一种多通道短延时光纤的激光线宽测量方法

本发明涉及激光器线宽测量领域，具体涉及一种通过多个不同长度的短延时光纤通道与经声光调制器移频后的光信号进行合束而形成拍频，通过提取各通道频谱第一级和第二级极大值点的功率差，而获得待测激光器线宽激光线宽测量方案。

背景技术：

1、由于半导体激光器具有相干性好、集成度高等优势，近年来成为各领域的研究热点，而随着激光器的线宽逐渐压缩至khz、hz、亚hz级别，目前主流的延迟自相干法测量激光线宽的方法所需几百上千公里长的延时光纤，这一方面由于光纤的损耗会给线宽测量带来误差，另一方面延时光纤越长，对环境震动的敏感性越强，实验中难以控制，故而目前的延时自相干法存在极大的局限。

2、发明1(201910306123.0)提出一种功率谱双特征参量提取的激光器线宽测量方法及装置，可以避免现有技术中延时光纤长度测量误差导致激光器线宽测量不准确的问题。期刊文献2(zhaoz,baiz,jind,qiy,dingj,yanb,wangy,luz,mildrenrp.narrow laser-linewidthmeasurementusingshortdelayself-heterodyneinterferometry.optexpress.2022aug15；30(17):30600-30610.doi:10.1364/oe.455028.pmid:36242160.)公开了一种能有效缩短延时光纤长度的激光线宽测量方法，对于khz的线宽仅需100m的光纤即可。

3、但以上方法仅适用于稳定输出恒定线宽激光的激光器，如果激光器输出或者实验环境产生波动，将会给线宽测量引入一定量的误差，从而影响测量结果的准确。

技术实现思路

1、本发明是一种多通道短延时光纤的激光线宽测量方案，通过多个不同长度的短延时光纤通道与经声光调制器移频后的光信号进行合束而形成拍频，通过提取各通道频谱第一级和第二级极大值点的功率差，而获得待测激光器线宽激光线宽测量方案。本发明通过多通道的频域功率谱极值点提取，一方面可以有效缩减延时光纤长度，相比传统延迟自相干法，其延时光纤长度缩小100倍以上，有效减少系统对环境震动干扰的敏感性；另一方面不同长度延时光纤的多通道信息采集，可以一次性得到一个时间段内，一个工作状态下的激光器线宽输出的平均水平，有利于剔除线宽测量中的偶然误差影响。

2、本发明采用的技术方案为：一种多通道短延时光纤的激光线宽测量方法，包括如下步骤：

3、步骤1、建立一个多通道的短延时光纤自相干测量系统；

4、步骤2、将待测激光分成两束，其中一束激光移频、剩余激光经过不同延时后，将移频和延时后的激光分别合束，再输入探测合束光的光电流并获取其功率谱；

5、步骤3、从功率谱中提取各频谱第一阶和第二阶极大值点的功率差；

6、步骤4、数据处理，得到待测激光的线宽。

7、进一步地，所述多通道的短延时光纤自相干测量系统如图1所示，包含一个待测激光器、一个光隔离器、多个光耦合器、一个声光调制器、多组长度不同的短延时光纤、多组偏振控制器、多个光电探测器、一个多通道频谱分析仪，其中，如图1所示，待测激光器的输出光束通过光隔离器后分成n+1路等强度的光信号，其中一路信号通过声光调制器使之移频，剩下各路光信号分别通过不同长度的延迟光纤进行延时，并在各光路上连接偏振控制器以保证光信号的偏振一致性，最终各路光信号与第一路移频信号通过耦合器进行合束产生拍频，而后连接到多通道光电探测器上转换为电信号，进而输入频谱分析仪进行频域信息提取。

8、进一步地，所述光隔离器输入端与激光器的输出端相连，其输出端与第一耦合器的输入端相连，用于保护激光器。

9、进一步地，所述多个光耦合器分别实现光束的分束与合束功能，同时要求分束时各通道光强相同。

10、进一步地，所述声光调制器应包含频移模块包括移频器和直流电源；所述直流电源的输出端与移频器的一个输入端相连；所述移频器的另一个输入端与第一耦合器的第一输出端相连，其输出端与功率谱获取模块的第一输入端相连；所述直流电源用于输出信号驱动所述移频器；所述移频器用于将第一耦合器传输的激光进行移频；

11、进一步地，所述各通道的延时光纤长度应满足：

12、

13、其中，l表示延时光纤的长度；c表示光速大小；n表示光纤折射率大小；δv表示待测激光的线宽值；δsmin表示一阶包络峰值与谷值的功率差值的最小可测量值；δfmin表示零阶极小值点与中心频率的频率差值的最小可测量值；p0表示合束光的光功率值；δfr表示测得的系统噪声基底的功率值；α表示探测器响应度的大小；g表示探测器中放大器的增益大小；r表示探测器输出电阻的大小；sn表示测得的功率谱的分辨率大小。

14、进一步地，所述系统通道数包括2个及以上数目，本文主要以三通道为例进行阐述。

15、进一步地，所述多组偏振控制器的输入端与各延时光纤的输出端相连。

16、进一步地，所述多个光电探测器所述光探测器的探测波长要覆盖待测激光的波长，探测带宽要大于所述声光调制器的频移量。

17、进一步地，数据处理部分，在获取了各通道第一阶和第二阶功率谱极大值点的功率差后，通过以下公式获取待测激光器线宽：

18、

19、其中，c表示光速大小；n表示光纤折射率大小；表示待测激光的线宽值；表示各通道一阶包络峰值与二阶包络峰值的功率差值；表示各通道延时光纤的长度，m表示通道数。

20、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

21、1、与目前主流的线宽测量方法为延迟自相干法相比，本发明可以有效缩减延时光纤长度，其延时光纤长度缩小100倍以上，传统延迟延迟自相干方法面对khz、hz线宽需要几百上千以上的延时光纤以满足延时大于相干时间，如此长的光纤一方面带来了极大的损耗，另一方面光纤越长对环境震动等影响的放大越大，对实验结果的影响越大；而本发明可以利用100m左右的光纤实现线宽的测量，有效降低了环境波动的干扰和传输损耗而引入的额外线宽展宽。

22、2、与发明1所提到的测量方法相比，本发明通过多通道不同延时光纤的设计，一方面在一个时间段内进行采样，可以一次性获得一个时间段和工作状态下的激光器平均线宽状态，提高了线宽测量的可靠性；另一方面，通过多通道的采样，降低了偶然误差和环境波动带来的影响。

技术特征：

1.一种多通道短延时光纤的激光线宽测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的多通道短延时光纤的激光线宽测量方法，其特征在于：步骤1中该测量系统包括一个待测激光器(1)、一个光隔离器(2)、多个光耦合器(3a、3b、3c、3d、3e)、一个声光调制器(4)、多组长度不同的短延时光纤(5a、5b、5c)、多组偏振控制器(6a、6b、6c)、多个光电探测器(7a、7b、7c)、一个多通道频谱分析仪(8)；对测量数据的处理包括对各通道功率谱一阶包络峰值与二阶包络峰值的功率差值而后对其根据提取的特征参量计算待测激光的线宽值，其中，待测激光器的输出光束通过光隔离器后分成n+1路等强度的光信号，其中一路信号通过声光调制器使之移频，剩下各路光信号分别通过不同长度的延迟光纤进行延时，并在各光路上连接偏振控制器以保证光信号的偏振一致性，最终各路光信号与第一路移频信号通过耦合器进行合束产生拍频，而后连接到多通道光电探测器上转换为电信号，进而输入频谱分析仪进行频域信息提取。

3.如权利要求1所述的多通道短延时光纤的激光线宽测量方法，其特征在于：多通道测量系统的通道数目包括2个及以上数目。

4.如权利要求3所述的多通道短延时光纤的激光线宽测量方法，其特征在于：每个通道中，每个延时光纤的长度在长度区间内取任意多个具有区别度的长度，以作为各通道的延时光纤长度，延时光纤的长度区间为：

5.如权利要求4所述的多通道短延时光纤的激光线宽测量方法，其特征在于：各通道输出通过频谱分析仪，从其上得到功率谱，通过获取任意阶次极大值点或者极小值点两点间的功率差大小，可以获得激光线宽与该差值之间的关系：

6.如权利要求5所述的多通道短延时光纤的激光线宽测量方法，其特征在于：所述的功率谱中，取第一阶和第二阶极大值点间的差值，使得该功率谱差值与激光器线宽间关系为：

7.如权利要求6所述的多通道短延时光纤的激光线宽测量方法，其特征在于：各通道输出通过频谱分析仪，从其上得到功率谱一阶包络峰值与二阶包络峰值的功率差值，统计m个通道的差值，随后根据公式可求得待测激光器线宽：

8.如权利要求7所述的多通道短延时光纤的激光线宽测量方法，其特征在于，所述功率谱的特征参量包括：各通道信号的一阶包络峰值与二阶包络峰值的功率差值。

技术总结
本发明涉及一种多通道短延时光纤的激光线宽测量方法，待测激光器经过光隔离器后经耦合器分为多个通道，其中第一组光信号通过声光调制器进行移频，剩余光信号各通过不同长度的短延时光纤后与第一组移频后的光信号进行耦合，输入到光电探测器后转换为光信号，最后输出到示波器或者频谱分析仪上提取功率谱一阶包络峰值与二阶包络峰值的功率差值，最后通过相关处理得到待测激光的线宽参数。本发明一方面可以有效缩减延时光纤长度，延时光纤长度缩小100倍，减少系统对环境震动干扰的敏感性；另一方面不同长度延时光纤的多通道信息采集，可以一次性得到一个时间段内，一个工作状态下的激光器线宽输出的平均水平，有利于剔除线宽测量中的偶然误差影响。

技术研发人员：夏银尉,李喜琪,胡江涛,范奕博
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12