一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统及方法

技术领域

本发明属于光学计量测试技术领域，主要涉及波长测量仪器波长校准装置及校准方法，具体为一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统及方法。

背景技术

在相干测距、相干测速、相干通信、发动机燃烧特性评价、空气动力学领域、分子光谱分析和同位素检测等领域之中，波长测量精度达到亚皮米量级高精度波长测量仪器诸如光谱仪和波长计得到广泛应用。目前的波长测量仪器波长参数的校准主要基于汞氩灯、聚苯乙烯薄膜和可调谐激光器，波长校准准确度达到亚纳米级，远远满足不了亚皮米量级的波长校准需求。

此外，在波长测量仪器特别是光谱仪的校准时，因为之前的波长测量精度较低，校准时没有考虑空气折射率对波长的影响，对于高精度波长测量仪器而言，需要考虑空气折射率对于波长的影响。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：针对目前波长测量准确度低远远满足不了亚皮米级波长测量仪器波长校准要求，提出一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统及方法，解决亚皮米量级高精度波长测量仪器波长校准问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统，其包括：窄线宽激光器1、光频梳2、分束器3、激光拍频测量模块4、频率锁定反馈模块5、被校波长测量仪器6；窄线宽激光器1的输出激光经分束器3分为两束，一束激光透过分束器3入射至被校波长测量仪器6，另一束经分束器3反射后入射至激光拍频测量模块4；光频梳2输出梳齿稳定的激光，透过分束器3后入射至激光拍频测量模块4，激光拍频测量模块4根据两者的拍频f

其中，所述被校波长测量仪器6一侧布设气压计7和温湿度计8，利用气压计7和温度度计8测量环境当前气压P、温度t和相对湿度RH，并利用f

其中，所述窄线宽激光器1具备谐振腔长和泵浦光强度调节功能，根据频率锁定反馈模块5提供的反馈量实时调整窄线宽激光器的频率。

其中，所述窄线宽激光器1的可选波长有1064nm、1550nm和3390nm。

其中，所述窄线宽激光器1的线宽小于等于50KHz。

其中，所述光频梳2包括近红外光频梳和中波红外光频梳。

其中，所述近红外光频梳的参数为：中心波长：1560nm；光谱宽度：1000nm～1600nm；输出功率：>10mW；频率精度:120秒内优于10

其中，所述中波红外光频梳的参数为：中心波长：3200nm；光谱宽度：3.1μm～3.4μm；输出功率：>10mW；频率精度:120秒内优于10

本发明还提供一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准方法，包括以下步骤：

步骤1：利用激光拍频测量模块4和频率锁定反馈模块5将窄线宽激光器1频率锁定至光频梳2其中一根梳齿上，并测量频率锁定后的窄线宽激光器1的输出激光频率f

步骤2：利用气压计7和温度度计8测量环境当前气压P、温度t和相对湿度RH，并利用f

步骤3：利用公式(1)计算得到频率锁定后的窄线宽激光器1的输出波长λ

式中：λ

C──光速；

f

n

步骤4：使频率锁定后的窄线宽激光器1的输出激光入射至被校波长测量仪器6中，并记录被校波长测量仪器6的波长测量值λ；

步骤5：利用公式(2)计算被校波长测量仪器6的波长示值误差Δλ，至此完成被校波长测量仪器6的波长参数的校准；

Δλ＝λ-λ

式中：Δλ──被校波长测量仪器的波长示值误差，单位为nm；

λ──被校波长测量仪器的波长测量值，单位为nm；

λ

步骤1中，所述光频梳2梳齿对应激光频率如公式(3)所示：

f

式中：f

N──梳齿对应的顺序数；

f

f

所述窄线宽激光器1的输出频率如公式(4)所示：

f

式中：f

f

N──梳齿对应的顺序数；

f

f

f

(三)有益效果

上述技术方案所提供的亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统及方法，空气折射率随着气压、温度和湿度的变化而改变，校准时引入了实时空气折射率，避免了空气折射率变化对波长的影响，解决了亚皮米量级波长测量仪器波长校准问题。

附图说明

图1是亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统组成图。

图2是窄线宽激光器与光频梳拍片原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例首先提供一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准系统，据此系统来实施亚皮米量级近红外至中波红外波长校准方法，实现对近红外至中波红外波长测量仪器的波长校准。

如图1所示，本实施例波长校准系统包括：窄线宽激光器1、光频梳2、分束器3、激光拍频测量模块4、频率锁定反馈模块5、被校波长测量仪器6；窄线宽激光器1的输出激光经分束器3分为两束，一束激光透过分束器3入射至被校波长测量仪器6，另一束经分束器3反射后入射至激光拍频测量模块4；光频梳2输出梳齿稳定的激光，透过分束器3后入射至激光拍频测量模块4，激光拍频测量模块4根据两者的拍频f

被校波长测量仪器6一侧布设气压计7和温湿度计8，利用气压计7和温度度计8测量环境当前气压P、温度t和相对湿度RH，并利用f

所述窄线宽激光器1具备谐振腔长和泵浦光强度的调节功能，可以根据频率锁定反馈模块5提供的反馈量实时调整窄线宽激光器的频率，窄线宽激光器1的可选波长有1064nm、1550nm和3390nm，窄线宽激光器1的线宽小于等于50KHz。

所述光频梳2分为近红外光频梳和中波红外光频梳，其中近红外光频梳的技术指标如下：中心波长：1560nm；光谱宽度：(1000～1600)nm；输出功率：>10mW；频率精度:120秒内优于10

基于上述校准系统，本实施例还提供一种亚皮米量级近红外至中波红外波长校准方法，包括以下步骤：

步骤1：利用激光拍频测量模块4和频率锁定反馈模块5将窄线宽激光器1频率锁定至光频梳2其中一根梳齿上，并测量频率锁定后的窄线宽激光器1的输出激光频率f

步骤2：利用气压计7和温度度计8测量环境当前气压P、温度t和相对湿度RH，并利用f

步骤3：利用公式(1)计算得到频率锁定后的窄线宽激光器1的输出波长λ

式中：λ

C──光速，取值299792458m/s；

f

n

步骤4：使频率锁定后的窄线宽激光器1的输出激光入射至被校波长测量仪器6中，并记录被校波长测量仪器6的波长测量值λ；

步骤5：利用公式(2)计算被校波长测量仪器6的波长示值误差Δλ，至此完成被校波长测量仪器6的波长参数的校准。

Δλ＝λ-λ

式中：Δλ──被校波长测量仪器的波长示值误差，单位为nm；

λ──被校波长测量仪器的波长测量值，单位为nm；

λ

其中，如图2所示，步骤1中，所述光频梳2梳齿对应激光频率如公式(3)所示。

f

式中：f

N──梳齿对应的顺序数；

f

f

其中，步骤1中，所述窄线宽激光器1的输出频率如公式(4)所示。

f

式中：f

f

N──梳齿对应的顺序数；

f

f

f

其中，步骤2中，所述当前环境下的空气折射率n

式中：n

RH──当前环境的相对湿度，单位为％；

f

P──当前环境的气压，单位为Pa；

C──光速，取值为299792458m/s；

t──当前环境温度，单位为℃。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，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变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。