基于循环自外差干涉法的精密测量激光线宽装置及方法
【技术领域】
[0001] 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装置及方法，尤其 是一种基于循环自外差干涉法，采用频谱分离技术达到精密测量激光线宽的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 窄线宽激光作为高精密测量的一种手段，在科学研究和技术领域中有着重要且广 泛的应用，如光钟、高精密光谱、相干通信、激光测距等。激光的线宽或相干长度对这些系统 的噪声性能、测量距离、精度和灵敏度等起着决定性作用。因此对窄激光器的线宽进行高精 度测量显得至关重要。目前，光谱线宽的测量方法大致有三种:光谱仪测量法、滤波器扫描 法、拍频法。但当激光器的线宽达到kHz量级时，传统的基于光栅光谱仪和滤波器扫描法的 测量分辨率已不能满足实验所需。外差拍频法是一种测量超窄线宽较理想方法，可以得到 比较满意的分辨率。其中，基于延时自外差法的激光线宽测量技术应用最为广泛，因为其不 需要另外一台同等甚至更稳的激光器作为参考光源。
[0003] 近年来，国内外很多小组针对自外差测量激光线宽进行深入的理论研究和实验探 索。1980年日本学者T. Okoshi首次提出延时自外差法(DSHI)测量激光器线宽，并获得50kHz 的分辨率。在这类方案中，光纤延时线的长度大于激光相干长度的六倍以上，拍频信号才能 正确反映被测激光的线宽。因此对于目前大量使用的kHz量级的窄线宽激光器而言，测量激 光线宽所需要的光纤延迟线可能需要上百公里，这使得整个测试系统体积庞大，额外噪声 增大，限制了其在超窄激光线宽测量中的应用。
[0004] 1986年，L.E.Richter从理论上分析推导了延时自外差法测量激光线宽的原理， 并提出采用短光纤延时，在光纤延时远小于6倍的激光相干时间的条件下测量激光器线宽。 在这类方案中，理论谱型并不能很好的与实验谱形相吻合，同时体现相干特性的delta函数 峰会影响实际线宽的读取，最终影响数据的准确度。
[0005] 1992年，J · W · Dawson提出了一种利用损耗补偿的环路自外差干涉仪(LC-RDSHI)测 量激光线宽的方案。相较DSHI系统，此方案中的激光可在环路中多次循环，从而非常有效的 减少延时光纤的长度。2006年，X.P. Chen等人首次在实验中利用LC-RDSHI法测量激光线宽， 最后对测量结果进行分析修正，得到激光器线宽约为700Hz。但这种实验方案需要对系统各 个参数进行严格选择和仔细调试，才能减小环路中干扰光对的交叉耦合，从而提高高阶拍 频光谱的信噪比。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于循环自外差干涉法的 精密测量激光线宽装置及方法，其具有操作简单、高信噪比和低成本的特点。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0008] 本发明首先提出一种基于循环自外差干涉法的精密测量激光线宽装置，包括窄线 宽激光器，所述窄线宽激光器通过光纤依次连接有隔离器、第一 Y型耦合器、第一频移器、第 二Y型耦合器、光电探测器和频谱仪;所述第一 Y型耦合器和第二Y型耦合器之间通过光纤还 连接有X型耦合器;所述X型耦合器还通过光纤依次与衰减器、第二移频器、掺铒光纤放大 器、光纤带通滤波器、保偏器连接形成闭合环路。
[0009] 进一步，上述X型耦合器的a端连接至第一 Υ型耦合器的输出端，X型耦合器的c端连 接至第二Y型耦合器的输入端。
[0010] 进一步，上述X型耦合器的d端连接至衰减器的输入端，X型耦合器的b端与保偏器 的输出端连接。
[0011]上述第二移频器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端连接。
[0012] 本发明还提出一种基于上述装置的精密测量激光线宽的方法，包括以下步骤：
[0013] 步骤1:被测激光器输出的光通过第一Y型親合器分为两部分，一部分作为参考光， 经第一频移器进入第二Y型耦合器;另一部分作为信号光，进入由X型耦合器b、d两端相连而 形成的自循环光路中；11次循环的延时信号光由X型耦合器的C端输出，并进入第二Y型耦合 器与不同传播路径的参考光进行干涉拍频，并通过光电探测器和频谱仪获取激光器的光电 流谱密度。当光纤环的延时时间远大于激光的相干时间，光电流谱密度就能反映激光器的 线宽。
[0014] 步骤2:利用Voigt谱型分析，提取Ι/f导致的测量误差，修正测量结果。
[0015]本发明具有以下有益效果：
[0016] 本发明精密测量激光线宽装置及方法是基于损耗补偿的循环自外差干涉技术，采 用较短的光纤延时线，无需复杂的理论模拟和准确的系统参数设定，可精准测量出亚kHz量 级的激光线宽。
[0017] 进一步的，本发明将被测窄线宽激光器的输出光通过隔离器后被第一个Y型耦合 器分光成两路:一路光作为参考光，经移频器频移后进入第二个Y型耦合器;另一路光作为 信号光进入一个由X型耦合器首尾相连构成的自循环光路中，在光纤环路中循环m次后到达 二个Y型耦合器，并在其输出端与参考光合束干涉，最后干涉拍频信号输入探测器和频谱 分析仪进行信号探测和分析。当这两个不同路径光束的延时差远大于激光的相干时间时， 它们的干涉拍频信号就能正确反映被测激光器的线宽。光纤环路中分别对参考光和信号光 移频，并且参考光的移频量不等于信号光移频的整数倍，这样无需详细计算系统的参数，便 可分离、消除干扰光信号导致的测量误差，从而得到精度高的窄线宽激光器的线宽测量值。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明激光线宽测量装置的结构示意图；
[0019] 图2是传统LC-RDSHI方法测得的10阶拍频信号；
[0020] 图3是本发明装置测得的10阶拍频信号；
[0021] 图4是Voigt谱型对实验数据修正结果；
[0022] 其中：1窄线宽激光器，2隔离器，3第一Y型耦合器，4第一频移器，5 X型耦合 器，6衰减器，7第二移频器;8掺铒光纤放大器;9光纤带通滤波器;10保偏器;11第二Y 型耦合器;12光电探测器;13频谱仪。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0024] 参见图1:本发明首先提出一种基于循环自外差干涉法的精密测量激光线宽装:包 括窄线宽激光器1，所述窄线宽激光器1通过光纤依次连接有隔离器2、第一 Y型耦合器3、第 一频移器4、第二Y型耦合器11、光电探测器12和频谱仪13;所述第一 Y型耦合器3和第二Y型 耦合器11之间通过光纤还连接有X型耦合器5;所述X型耦合器5还通过光纤依次与衰减器 6、第二移频器7、掺铒光纤放大器8、光纤带通滤波器9、保偏器10连接形成闭合环路。所述X 型耦合器5的a端连接至第一 Y型耦合器3的输出端，X型耦合器5的c端连接至第二耦合器11 的输入端。所述X型耦合器5的d端连接至衰减器6的输入端，X型耦合器5的b端与保偏器10的 输出端连接。所述第二移频器7的输出端与掺铒光纤放大器8的输入端连接。
[0025] 基于上述装置，本发明提出一种精密测量激光线宽的方法，包括以下步骤：
[0026] 步骤1:被测窄线宽激光器的输出光通过隔离器后被第一个Y型耦合器分光成两 路:一路光作为本地参考光，经第一移频器(频移量Λ )进入第二个Y型耦合器;另一路光作 为信号光进入一个由X型耦合器首尾相连构成的延时环路中循环。环路包含第二频移器(频 移量Ω )、光纤环（延时το)、掺铒光纤放大器、光纤带通滤波器以及偏振控制器。光纤环路 中，信号光每循环一次都移频Ω并延时τ〇。当信号光在环路中循环m次后到达第二个Υ型耦 合器，并在其输出端与参考光合束干涉，最后干涉拍频信号输入探测器和频谱分析仪进行 信号探测和分析。当这两个不同路径光束的延时差远大于激光的相干时间时，参考光与信 号光分别等效于来自两个独立的光源，它们的干涉拍频信号就能正确反映被测激光器的线 宽。
[0027] 步骤2:利用origin软件对实验数据进行Voigt拟合，去除Ι/f噪声导致的测量误 差，修正测量结果。
[0028]本发明避免调制干扰、提高分辨率的工作原理如下所述：
[0029] 作为参考光的激光束经第一移频器移频Λ后，电场可表示为：
[0030] Ei(t)〇cexp[ j Φ (t)]expj( At) (1)
[0031 ]作为信号光的激光束进入光纤环路延时循环m次后(每循环一次，信号光场延时τ〇 并移频Ω )，最终信号光场可表示为
[0036] α是耦合器3的耦合效率(0 < 1)，β为环路总的有效增益。
[0037] 在耦合器2处干涉叠加后的光场为
[0039]经过光电探测器转换为光电流，光电流强度信号为
[0044]为循环m次的信号光和参考光间拍频项，中心角频率为ι?Ω-Λ。
[0046]