基于强相干包络的短光纤自外差法激光器线宽测量系统及其测量方法技术方案

基于强相干包络的短光纤自外差法激光器线宽测量系统及其测量方法，测量系统包括一分二光纤耦合器，待测激光器发出激光并发送至一分二光纤耦合器，将激光信号转化为能产生相干信号的两路激光信号并将功率保持稳定，第一光束信号发送至声光调制器

【技术实现步骤摘要】
基于强相干包络的短光纤自外差法激光器线宽测量系统及其测量方法


[0001]本专利技术属于激光器
，特别涉及一种基于强相干包络的短光纤自外差法激光器线宽测量系统及其测量方法
。

技术介绍

[0002]激光器因其相干长度长，相位噪声低等优点，被广泛应用于通信
、
医疗
、
化学
、
生物学
、
材料科学等领域
。
激光器的重要特性之一就是激光线宽，通常是指激光光谱的半高全宽值，对激光的应用有着重要的影响，直接关系到其在各领域中使用的精确度和灵敏度，因此对激光器线宽进行测量至关重要
。
[0003]常用的测量线宽的方法分为双光束外差法和延时自外差法两大类，文献“两台独立激光器拍频线型对线宽测量的影响
[J].”(
彭雪峰
,
马秀荣
,
张双根
,
等，中国激光
,2011,38(04):199
‑
203)
提出双光束外差法，双光束外差法需要两台频率相近的激光器，一台提供参考信号，另一台输出被测信号，且要求参考信号相对于被测信号来说，线宽更窄且频率更稳定，将参考信号与被测信号干涉后产生拍频信号，进而由频谱分析仪测得激光器线宽，双光束外差法的成本和要求都较高，且不易调节
。
[0004]1986
年，
L.Richter
提出了延时自外差法，延迟自外差法是将激光器输出的信号分成两路延迟时间不同的光源，当这两条路径延迟时间差足够大时，则可将这两路光源看成是两个独立的光源，再通过拍频即可测得激光器线宽，这样就省去了拍频法需要两台激光器才能进行测量的条件
。
然而，由于
1/f
噪声的存在，延迟时间一般来说至少为激光相干时间的6倍，才能得到可靠的测量结果，但如果待测激光器的线宽很窄，比如几百或者几千赫兹，则需要上百甚至几万公里长的延迟光纤，显然，这样的系统是难以实现的
。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提出了一种基于强相干包络的短光纤自外差法激光器线宽测量系统及其测量方法，通过对相位噪声功率谱密度的求解，得到频率噪声谱密度，利用激光的强相干性来测量激光器线宽，测量简单，对仪器要求不高，精度相对较高
。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0007]基于强相干包络的短光纤自外差法激光器线宽测量系统，包括一分二光纤耦合器，一分二光纤耦合器的输入端连接待测激光器的激光输出端，一分二光纤耦合器的第一输出端连接声光调制器
AOM
的输入端，声光调制器
AOM
的输出端连接光纤延迟线的输入端，光纤延迟线的输出端连接二分二光纤耦合器的输入端，一分二光纤耦合器的第二输出端直接连接二分二光纤耦合器的输入端，二分二光纤耦合器的输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接频谱仪
。
[0008]所述一分二光纤耦合器用于将激光光束分成两束功率相同的相干光束；
[0009]所述声光调制器
AOM
用于将激光光束频率移动为所需频率；
[0010]所述光纤延迟线用于对经过移频后的激光进行时间延迟；
[0011]所述二分二光纤耦合器用于将延迟后的光束和非延迟的光束进行相干，得到相干项；
[0012]所述光电探测器用于探测两束激光的相干项；
[0013]所述频谱仪用于对光电探测器的输出信号进行观测
。
[0014]基于强相干包络的短光纤自外差法激光器线宽测量方法，包括以下步骤：
[0015]步骤1：待测激光器发出激光，并将激光信号发送至一分二光纤耦合器，一分二光纤耦合器将激光信号转化为能产生相干信号的两路激光信号，将两束光的功率保持稳定；
[0016]所述步骤1中激光信号的表达式如下：
[0017][0018]式中：
A1、
ω
c
分别代表激光光束的振幅和激光的中心振荡频率，为一个随机的相位噪声项，
t
为时间变量；
[0019]步骤2：将步骤1得到的能产生相干信号的两光束信号，第一光束信号发送至声光调制器
AOM
，所述声光调制器
AOM
对第一光束信号移动固定的频率，得到移频后的光信号，然后将移频后的光信号发送至延迟光纤，所述延迟光纤对移频后的光信号延迟后，得到延迟光信号，然后将经过移频和延迟后的第一光束信号发送至二分二光纤耦合器，第二光束信号直接发送至二分二光纤耦合器；
[0020]步骤3：二分二光纤耦合器分别接收步骤2中一分二光纤耦合器发送的第一光束和延迟光纤发送的经过移频和延迟后的第二光束，得到合路激光信号，二分二光纤耦合器将合路激光信号发送至光电探测器，通过光电探测器即可得到两相干光信号；
[0021]步骤4：将步骤3光电探测器得到的两相干激光信号传递给频谱仪，在频谱仪上选取信号峰和噪声峰的功率，求得选取的波峰的功率谱密度的相对差值，根据相对差值和光在延迟光纤线中所经历的时间，得出待测激光器的激光线宽
。
[0022]所述步骤2中，经过移频和延迟后的测量光信号的表达式如下：
[0023][0024]其中，
ω
LO
＝2π
(f
c
+f0)
代表频移后的激光中心振荡频率；
A2代表移频后的激光光束的振幅，
t0代表经过延迟光纤线后的延迟时间差
。
[0025]所述步骤3的具体过程如下：
[0026]步骤
3.1
：所述合路激光信号的表达式如下：
[0027][0028]其中，
A1、
ω
c
分别代表激光光束的振幅和激光的中心振荡频率，为一个随机的相位噪声项，
t
为时间变量；
ω
LO
代表频移后的激光中心振荡频率；
A2代表移频后的激光光束的振幅，
t0代表经过延迟光纤线后的延迟时间差；
[0029]步骤
3.2
：在光电探测器中仅能接收到两相干光的差频项，在这里令则
差频项可写成：
[0030][0031]其中，
A
代表两激光相干后得到相干项的幅度，为一个随机的相位噪声项，
t
为时间变量
,t0代表经过延迟光纤线后的延迟时间差；
ω
LO
代表频移后的激光中心振荡频率
。
[0032]所述步骤4的具体过程如下：
[0033]步骤
4.1
：通过频谱仪测量得到功率谱密度，功率谱密度可以写成：
[0034][0035]其中，
Δω
代表激光器的激光线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于强相干包络的短光纤自外差法激光器线宽测量系统，其特征在于，包括一分二光纤耦合器，一分二光纤耦合器的激光输入端与待测激光器的激光输出端相连接，一分二光纤耦合器的第一输出端连接声光调制器
AOM
的输入端，声光调制器
AOM
的输出端连接光纤延迟线的输入端，光纤延迟线的输出端连接二分二光纤耦合器的输入端，一分二光纤耦合器的第二输出端直接连接二分二光纤耦合器的输入端，二分二光纤耦合器的输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接频谱仪
。2.
根据权利要求1所述的基于强相干包络的短光纤自外差法激光器线宽测量系统，其特征在于，所述待测激光器用于产生待测线宽的激光光束，且对激光功率进行稳定；所述一分二光纤耦合器用于将激光光束分成两束功率相同的相干光束；所述声光调制器
AOM
用于将激光光束频率移动为所需频率；所述光纤延迟线用于对经过移频后的激光进行时间延迟；所述二分二光纤耦合器用于将延迟后的光束和非延迟的光束进行相干，得到相干项；所述光电探测器用于探测两束激光的相干项；所述频谱仪用于对光电探测器的输出信号进行观测
。3.
根据权利要求1或2所述的基于强相干包络的短光纤自外差法激光器线宽测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：待测激光器发出激光，并将激光信号发送至一分二光纤耦合器，一分二光纤耦合器将激光信号转化为能产生相干信号的两路激光信号，将两光束的功率保持稳定；所述步骤1中激光信号的表达式如下：其中：
A1、
ω
c
分别代表激光光束的振幅和激光的中心振荡频率，为一个随机的相位噪声项，
t
为时间变量；步骤2：将步骤1得到的能产生相干信号的两光束信号，第一光束信号发送至声光调制器
AOM
，所述声光调制器
AOM
对第一光束信号移动固定的频率，得到移频后的光信号，然后将移频后的光信号发送至延迟光纤，所述延迟光纤对移频后的光信号延迟后，得到延迟光信号，然后将经过移频和延迟后的第一光束信号发送至二分二光纤耦合器，第二光束信号直接发送至二分二光纤耦合器；步骤3：二分二光纤耦合器分别接收步骤2中一分二光纤耦合器发送的第一光束和延迟光纤发送的经过移频和延迟后的第二光束，得到合路激光信号，二分二光纤耦合器将合路激光信号发送至光电探测器，通过光电探测器即可得到两相干光信号；步骤4：将步骤3光电探测器得到的两相干激光信号传递给频谱仪，在频谱仪上选取信号峰和噪声峰的功率，求得选取的波峰的功率谱密度的相对差值，根据相对差值和光在延迟光纤线中所经历的时间，得出待测激光器的激光线宽
。4.
根据权利要求3所述的基于强相干包络的短光纤自外差法激光器线宽测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤2中，经过移频和延迟后的测量光信号的表达式如下：其中，
ω
LO
＝2π
(f
c
+f0)
代表频移后的激光中心振荡频率；
A2代表移频后的激光光束的振
幅，
t0代表经过延迟光纤线后的延迟时间差
。5.
根据权利要求3所述的基于强相干包络的短光纤自外差法激光器线宽测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程如下：步骤
3.1
：通过二分二光纤耦合器后，合路激光信号的表达式如下：其中，
A1、
ω
c
分别代表激光光束的振幅和激光的中心振荡频率，为一个随机的相位噪声项，

【专利技术属性】
技术研发人员：唐禹，杨创，任爽，尚家东，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：