專利名稱：He-Ne激光器頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)及其測量方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光技術領域，具體地說是一種根據(jù)拍頻檢測原理，測量He-Ne激光 器頻率穩(wěn)定度的系統(tǒng)，主要用于對He-Ne激光器頻率穩(wěn)定度的高精度測量。
背景技術：
目前，激光頻率穩(wěn)定度的測量方法有多種，例如使用光譜儀、干涉儀的直接測量 法，以碘穩(wěn)定He-Ne激光器作為頻率標準的拍頻測量法，以及基于諧波光頻鏈、光學頻率梳 等技術的光頻測量方法。基于光學頻率梳等技術的光頻測量方法，由于技術難度大，系統(tǒng)復 雜等原因無法廣泛使用；使用光譜儀、干涉儀進行的直接測量方法雖然簡單，但只適用于低 穩(wěn)定度及對測量精度要求不高的情況。因此對于高穩(wěn)定度的激光頻率穩(wěn)定度測量都是采用 拍頻測量方法，其中用碘穩(wěn)定He-Ne激光器作為頻率標準的拍頻測量方法是頻率穩(wěn)定度高 精度測量的主流方法。目前，國內(nèi)在He-Ne激光器頻率穩(wěn)定度的測量方面較新的應用，參見《激光陀螺儀 頻率穩(wěn)定度高精度測量系統(tǒng)的研制》(羅暉等，中國慣性技術學報，2005) —文，該文獻中所 述的系統(tǒng)，使用碘穩(wěn)定He-Ne激光器作為標準進行拍頻，能夠?qū)捎霉夤β蕛H為0. 1 y w量 級的He-Ne激光器的頻率穩(wěn)定度進行測量，測量精度達到10_"量級。但是該系統(tǒng)只能對 正常環(huán)境中的激光器進行測量，無法對振動及溫度快速變化等環(huán)境下的激光器進行可靠測 量，因為在振動條件及溫度快速變化等條件下，He-Ne激光器的頻率穩(wěn)定度變化情況對它的 正常使用有極大的影響，所以需要研制相應的測量儀器對其進行測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出一種He-Ne激光器頻率穩(wěn)定度 測量系統(tǒng)及其測量方法，使用光纖測量頭，使待測He-Ne激光器在振動及溫度快速變化等 條件下仍能與碘穩(wěn)定He-Ne激光器形成干涉，產(chǎn)生穩(wěn)定的拍頻信號，最終實現(xiàn)在振動及變 化的溫度等條件下對He-Ne激光器的頻率穩(wěn)定度進行測量。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的測量系統(tǒng)包括碘穩(wěn)定He-Ne激光器、光學濾波器、偏 振片、全反射鏡、分束器、拍頻信號測量系統(tǒng)、頻譜分析儀和計算機，該光學濾波器將待測 He-Ne激光器發(fā)出的光入射到分束器，形成第一路光，該碘穩(wěn)定He_Ne激光器發(fā)出的光通過 偏振片，再經(jīng)全反射鏡反射后入射到分束器，形成第二路光，兩束光在分束器后重合產(chǎn)生拍 頻信號，進入拍頻信號測量系統(tǒng)進行光電轉(zhuǎn)換后，通過USB將數(shù)據(jù)傳輸至計算機進行存儲 和計算，并通過頻譜分析儀進行觀測，最終得出激光器的頻率穩(wěn)定度，其中在待測He-Ne 激光器和光學濾波器之間引入一個光纖測量頭，用于將在振動及溫度變化等環(huán)境中的待測 He-Ne激光器發(fā)出的光導出，實現(xiàn)頻率穩(wěn)定度的測量；在分束器與拍頻信號測量系統(tǒng)之間 增加一個平面反射鏡，以調(diào)整進行拍頻的兩束光之間的角度，使其兩束光重合，提高拍頻效 率。所述的光纖測量頭，采用單模保偏光纖，以保證激光通過光纖后偏振性不變。
所述的光纖測量頭的后端、光學濾波器、碘穩(wěn)定He-Ne激光器、偏振片、全反射鏡、 分束器以及拍頻信號測量系統(tǒng)，均放置在光學防振平臺上，通過光纖測量頭輸出端的調(diào)節(jié) 支架，保證碘穩(wěn)定He-Ne激光器的輸出光束與拍頻信號測量系統(tǒng)的光軸重合。所述的拍頻信號測量系統(tǒng)，主要由變換透鏡、光電探測器、低噪聲放大器、波形變 換器、頻率計、頻譜分析儀接口和USB接口組成，拍頻光信號通過變換透鏡進入光電探測 器，進行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過低噪聲放大器放大后，通過頻譜分析儀接口輸出到 頻譜分析儀進行觀測，放大后的信號經(jīng)波形變換器以及頻率計數(shù)字化后，通過USB接口將 數(shù)據(jù)傳輸給計算機進行存儲計算。所述的光學濾波器由起偏器和1/4波片組成，若待測激光為線偏振光，則通過調(diào) 節(jié)起偏器和偏振片改變兩束光的偏振狀態(tài)，使兩束光輸出的偏振方向一致，以最佳功率比 進行拍頻；若待測激光由模式不同的左旋和右旋偏振光組成，先通過1/4波片將兩種模式 的光轉(zhuǎn)換成振動方向相互垂直的線偏振光，再通過起偏器選出其中一種模式，與標準激光 進行拍頻，濾除多余部分帶來的噪聲，提高拍頻測量的精度。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1)本發(fā)明由于使用光纖測量頭，實現(xiàn)了待測激光從振動及溫度快速變化等環(huán)境中 高效導出，又保證了待測激光器的環(huán)境影響不會被帶入到測量系統(tǒng)中，使待測激光與碘穩(wěn) 定He-Ne激光器形成干涉，產(chǎn)生穩(wěn)定的拍頻信號，提高拍頻測量的精度。2)本發(fā)明由于使用平面反射鏡，用于調(diào)整進行拍頻的兩束光之間的角度，使其兩 束光重合，提高了拍頻效率。3)本發(fā)明中的光纖測量頭，采用單模保偏光纖，保證了激光通過光纖后偏振性不 變，進一步提高了拍頻效率。4)本發(fā)明中的光學濾波器由起偏器和1/4波片組成，可以對不同偏振模式的待測 激光進行模式轉(zhuǎn)換和過濾，濾除多余部分帶來的噪聲，提高拍頻測量的精度。


圖1是本發(fā)明頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)結構框圖；圖2是現(xiàn)有拍頻法原理示意圖；圖3是本發(fā)明光纖測量頭工作原理示意圖。
具體實施例方式以下將結合附圖，清楚、完整地描述本發(fā)明的光學系統(tǒng)和拍頻信號測量系統(tǒng)的設 置，用軟件進行計算得到頻率穩(wěn)定度值的詳細過程。參照圖2，本發(fā)明使用的拍頻檢測原理如下當兩束激光疊加在一起時，由于激光的相干性好，初相位的差值是暫時穩(wěn)定或緩 慢變化的，因此會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。若頻率相差很小的兩束光波，瞬時頻率分別為Vl(t)及 v2(t)，其光場分別為 式中，兩光波的振幅，約、約為兩光波的初相位。當這兩束傳播方向平行的光垂直入射到光電探測器上時，其輸出的合成信號正比 于光強1(光場E(t)的平方)，即輸出的光電流I為 式中，第一、二項的平均值分別為￡12/2及氏2/2，是光電探測器輸出的直流項，第 三項是和頻項，頻率很高，現(xiàn)有光電探測器無法響應，其輸出平均值為零，第四項是差頻/ 拍頻項，相對光頻要慢的多，當拍頻信號低于光電探測器的截止頻率時，就有交流光電流輸 出 f拍頻信號電流的頻率(Vl-V2)隨兩束光的頻率、^2成比例變化，若第一激光器19 相對于第二激光器21的頻率穩(wěn)定性很高，可以認為Vl ^ V(1(作為參考頻率)，拍頻Av = vrv2 = V(|-V2，拍頻頻率值的變化主要反映了第二激光器21的頻率漂移。由于頻率起伏是隨機的，一般采用阿侖方差對拍頻數(shù)據(jù)進行處理。設第二激光器 21相對于第一激光器19 (頻率為V(1)的拍頻測量值為A Vl，A v2，A v3，. . .，A vN，N為取樣 次數(shù)，則激光頻率偏差的雙取樣阿侖方差0 (2，t)為 上式中，t為取樣平均時間，Av2i、A力^為連續(xù)測量的兩個相鄰拍頻信號的頻 率，以T為取樣時間。激光頻率穩(wěn)定度的雙取樣阿侖方差\為 只要測得N組拍頻樣本序列，即可由上式計算出取樣時間t內(nèi)待測第二激光器21 的頻率穩(wěn)定度。參照圖1，本發(fā)明的測量系統(tǒng)，包括光學系統(tǒng)、拍頻信號測量系統(tǒng)和主控計算機，其 中光學系統(tǒng)由光纖測量頭2、光學濾波器3、碘穩(wěn)定He-Ne激光器4、偏振片5、全反射鏡6、 分束器7和平面反射鏡18組成；拍頻信號測量系統(tǒng)15由變換透鏡8、光電探測器9、低噪聲 放大器10、波形變換器11、頻率計12、頻譜分析儀接口 13和USB接口 14組成；計算機17內(nèi)設有控制軟件。該碘穩(wěn)定He-Ne激光器4，作為頻率標準與待測激光器進行拍頻測量；該光 纖測量頭2，如圖3，主體采用單模保偏光纖27，光纖輸入端增加耦合光學系統(tǒng)26，輸出端增 加準直輸出系統(tǒng)28，將光纖測量頭固定在待測He-Ne激光器25上，待測He_Ne激光器25輸 出的激光束經(jīng)耦合光學系統(tǒng)26進入單模保偏光纖27，從單模保偏光纖27輸出的光束經(jīng)準 直光學系統(tǒng)28變換為平行光輸出，待測He-Ne激光器25的環(huán)境影響不會被帶入到測量系 統(tǒng)中，從而使待測He-Ne激光器25發(fā)出的光在振動及溫度快速變化等條件下仍可以與標準 激光器形成干涉，產(chǎn)生穩(wěn)定的拍頻信號；該平面反射鏡18，調(diào)整進行拍頻的兩束光的夾角， 使兩束光重合，提高拍頻效率；該光學濾波器3，由起偏器和1/4波片組成，若待測激光為線 偏振光，則通過調(diào)節(jié)起偏器和偏振片5使兩束光輸出的偏振方向一致，以最佳功率比進行 拍頻，若待測激光由模式不同的左旋和右旋偏振光組成，先通過1/4波片將兩種模式的光 轉(zhuǎn)換成振動方向相互垂直的線偏振光，再通過起偏器選出其中一種模式，與標準激光進行 拍頻，濾除多余部分帶來的噪聲，提高拍頻測量的精度；該拍頻信號測量系統(tǒng)15中的光電 探測器9，依次與低噪聲放大器10、波形變換器11和頻率計12連接，低噪聲放大器10的輸 出與頻譜分析儀接口 13相連，頻率計12的輸出與USB接口 14雙向連接；該主控計算機17 中設有控制軟件，該控制軟件由USB驅(qū)動和界面程序組成，USB驅(qū)動計算機17與拍頻信號 測量系統(tǒng)15通信，傳輸控制指令及拍頻數(shù)據(jù)，界面程序?qū)⑴念l數(shù)據(jù)進行實時顯示并保存， 用于對拍頻數(shù)據(jù)進一步的計算和處理。 測量時，將光纖測量頭2固定在待測He-Ne激光器1上，光學濾波器3、偏振片5、 全反射鏡6及分束器7分別安裝在支架上，并把支架安裝在光學平臺上，光纖測量頭2將待 測He-Ne激光器1發(fā)出的光從振動及溫度變化的環(huán)境中導出，再由光學濾波器3入射到分 束器7，形成第一路光，將碘穩(wěn)定He-Ne激光器4固定在光學防振平臺上，調(diào)節(jié)輸出光束使其 與光學平臺表面平行，該碘穩(wěn)定He-Ne激光器4發(fā)出的光通過偏振片5，再經(jīng)全反射鏡6反 射后入射到分束器7，形成第二路光，在分束器7后，使用平面反射鏡18將兩束光調(diào)節(jié)重合， 產(chǎn)生拍頻光信號，進入放置在光學防振平臺上的拍頻信號測量系統(tǒng)15 ；主控計算機17設定 取樣平均時間及取樣次數(shù)，通過USB接口 14發(fā)送給拍頻信號測量系統(tǒng)15，啟動拍頻測量， 碘穩(wěn)定He-Ne激光器4與待測He_Ne激光器1形成的拍頻光經(jīng)過變換透鏡8會聚到光電探 測器9的光敏面上轉(zhuǎn)換成電信號，微弱的拍頻信號經(jīng)過低噪聲放大器10放大，由波形變換 器11將正弦波變換為方波，頻率計12對波形變換器輸出的方波進行計數(shù)，得到拍頻頻率， 然后將測量數(shù)據(jù)通過USB 2.0接口 14送給主控計算機17進行相關的數(shù)據(jù)處理，為了在光 路調(diào)整過程中方便觀測，拍頻信號測量系統(tǒng)設置一個頻譜分析儀接口 13，可以使用頻譜分 析儀16觀測拍頻信號。
權利要求
一種He-Ne激光器頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)，包括碘穩(wěn)定He-Ne激光器(4)、光學濾波器(3)、偏振片(5)、全反射鏡(6)、分束器(7)、拍頻信號測量系統(tǒng)(15)、頻譜分析儀(16)和計算機(17)，該光學濾波器(3)將待測He-Ne激光器(1)發(fā)出的光入射到分束器(7)，形成第一路光，該碘穩(wěn)定He-Ne激光器(4)發(fā)出的光通過偏振片(5)，再經(jīng)全反射鏡(6)反射后入射到分束器(7)，形成第二路光，兩束光在分束器(7)后重合產(chǎn)生拍頻信號，進入拍頻信號測量系統(tǒng)(15)進行光電轉(zhuǎn)換后，通過US B將數(shù)據(jù)傳輸至計算機(17)進行存儲和計算，并通過頻譜分析儀(16)進行觀測，最終得出激光器的頻率穩(wěn)定度，其特征在于在待測He-Ne激光器(1)和光學濾波器(3)之間引入一個光纖測量頭(2)，用于將在振動及溫度變化等環(huán)境中的待測He-Ne激光器(1)發(fā)出的光導出，實現(xiàn)頻率穩(wěn)定度的測量；在分束器(7)與拍頻信號測量系統(tǒng)(15)之間增加一個平面反射鏡(18)，以調(diào)整進行拍頻的兩束光之間的角度，使其兩束光重合，提高拍頻效率。
2.根據(jù)權利要求1所述的頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)，其特征在于光纖測量頭(2)，采用單模 保偏光纖，以保證激光通過光纖后偏振性不變。
3.根據(jù)權利要求1所述的頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)，其特征在于光纖測量頭(2)的后端、光 學濾波器(3)、碘穩(wěn)定He-Ne激光器(4)、偏振片(5)、全反射鏡(6)、分束器(7)以及拍頻信 號測量系統(tǒng)(15)，均放置在光學防振平臺上，通過光纖測量頭(2)輸出端的調(diào)節(jié)支架，保證 碘穩(wěn)定He-Ne激光器⑷的輸出光束與拍頻信號測量系統(tǒng)(15)的光軸重合。
4.根據(jù)權利要求1所述的頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)，其特征在于拍頻信號測量系統(tǒng)(15)， 主要由變換透鏡(8)、光電探測器(9)、低噪聲放大器(10)、波形變換器(11)、頻率計(12)、 頻譜分析儀接口(13)和USB接口(14)組成，拍頻光信號通過變換透鏡(8)進入光電探測器 (9)，進行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過低噪聲放大器(10)放大后，通過頻譜分析儀接口 (13)輸出到頻譜分析儀(16)進行觀測，放大后的信號經(jīng)波形變換器(11)以及頻率計(12) 數(shù)字化后，通過USB接口(14)將數(shù)據(jù)傳輸給計算機(17)進行存儲計算。
5.根據(jù)權利要求1所述的頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)，其特征在于光學濾波器(3)由起偏器 和1/4波片組成，若待測激光為線偏振光，則通過調(diào)節(jié)起偏器和偏振片(5)改變兩束光的偏 振狀態(tài)，使兩束光輸出的偏振方向一致，以最佳功率比進行拍頻；若待測激光由模式不同的 左旋和右旋偏振光組成，先通過1/4波片將兩種模式的光轉(zhuǎn)換成振動方向相互垂直的線偏 振光，再通過起偏器選出其中一種模式，與標準激光進行拍頻，濾除多余部分帶來的噪聲， 提高拍頻測量的精度。
6.根據(jù)權利要求1所述的頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)，其特征在于計算機(17)中設有控制 軟件，該控制軟件由USB驅(qū)動和界面程序組成，USB驅(qū)動計算機(17)與拍頻信號測量系統(tǒng) (15)通信，傳輸控制指令及拍頻數(shù)據(jù)，界面程序?qū)⑴念l數(shù)據(jù)進行實時顯示并保存，用于對拍 頻數(shù)據(jù)進一步的計算和處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種He-Ne激光器頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)。主要解決現(xiàn)有系統(tǒng)只適用于正常環(huán)境，無法對振動及溫度快速變化等環(huán)境下的激光器進行頻率穩(wěn)定度測量的不足。整個測量系統(tǒng)，以碘穩(wěn)定氦氖(He-Ne)激光器為頻率標準，使用光纖測量頭，將待測He-Ne激光器發(fā)出的光從振動及溫度快速變化等環(huán)境中導出，與碘穩(wěn)定He-Ne激光器形成干涉，產(chǎn)生穩(wěn)定的拍頻信號，經(jīng)過專用的拍頻信號測量系統(tǒng)對拍頻信號進行濾波、放大和除噪等信號處理后，得到拍頻頻率值，并通過USB接口傳輸?shù)接嬎銠C進行顯示和存儲，經(jīng)計算得到頻率穩(wěn)定度值。本發(fā)明具有導出待測激光，隔離環(huán)境影響，保持待測激光偏振特性的優(yōu)點，適用于He-Ne激光器在溫度及振動等環(huán)境下的測量。
文檔編號G01J9/02GK101858822SQ201010172718
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權日2010年5月14日
發(fā)明者李慶輝, 林見杰, 王銳, 邢樂 申請人:西安電子科技大學