一种基于短光纤延时自外差干涉的窄激光线宽测量方法

技术领域

本发明属于光谱测量技术领域，涉及一种精密测量激光线宽的方法，尤其是一种基于短光纤延时自外差干涉的窄激光线宽测量方法。

背景技术

窄线宽激光器具有良好的相干性，在许多应用中都有需求，如光纤通信传感和量子精密测量领域，因此精确测量激光线宽是开展基于窄线宽激光器应用的首要工作。

传统的激光线宽测量方法在光谱分辨率上存在局限性，例如工作在可见光和近红外波段的性能最好的商用光谱仪分辨率仅0.01nm左右(对应的频率分辨率为GHz量级)，而法布里－珀罗扫描干涉仪的分辨率也只能达到MHz级。随着激光技术发展，目前已经实现了kHz级别的窄线宽激光器，通过一定锁频技术还可以得到Hz级别甚至mHz级别的超窄线宽激光器。因此传统的测量方法已不适应新一代窄线宽激光器的激光线宽测量需求，需要新的测量方法为窄线宽激光器的性能评估和应用提供更精确、更可靠的技术手段。

基于光纤的延时自外差干涉法是目前常用的激光线宽测量方法。该方法的基本思想是将待测激光束分成两束，使两束光的时间延时远大于激光相干时间，采用洛伦兹公式拟合这两束光的拍频信号获得激光线宽。为了确保拍频信号具有洛伦兹线形，通常这种技术要求光纤延迟的时间大于激光器相干时间的6倍左右。例如对于线宽为kHz的激光器，延迟光纤长度则需要超过1000公里，这显然会使整个测量方案很难实现，因此如何以较短的光纤实现激光线宽的准确测量更具实用价值。

1986年，L.E.Richter等人[IEEE J.Quantum Electron.22,2070(1986)]从理论上分析推导了短光纤延时自外差法测量激光线宽的原理，指出在光纤延时小于激光相干时间的条件下拍频信号可形成一个相干包络光谱。如何根据拍频信号的相干包络光谱确定激光线宽成为短光纤延时自外差法测量激光线宽技术的关键。广泛采用的方法是比较相干包络谱特殊点的光谱幅值与理论值，计算获得激光线宽[专利CN105571830B(2017),IEEEPhotonics Technol.Lett.28,759(2016),Sci.reports 7,41988(2017)]。这种方法对光纤长度的要求比较严格，因为光纤过短时存在噪声基底的影响，光纤过长时存在1/f噪声。而且这种方法仅考虑某几个特殊点的幅值差，因此有很大的测量误差。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于短光纤延时自外差干涉的窄激光线宽测量方法，以实现窄激光线宽的精确测量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于短光纤延时自外差干涉的窄激光线宽测量方法，包括以下步骤：

S1、基于短光纤延时自外差干涉装置获取待测激光的相干包络光谱；

S2、根据相干包络光谱中各个波谷阶数与对应的频率确定延迟时间；

S3、根据延迟时间和相干包络光谱中波峰与波谷的对比度，计算预估激光线宽；

S4、根据步骤S1得到的相干包络光谱、步骤S2得到的延迟时间和预估激光线宽，计算相干包络解调光谱，进行洛伦兹拟合，计算对应的R

S5、在步骤S3得到的预估激光线宽两侧等间隔取多个激光线宽作为新的预估激光线宽，重复步骤S4，计算不同预估激光线宽值下对应的R

S6、根据预估激光线宽值与R

所述短光纤延时自外差干涉装置包括：分光器、声光调制器、传输光纤、延迟光纤、光纤耦合器、探测器和频谱分析仪；

待测激光经所述分光器分为两束，一束经声光调制器频移后进入传输光纤，另一束进入延迟光纤进行时延，传输光纤和延迟光纤的另一端与所述光纤耦合器连接，两束光在所述光纤耦合器中反生干涉，干涉信号经所述探测器探测后，发送至所述频谱分析仪得到待测激光的相干包络光谱。

所述传输光纤的长度为0～1m，所述延迟光纤的长度为10～100km。

所述步骤S2中，延迟时间的确定方法具体为：

获取各个阶数的波谷对应的频率；

对波谷阶数与对应的频率进行线性拟合；

将线性拟合的斜率的倒数作为延迟时间。

所述步骤S3中，预估激光线宽的计算公式为：

其中，ΔS表示相干包络光谱中l阶波峰与m阶波谷的对比度，τ

其中，l＝m＝2。

所述步骤S4中，相干包络解调光谱的计算公式为：

其中，S

所述步骤S4中，周期调制谱的计算公式为：

其中，Δf表示预估激光线宽，τ

所述步骤S4中，洛伦兹拟合公式为：

其中，S

所述步骤S6中，确定待测激光的实际线宽值的具体方法为：

根据各个预估激光线宽值与对应的R

拟合曲线中R

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明提供了一种基于短光纤延时的窄激光线宽的光学测量方法，其通过对短光纤延时自外差相干包络光谱进行解调，恢复隐藏在相干包络光谱中的洛伦兹线形光谱，选择最佳洛伦兹线形光谱拟合对应的线宽作为激光线宽。相比现有技术中仅比较相干包络谱的特殊点与理论值的方法，本发明不仅对光纤长度的要求不高，而且通过整体考虑相干包络解调光谱来实现线宽测量，大大减小了测量误差，可以广泛应用于窄激光和超窄激光的线宽测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于短光纤延时自外差干涉的窄激光线宽测量方法采用的测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中获得的待测激光的相干包络光谱；

图3为本发明实施例中波谷阶数和对应的频率关系；

图4为本发明实施例中得到的相干包络光谱的对比度与激光线宽关系；

图5为本发明实施例得到的相干包络解调光谱及其对应的洛伦兹拟合曲线的示意图；

图6为本发明实施例中获得的R

图中：1为待测激光，2为分光器，3为声光调制器，4为传输光纤，5为延迟光纤，6为光纤耦合器，7为探测器，8为频谱分析仪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中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的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

短光纤延时自外差相干包络光谱基于两束部分相干光干涉的拍频信号得到，其功率谱函数S可表示为：

S(f,Δf)＝S

其中：

式中P

由公式(1)～(3)可知，总功率谱S是洛伦兹谱S

其中，总功率谱S可以用频谱仪测量获得，而调制信号S

基于此，本发明实施例提供了一种基于短光纤延时自外差干涉的窄激光线宽测量方法，关注于相干包络解调光谱本身的洛伦兹线形：当预估激光线宽最接近真实值时，相干包络解调光谱与洛伦兹公式具有最好的拟合性。具体操作是这样的：用确定系数(即R

具体来说，本发明实施例包括以下步骤：

S1、基于短光纤延时自外差干涉装置获取待测激光的相干包络光谱。

如图1所示，本发明采用的短光纤延时自外差干涉装置包括：分光器2、声光调制器3、传输光纤4、延迟光纤5、光纤耦合器6、探测器7和频谱分析仪8；

待测激光1经所述分光器2分为两束，一束经声光调制器3频移后进入传输光纤4，另一束进入延迟光纤4进行时延，传输光纤4和延迟光纤5的另一端与所述光纤耦合器6连接，两束光在所述光纤耦合器6中反生干涉，干涉信号经所述探测器7探测后，发送至所述频谱分析仪8得到待测激光的相干包络光谱。

具体地，本实施例中，分光器2为一个半波片(λ/2)和一个偏振分束棱镜(PBS)组成。所述传输光纤4的长度为0～1m，所述延迟光纤5的长度为10～100km。

具体地，本实施例中，经过分束器2后的两束光，其中一束光通过声光调制器3衍射，衍射产生的零级光遮挡不用，正一级光(或者使用负一级光也可以)经过两个反射镜和耦合透镜传入到传输光纤4。正一级光相对于入射光的频率偏移量由声光调制器3的驱动频率确定，实施例中采用的驱动频率等于80MHz。另一束光直接经过两个反射镜和耦合透镜传入到延迟光纤5，延迟光纤5长度较长。如果利用传统的延迟自外差干涉法测量激光线宽的话，需让延迟光纤产生的延迟时间远大于激光相干时间。举个例子，假设激光线宽为100Hz，光纤介质折射率为1.5，那么需要的延迟光纤长度将长达2000km。本实施例提供的一种基于短光纤延时自外差干涉的窄激光线宽测量方法，装置中延迟光纤5长度只需传统光纤延迟方法的1/100即可，实施例中使用的光纤长度为20.33km。使用1×2的光纤耦合器5将两束光耦合到同一探测器7中检测拍频信号的光电流，然后连接到一台频谱分析仪8获取待测激光的相干包络光谱。

具体地，本实施例中使用的探测器7型号为New Focus生产的1554-B，频谱分析仪8的型号为罗德与施瓦茨公司生成的FSVA13。

如图2所示，为本发明实施例中通过频谱分析仪8获得的待测激光的相干包络光谱，为典型的短光纤延时自外差相干包络光谱。为了方便在光谱标度范围内显示，图2对横坐标的值进行了移频，移频量为AOM的驱动频率(80MHz)。光谱强度相对于中心附近的最大值进行了归一化处理，纵坐标单位为对数单位。图中存在多个波峰和波谷，从中心向两侧数，波峰和波谷的阶数依次增加，标出第二波峰和第二波谷之间的对比度，本实施例中，第二个波峰与第二个波谷的对比度为18.6dB。

S2、根据相干包络光谱中各个波谷阶数与对应的频率确定延迟时间。

具体地，本发明实施例中，所述步骤S2中，延迟时间的确定方法具体为：

获取各个阶数的波谷对应的频率；

对波谷阶数与对应的频率进行线性拟合；

获取线性拟合的斜率，计算延迟时间，延迟时间即为斜率的倒数。

根据图2中的相关包络光谱，可以确定各个波谷和波峰的阶数，以及其对应的频率。则根据图2可以得到波谷阶数与对应频率的线性关系，如图3所示。波谷阶数与对应频率的线性依赖性反应了调制频谱的周期特性。根据线性公式拟合的斜率可以推导出光纤延迟时间。本实施例中，拟合得到的斜率k＝1/τ

本实施例中，通过相干包络谱来直接获取延迟时间，相对于现有技术通过光纤的具体长度以及光纤介质折射率来及计算延迟时间的方案，操作更为简单，结果更为准确。

S3、根据延迟时间和相干包络光谱中波峰与波谷的对比度，计算预估激光线宽。

所述步骤S3中，预估激光线宽的计算公式为：

其中，ΔS表示相干包络光谱中l阶波峰与m阶波谷的对比度，τ

由图4所示，给出了本实施例中在延迟时间τ

S4、根据步骤S1得到的相干包络光谱、步骤S2得到的延迟时间和预估激光线宽，计算相干包络解调光谱，并对其进行洛伦兹拟合，计算对应的R

具体地，所述步骤S4中，相干包络解调光谱的计算公式为：

其中，S

其中，Δf表示预估激光线宽，τ

具体地，所述步骤S4中，洛伦兹拟合公式为：

其中，S

通过对相干包络解调光谱进行洛伦兹拟合，可以同时获得对应的R

如图5所示，为本发明实施例得到的相干包络解调光谱及其对应的洛伦兹拟合曲线。本实施例得到的拟合结果如图中黑色曲线所示，对应的R

S5、在步骤S3得到的预估激光线宽两侧等间隔取多个激光线宽作为新的预估激光线宽，重复步骤S4，计算不同预估激光线宽值下对应的R

S6、根据预估激光线宽值与R

所述步骤S6中，确定待测激光的实际线宽值的具体方法为：

根据各个预估激光线宽值与对应的R

拟合曲线中R

本实施例中，以10Hz为间隔，在(30-200)Hz范围画出了R

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。