fc的步骤，以使两者满足：

fm＝p×fc，其中p为正整数。

进一步的，所述方法还包括：若判断所述频率漂移变化量大于所述环路的基频fc，则提高基频fc以使所述频率漂移变化量不大于所述基频fc。

进一步的，所述方法在探测所述第一、二组双脉冲输出之前，还包括增加所述待测激光在所述环路中的传输阶次的步骤。

本发明的第二方面，提供一种激光频率漂移测量系统，所述激光频率漂移测量系统应用上述的激光频率漂移测量方法；

所述激光频率漂移测量系统包括：

待测激光发射源，以向所述频移反馈环路发出并注入所述待测激光；

所述频移反馈环路，包括用于放大所述待测激光的低噪光学放大器和对所述待测激光进行所述电光相位调制的电光相位调制器；

光电探测器，用于探测所述第一、第二组双脉冲输出；

2x2耦合器，包括与所述待测激光发射源连接的第一输入端in1、与所述光电探测器连接的第一输出端out1，以及与所述频移反馈环路连接的第二输入端in2和第二输出端out2；

高速采集系统，连接并从所述光电探测器中接收所述待测激光的脉冲输出信号，用于实时测量所述第一、第二组双脉冲输出的时间间隔。

进一步的，所述电光相位调制器内设置有射频驱动器，以发出射频驱动信号用于所述电光相位调制。

进一步的，所述频移反馈环路还包括光学窄带滤波器，所述光学窄带滤波器的中心波长与所述待测激光的波长相同，以抑制环路的自激振荡。

本发明能够基于电光相位调制频移反馈环路的双脉冲输出特性，与双脉冲间隔受控于激光频率的特性，获得一种简捷、高效、且高精度的激光频率漂移测量方法及系统。

附图说明

图1是本发明基于电光相位调制频移反馈环路的激光频率漂移测量流程示意图；

图2是本发明基于电光相位调制频移反馈环路的激光频率漂移测量系统的结构示意图；

附图标记说明：

1-待测激光发射源；2-2x2耦合器；3-电光相位调制器；4-低噪光学放大器；5-光学窄带滤波器；6-光电探测器；7-高速采集系统。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见附图1、2，分别为本发明激光频率漂移测量流程示意图和激光频率漂移测量系统的结构示意图。

参见附图2，待测激光发射源1发出待测激光，并经2x2耦合器2(如光纤耦合器)注入到频移反馈环路中，依次经过电光相位调制器3(可含输出射频驱动信号的射频驱动器)、低噪光学放大器4、光学窄带滤波器5后再次反馈至耦合器2的输入端in2，耦合器的另一输出端out1直接接光电探测器6。

待测激光注入频移反馈环路中，经过相位调制器3产生双边带移频，由于调制器插入损耗和器件之间连接损耗，将调制后的待测激光经过低噪声放大器4补偿损耗；同时为了避免环路自激引起的锁模现象，环路中插入光学窄带滤波器5，使待测激光的频率处于滤波器的通带范围内。优选地，光学窄带滤波器5(如光纤滤波器)的中心波长与待测激光波长相同，以进一步起到光谱滤波、提高环路自激阈值的作用。经过双边带移频后的待测激光再次反馈到环路输入端，重复上述过程，形成了双边带频移反馈环路。

调节待测激光在环路中传输一周所需的时间τ与相位调制器调制频率fm的关系，使之满足谐振条件，即τ×fm＝整数。此时由于电光调制器的双边带调制特性，在一个调制周期内产生一对脉冲，且脉冲间隔由激光频率决定。令ein1(t)、eout1(t)分别表示2×2耦合器的输入(输入端in1)、输出(输出端out1)激光电场，其表达关系如下式所示：

其中，2x2耦合器2的传输矩阵可以表示为：(m,n分别表示耦合器输入端和输出端，tmn表示待测激光从输入端口m注入到耦合器再从输出端口n出射的传输效率，该均值小于1)。待测激光的电场表达式为其中激光角频率为ωo＝2πfo(fo为待测激光的频率)。激光在环路中传输一周所需时间为τ，电光相位调制的传输函数为其中δ＝πvm/vπ为调制深度(vm为电光相位调制器的射频电压，vπ为电光相位调制器的半波电压)。γ为环路的损耗因子，ωm为调制角频率，fm为调制频率(ωm＝2πfm)。

当所述电光相位调制的调制频率等于整数倍环路基频时，基于电光相位调制的频移反馈环路输出双脉冲激光。分别测量t时刻的双脉冲脉冲间隔t′(t)和t+δt时刻的双脉冲间隔t′(t+δt)，那么激光频率变化量ω0(t+δt)-ω0(t)与脉冲间隔变化量t′(t+δt)-t′(t)的关系可以表示为或者最后，通过高速采集系统7实时测量双脉冲间隔，根据上述关系反推出激光频率的变化量，即可实现激光频率漂移的实时测量。

作为一种优选实施方式，调节电光相位调制器的射频驱动信号功率，使得调制深度δ等于π，在一个调制周期tm＝2π/ωm内每个激光频率对应一对脉冲，且双脉冲间隔(调制深度δ＝π)由激光的瞬时角频率ωo决定。然而，本发明并不局限于此，当调制深度δ满足π/20＜δ＜2π时，ωoτ＝2bπ附近仍满足每个激光频率对应一对脉冲,只是相比调制深度δ等于π，其有效测量范围减小。然而，当调制深度δ过小或过大时(如δ＝π/20或δ＝2π)，有效测量范围将大大缩小，无法实现激光频率频移的实时测量。因此，利用双脉冲的间隔变化可以反演出激光瞬时频率的变化规律。

作为另一种优选方式，本发明可通过调节射频信号的频率fm和环路基频fc(环路基频由环路长度决定fc＝c/l，l为环路长度，c为真空中光速)，使得调制频率fm等于整数倍(p×fc，p为整数)环路基频fc，更有利于从输出端观察到脉冲输出。

再者，当激光频率瞬时漂移超过环路基频fc时，由于正弦函数的周期性，此时无法分辨出激光频率漂移量的绝对量。因此，可以通过缩短环路长度，使得环路基频提高，或者采用双环路或更多环路，通过后端算法变相的提高环路基频。环路基频可通过上述方法实现5mhz-100mhz的连续可调。因此，当激光频率漂移较大时可以采取提高环路基频fc的方法，以避免激光频率抖动超出测量范围。

此外，激光频率漂移的测量精度取决于脉冲宽度，因此缩短脉冲的时域宽度可以提高激光频率漂移的测量精度；具体为通过增加待测激光在频移反馈环路中的传输阶次(如10⁵)，最终可以实现100hz量级的频率分辨率。

需要说明的是，上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。