基于单F-P标准具监测激光器出光波长的装置及方法与流程

基于单f-p标准具监测激光器出光波长的装置及方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于单f-p标准具监测激光器出光波长的装置及方法，属于激光波长检测技术领域。


背景技术：

2.随着激光器和激光系统的不断发展，激光器被广泛应用于主动光电技术领域，对其性能的要求也越来越高。激光波长作为激光器的重要参数指标，其精确性和稳定性尤为重要，决定了整个系统的工作波长和相关设计。激光器的波长易受到外界环境及自身变化的影响。例如，当半导体激光器的工作温度或驱动电流发生变化时，激光器的输出波长就会发生改变。若系统对激光器出光波长较为敏感，波长的不稳定会对系统性能造成影响，当波长变化超出允差时，甚至可能导致系统的失效。因此需要对激光器的输出波长进行监测，以此，对激光器或系统其它功能部件进行必要调整，保证系统性能的稳定性。
3.目前，测量激光波长的仪器主要有法布里-珀罗干涉仪、斐索干涉型波长计和迈克尔逊干涉型仪。法布里-珀罗干涉仪利用多块厚度不同的标准具进行接力测量的方法。但是，该种方法对接力测量中的每块标准具厚度定标均提出了很高的要求，需在测量系统中引入参考光束，系统较为复杂。斐索干涉型波长计由两个熔融石英制成的平板和一个楔形隔圈胶合而成，通过固定干涉腔内表面的楔角和间距，测量初始相位和干涉条纹宽度，从而获得待测波长。但是，实际使用过程中由于温度、空气折射率或楔形隔圈的变化，同样也需引入参考光源。迈克尔逊干涉型仪通过对比参考光和测试光的干涉条纹数量来测量波长。这些测量方式均需要引入标准参考光源，且对光源有很高的要求，不利于系统集成，而且迈克尔逊波长计只能测量连续激光器的波长。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于单f-p标准具监测激光器出光波长的装置，实现对对激光出射波长实时监测，避免波长偏移导致的失效。
5.本发明解决技术的方案是：
6.一种基于单f-p标准具监测激光器出光波长的装置，包括：光纤准直镜头、衍射光栅元件、f-p标准具、光纤耦合镜头、轴上光输出光纤、轴上光光强探测器、轴外光输出光纤和轴外光光强探测器，
7.光纤准直镜头将光纤导入的激光准直，输出平行的激光并入射至衍射光栅元件上；
8.衍射光栅元件具有两个工作衍射级，将准直后的激光分成两束等强度光，一波束为0级衍射的轴上光，另一波束为非0级衍射的轴外光，两光束夹角为a
°
；
9.经衍射光栅元件分束的两束光分别以0
°
和a
°
入射至f-p标准具上；单调线性区与激光器波长的变化区间相符；
10.轴上光和轴外光经f-p标准具后进入光纤耦合镜头，分别耦合进入轴上光输出光
纤和轴外光输出光纤；
11.轴上光光强探测器和轴外光光强探测器分别测量两束光的光强，得到光强的比值。
12.进一步的，光强的均匀性和夹角的具体数值由f-p标准具自由光谱区和轴上、轴外光强比值的单调线性区共同决定。
13.进一步的，轴上光和轴外光的入射角度不同，经f-p标准具的透过率不同。
14.进一步的，透过率的比值在一定波长范围内与波长成单调线性关系。
15.进一步的，f-p标准具的中心波长与激光器波长一致。
16.一种基于单f-p标准具监测激光器出光波长的方法，
17.包括：光纤准直镜头将光纤导入的激光准直，输出平行的激光并入射至衍射光栅元件上；
18.有两个工作衍射级的衍射光栅元件将准直后的激光分成两束等强度光，一波束为0级衍射的轴上光，另一波束为非0级衍射的轴外光，两光束夹角为a
°
；
19.经衍射光栅元件分束的两束光分别以0
°
和a
°
入射至f-p标准具上；单调线性区与激光器波长的变化区间相符；
20.轴上光和轴外光经f-p标准具后进入光纤耦合镜头，分别耦合进入轴上光输出光纤和轴外光输出光纤；
21.轴上光光强探测器和轴外光光强探测器分别测量两束光的光强，得到光强的比值。
22.本发明与现有技术相比的有益效果是：
23.(1)本发明利用在微小偏转入射角度小，激光通过f-p标准具的透过率发生相应相移，正入射和小角度偏转透过f-p的能量比值与激光器出光波长在一定范围内成线性关系的特点，仅一单独f-p标准具即可实现波长的监测；
24.(2)本发明衍射光栅元件通过级次设计和刻蚀加工可实现极微小角度的分光，该方式轴上光与轴外光夹角精度高，且分光能量均匀。
附图说明
25.图1为本发明结构示意图；
26.图2为本发明衍射光栅元件分光示意图；
27.图3为本发明轴上光与轴外光经f-p标准具的透过率及光强比值的单调线性区与透过率关系示意图。
具体实施方式
28.下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
29.一种基于单f-p标准具监测激光器出光波长的装置，包括：光纤准直镜头1、衍射光栅元件2、f-p标准具3、光纤耦合镜头4、轴上光输出光纤5、轴上光光强探测器6、轴外光输出光纤7和轴外光光强探测器8，
30.光纤准直镜头1将光纤导入的激光准直，输出平行的激光并入射至衍射光栅元件2上；
31.衍射光栅元件具有两个工作衍射级，将准直后的激光分成两束等强度光，一波束为0级衍射的轴上光，另一波束为非0级衍射的轴外光，两光束夹角为a
°
，光强的均匀性和夹角的具体数值由f-p标准具自由光谱区和轴上、轴外光强比值的单调线性区共同决定；
32.经衍射光栅元件2分束的两束光分别以0
°
和a
°
入射至f-p标准具3上；f-p标准具3的中心波长与激光器波长一致，单调线性区与激光器波长的变化区间相符；
33.轴上光和轴外光因入射角度的差异，经f-p标准具3的透过率也是不同的，透过率的比值在一定波长范围内与波长成单调线性关系，在f-p标准具3设计中，应使此单调线性区与激光器波长的变化区间相符；
34.轴上光和轴外光经f-p标准具3后进入光纤耦合镜头4，分别耦合进入轴上光输出光纤5和轴外光输出光纤7；
35.轴上光光强探测器6和轴外光光强探测器8分别测量两束光的光强，得到光强的比值。
36.实施例
37.该实例应用于激光测距系统中，系统激光器的工作波长是532
±
1nm。由于测距仪的性能需要高信噪比保证，系统的接收端配备了极窄带通的滤光组件，滤光组件的性能对波长波动极为敏感，需要对激光器的出光波长进行监测并加以调整。
38.如图1所示，基于单f-p标准具的波长检测装置主要由光纤准直镜头1，轴上/轴外二分束衍射光栅元件2，f-p标准具3，光纤耦合镜头4，轴上光输出光纤5，轴上光光强探测光电管6，轴外光输出光纤7，轴外光光强探测光电管8组成。
39.光纤准直镜头：实施方案中选用了商用货架产品，一个na值为0.26，焦距34.74mm的装框准直镜头，将提取的部分工作激光经光纤导入波长检测装置，经准直后出光光束为φ6.4mm的平行光。
40.轴上/轴外二分束衍射光栅元件：元件主要的指标为分束后轴外光束与轴上光束的夹角，而夹角的确定主要取决于f-p标准具线性区的选择。在本实施方案中衍射光栅元件具有两个衍射级：0级和1级。形式为锯齿形光栅，材料为corning hpfs 7980，该材料是一种高纯度的熔融石英玻璃，具有良好的光学特性。夹角设计为0.57
°
，光栅厚度为2mm。出射光束的能量比1:1，能量不均匀度可控制在4％以内，如图2所示；
41.f-p标准具：
42.选用折射率为1.46的熔融石英，主要设计参数包括标准具厚度、标准具表面镀膜的反射率和光束入射角度。衍射极次选用了1775，标准具的厚度为320μm，因元件过于薄，因此在标准具两侧均加入了表面镀高透膜的厚熔石英板，以加强标准具的机械强度。
43.参数设计包括配置f-p标准具的厚度和镀膜反射率适配出所需的系统中心波长和带宽，带宽应覆盖激光器中心波长的波动区间。本实例中标准具的反射率设计值为60％，对应带宽为50pm。这样就确定了f-p的基本特性，据此，分析入射偏转角度大小，角度大小会影响线性区的大小和光强能量比值的范围，该值需要结合系统需要和配置电路的探测灵敏度进行选择。本实例中doe的夹角设计为0.57
°
。
44.光纤耦合镜头：耦合镜头选用与光纤准直镜头相同型号的货架产品，将由f-p标准具出射的两束平行光分别汇聚并导出到光纤中。
45.轴上及轴外两束光分别通过光纤导出并由功率计测量功率，并进行比值。将测量
的比值与f-p标准距的对应曲线作对照，即可测得输入光对应的波长。如图3所示。
46.本发明利用在微小偏转入射角度小，激光通过f-p标准具的透过率发生相应相移，正入射和小角度偏转透过f-p的能量比值与激光器出光波长在一定范围内成线性关系的特点，仅一单独f-p标准具即可实现波长的监测；
47.本发明衍射光栅元件通过级次设计和刻蚀加工可实现极微小角度的分光，该方式轴上光与轴外光夹角精度高，且分光能量均匀。
48.本发明基于f-p标准具的特性，提供了一种新颖的监测系统内激光器工作波长的方法，该种方法仅需要单个f-p标准具，结构较为简单，无需引入标准的参考光源，利于系统的集成与监测；
49.本发明f-p标准具的使用对分光角度和能量均匀性有很高的要求，传统分光方式在装调中和使用中不易实现f-p的要求，本装置中采用的衍射光栅元件可以极好的匹配f-p的应用需求，降低在系统集成过程中的装调难度，保证监测的精度。
50.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。