專利名稱：基于馬赫曾德干涉儀的激光器頻率噪聲功率譜密度測試系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)儀器的測試與測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于馬赫曾德干涉儀的激光器頻率噪聲功率譜密度測試系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
激光器頻率噪聲對光路系統(tǒng)影響的計算需要精確得到激光器頻率噪聲PSD特性， 建立激光器頻率噪聲PSD特性的測試系統(tǒng)是十分有必要的。但是直接對PSD曲線測試是很難完成，需要將頻率噪聲通過線性轉(zhuǎn)換得到光強，再進行測試。常見的激光器頻率噪聲PSD測試方法有邊帶鎖定法和Ponud-Drever-Hall (PDH) 鎖頻法。PDH鎖頻技術(shù)需要采用高精度的Fabry-Perot腔，搭建系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高；邊帶鎖定法在成本和實用性上具優(yōu)勢，本發(fā)明的基本原理即屬于邊帶鎖定法，在原有基礎(chǔ)上進行改進，提出反饋方案和聲光移頻器移頻方案，簡易和穩(wěn)定地實現(xiàn)激光器頻率噪聲PSD的測試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于馬赫曾德干涉儀的激光器頻率噪聲功率譜密度測試系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的
基于馬赫曾德干涉儀的激光器頻率噪聲功率譜密度測試系統(tǒng)包括待測激光器、隔離器、衰減器、第一 50%耦合器、相位調(diào)制器、延時光纖、聲光移頻器、第二 50%耦合器、第一光電探測器、第二光電探測器、鎖相放大器、伺服回路、信號源、電子頻譜儀；待測激光器、隔離器、衰減器、第一 50%耦合器、相位調(diào)制器、第二 50%耦合器、第一光電探測器、鎖相放大器、 伺服回路順次相連，伺服回路與相位調(diào)制器相連；第一 50%耦合器、延時光纖、聲光移頻器 、第二 50%耦合器、第二光電探測器、電子頻譜儀順次相連；信號源分別與聲光移頻器、鎖相放大器相連。基于馬赫曾德干涉儀的激光器頻率噪聲功率譜密度測試方法是待測激光器的激光通過隔離器、衰減器，經(jīng)第一 50%耦合器分成兩路激光，一路激光通過相位調(diào)制器，另一路激光通過延時光纖、聲光移頻器，兩路激光經(jīng)第二 50%耦合器干涉后再分為兩路激光， 一路激光經(jīng)第一光電探測器轉(zhuǎn)換成光電流并通過伺服回路用于反饋回路控制，使得系統(tǒng)工作在線性段，另一路激光經(jīng)第二光電探測器轉(zhuǎn)換成光電流在電子頻譜儀上觀測激光器的頻率噪聲功率譜密度，信號源對聲光移頻器進行移頻，同時作為同步信號用于鎖相放大器的信號解調(diào)，完成反饋信號的提取。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果
1)本發(fā)明提供一種在電子頻譜儀上即可穩(wěn)定觀測的激光器頻率噪聲功率譜密度測試方法；2)本發(fā)明提供的反饋控制回路實現(xiàn)系統(tǒng)的測試工作點的穩(wěn)定，為測試提供良好的線性區(qū)間；
3)本發(fā)明提供的聲光移頻器的移頻，可以有效避開測試系統(tǒng)本身的Ι/f噪聲。


圖1是基于馬赫曾德干涉儀的激光器頻率噪聲功率譜密度測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2是基于馬赫曾德干涉儀的激光器頻率噪聲功率譜密度測試方法的原理示意圖； 圖中1、待測激光器，2、隔離器，3、衰減器，4、第一 50%耦合器，5、相位調(diào)制器，6、延時光纖，7、聲光移頻器，8、第二 50%耦合器，9、第一光電探測器，10、第二光電探測器，11、鎖相放大器，12、伺服回路，13、信號源，14、電子頻譜儀。
具體實施例方式如圖1所示，基于馬赫曾德干涉儀的激光器頻率噪聲功率譜密度測試系統(tǒng)包括待測激光器1、隔離器2、衰減器3、第一 50%耦合器4、相位調(diào)制器5、延時光纖6、聲光移頻器 7、第二 50%耦合器8、第一光電探測器9、第二光電探測器10、鎖相放大器11、伺服回路12、 信號源13、電子頻譜儀14 ；待測激光器1、隔離器2、衰減器3、第一 50%耦合器4、相位調(diào)制器5、第二 50%耦合器8、第一光電探測器9、鎖相放大器11、伺服回路12順次相連，伺服回路12與相位調(diào)制器5相連；第一 50%耦合器4、延時光纖6、聲光移頻器7、第二 50%耦合器8、第二光電探測器10、電子頻譜儀14順次相連；信號源13分別與聲光移頻器7、鎖相放大器11相連?；隈R赫曾德干涉儀的激光器頻率噪聲功率譜密度測試方法是待測激光器1 的激光通過隔離器2、衰減器3，經(jīng)第一 50%耦合器4分成兩路激光，一路激光通過相位調(diào)制器5，另一路激光通過延時光纖6、聲光移頻器7，兩路激光經(jīng)第二 50%耦合器8干涉后再分為兩路激光，一路激光經(jīng)第一光電探測器9轉(zhuǎn)換成光電流并通過伺服回路12用于反饋回路控制，使得系統(tǒng)工作在線性段，另一路激光經(jīng)第二光電探測器10轉(zhuǎn)換成光電流在電子頻譜儀14上觀測激光器的頻率噪聲功率譜密度，信號源13對聲光移頻器7進行移頻，同時作為同步信號用于鎖相放大器11的信號解調(diào)，完成反饋信號的提取。激光器頻率噪聲對光路系統(tǒng)影響的計算需要精確得到激光器頻率噪聲PSD特性， 因此需要建立激光器頻率噪聲PSD特性的測試系統(tǒng)。但是直接對PSD曲線測試是很難完成，需要將頻率噪聲通過線性轉(zhuǎn)換得到光強，再進行測試。本發(fā)明提供一種結(jié)合環(huán)路反饋以及聲光移頻器(AOM)移頻技術(shù)，通過電子頻譜儀直接測試激光器頻率噪聲PSD的方法和系統(tǒng)。待測激光器輸出通過隔離器并由耦合系數(shù)為的第一 50%耦合器分成兩路光，其中一路通過相位調(diào)制器(PM)，另外一路通過一個光纖延時線和聲光移頻器，再通過第二 50% 耦合器進行干涉，并通過光電探測器(PD)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，一路用于鎖定，另一路在電子頻譜儀(ESA)上進行觀測得到功率譜密度曲線。其中AOM用來將激光器頻率噪聲頻譜搬移到高頻處，消除測試系統(tǒng)本身Ι/f噪聲對測試帶來的影響；反饋回路用來控制工作點， 使得系統(tǒng)工作在良好的線性段。具體的理論推導(dǎo)如下假設(shè)激光器光場輸出為
+ δοφΥ)(1)
其中Ptl為激光器功率，Vtl為中心頻率，δ V (t)為光頻的波動，即所需測得頻率噪聲。光纖延時路經(jīng)過耦合器和延時光纖和AOM得到光場輸出為
Edehv (i) = ^Jp^ cxpC72iT(q + aj + (5b(i))(t — r0))(2)
其中Ttl為由延時光纖引起的延時，Pd為經(jīng)過延時光纖后的功率，6 為AOM的移頻量。PM相移路經(jīng)過耦合器和PM得到光場輸出為
Em (i) = ^Pm Eip(/(2^(1 + 5υ( 》) + 2πυ τ耀、、(3)
其中τ PM為由PM引起的相位等效延時，Ppm為經(jīng)過PM后的功率。經(jīng)干涉后，再通過耦合器輸出到PD輸入端的光場為
E1 (i) ^ Pd + Pfm + PdPfm cos(2Tr^r + -t) + 2πδυ( )τ0)(4)
其中 τ = τ 0+ τ ρΜΟ最后由PD輸出到頻譜儀ESA觀察的電信號為
( ) = 5 + Pam + 2yjPdPfm cos(2jTL^-r + (τ0 - ) + 2πδυ^:)τ0)] =J0 + Aj eosplOTyr + (γ0 — ) +(5)
其中P力PD的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，這里使用量綱為A/w，I0 = m(Pd +Pjm) , M = 2m批Pm 。在反饋路我們先用鎖相放大器用加載在AOM上的碎同步信號去解調(diào)，得到以下
信號
^ (i) = [ I0 + Δι cos(2m>0T + ω0 (τα - )+ 2πδυ ( )τ0)] cos( 0f + φ)
=？,J ccis(s|ji+f) *去 cos(2/b.>4t-2f%i + ^ + 2 -φ)*· ιιν$ 2 ε,'0τ+ 2 + 2πδυ(β)τ ) + ] (6)
再用低通濾波得到
=+ 2πδυ·(Φο ~ψ)⑴
Z
再通過反饋調(diào)整使得
Γ
Ιπι^τ + -φ= 2πι^(r0 +τΡΜ)-φ= — + ιιπ(8)
這樣我們可以得到
i2 (t) = -Δι sin(lMSi^t)T0)(9)
在此時激光器中心頻率在正交點，上述信號可以寫成
權(quán)利要求
1.一種基于馬赫曾德干涉儀的激光器頻率噪聲功率譜密度測試系統(tǒng)，其特征在于包括待測激光器(1)、隔離器O)、衰減器(3)、第一 50%耦合器G)、相位調(diào)制器(5)、延時光纖(6)、聲光移頻器(7)、第二 50%耦合器(8)、第一光電探測器(9)、第二光電探測器(10)、 鎖相放大器(11)、伺服回路(12)、信號源(13)、電子頻譜儀(14)；待測激光器(1)、隔離器 (2)、衰減器(3)、第一 50%耦合器(4)、相位調(diào)制器(5)、第二 50%耦合器(8)、第一光電探測器(9)、鎖相放大器(11)、伺服回路(12)順次相連，伺服回路(12)與相位調(diào)制器(5)相連； 第一 50%耦合器(4)、延時光纖(6)、聲光移頻器(7)、第二 50%耦合器(8)、第二光電探測器(10)、電子頻譜儀(14)順次相連；信號源(13)分別與聲光移頻器(7)、鎖相放大器(11) 相連。
2.一種使用如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的基于馬赫曾德干涉儀的激光器頻率噪聲功率譜密度測試方法，其特征在于待測激光器(1)的激光通過隔離器O)、衰減器(3)，經(jīng)第一 50%耦合器(4)分成兩路激光，一路激光通過相位調(diào)制器(5)，另一路激光通過延時光纖 (6)、聲光移頻器(7)，兩路激光經(jīng)第二 50%耦合器(8)干涉后再分為兩路激光，一路激光經(jīng)第一光電探測器(9)轉(zhuǎn)換成光電流并通過伺服回路(12)用于反饋回路控制，使得系統(tǒng)工作在線性段，另一路激光經(jīng)第二光電探測器(10)轉(zhuǎn)換成光電流在電子頻譜儀(14)上觀測激光器的頻率噪聲功率譜密度，信號源(13)對聲光移頻器(7)進行移頻，同時作為同步信號用于鎖相放大器(11)的信號解調(diào)，完成反饋信號的提取。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于馬赫曾德干涉儀的激光器頻率噪聲功率譜密度測試系統(tǒng)及方法。本發(fā)明通過反饋回路將激光器中心頻率鎖定在馬赫曾德干涉儀干涉曲線的正交點，使得系統(tǒng)工作在良好的線性段，完成對激光器的頻率噪聲到光強的轉(zhuǎn)換，達到了通過電子頻譜儀直接測試的目的；通過聲光移頻器的移頻使得頻率觀測點避開測試系統(tǒng)本身的1/f噪聲。本發(fā)明為激光器頻率噪聲功率譜密度的測試，提供一種在電子頻譜儀上即可觀測的穩(wěn)定測試方法，為激光器頻率噪聲對光學(xué)系統(tǒng)的影響分析提供了一種手段，具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價值。
文檔編號G01M11/02GK102183362SQ201110069378
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月22日
發(fā)明者張顧洪, 金仲和, 馬慧蓮 申請人:浙江大學(xué)