專利名稱:一種測量激光束頻率穩(wěn)定度的方法
本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域：
。
目前國內(nèi)外所慣用的測量激光束頻率穩(wěn)定度的外差法是將被測光源與計量標(biāo)準(zhǔn)樣管差頻，差頻后的訊號經(jīng)帶寬為500兆赫-1000兆赫的放大器放大，然后輸入頻譜儀測出被測管的頻率漂移，所用的計量標(biāo)準(zhǔn)樣管的頻率穩(wěn)定度必須比被測管高幾個數(shù)量級，并且國際上定期共同互驗。例如目前中國計量科學(xué)研究院測量氦-氖激光器的頻率穩(wěn)定度所采用的方法就是一個典型的例子。它需要有一只和被測管相同波長由國際互驗承認的計量標(biāo)準(zhǔn)樣管，對不同類型、不同波長的激光器(如CO2、固體、半導(dǎo)體激光器，波長為632
、1.52μm等等)，要測量它的頻率穩(wěn)定度都須要建立相應(yīng)的計量標(biāo)準(zhǔn)樣管。另外還須要有低噪聲寬帶放大器及頻譜儀等這類價格昂貴的儀器，要建立所有的類型和波長的計量標(biāo)準(zhǔn)樣管將是一件十分艱巨的工作，所以更不能被生產(chǎn)單位和使用單位所接受。
本發(fā)明推導(dǎo)出頻率漂移值和相位變化量成正比的關(guān)系式采用了曾用于測量激光輸出光譜〔1〕中的自外差技術(shù)結(jié)合相位精密測量〔2〕。
本發(fā)明的目的在于提出一種不用計量標(biāo)準(zhǔn)樣管測量頻率穩(wěn)定度(或頻率漂移)小于10-9的方法。
本發(fā)明采用了自外差技術(shù)及相位計法來測量激光束的頻率穩(wěn)定度，其基本原理如下
大家知道，光外差技術(shù)早在六十年代就被研究(Oliver，1961;Siegman etal.，1964;Arams等人，1967)〔3〕。當(dāng)兩光束具有相同的偏振方向，垂直入射，并且在光電探測器的整個光敏面上保持波陣面平行，兩光束就產(chǎn)生混頻，在適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)直條件下，信號電場eLO之和給出光的響應(yīng)如下I∞(eS+eL0)2(1)式中eS＝EScos(ωS+ψS)eLO＝ELOcos(ωLO+ψLO)混頻后的光響應(yīng)中包含有直流、(ωS-ωLO)及更高的頻率成分。由于光敏面頻率響應(yīng)有一個頻率上限，所以對光頻及高于(ωS-ωLO)頻率的變化不能響應(yīng)。因此，光電倍增管輸出的交流訊號只能是兩光束的差頻信號如下〔3〕iIF＝g·ES·ELO·cos〔(ωS-ωLO)t+ψS-ψL0〕(2)式中g(shù)為混頻增益。
從上式可知輸出的電訊號iIF攜帶了兩光束的相位信息，相位差為ψ＝ψS-ψLO。
兩光束的相位差和光程差有如下的關(guān)系(ψ)/(2π) ＝ (L-Aλ)/(λ) (3)式中L為兩光束的光程差，A為正整數(shù)，并且有(L-Aλ)＜λ。λ為激光束波長。ψ為兩光束的相位差。
上式整理后得ψ＝2π( (L)/(λ) -A)對上式微分得dψ＝ (2π)/(λ)
L- (2πL)/(λ2)
λ當(dāng)L固定不變時，只考慮激光管頻率漂移時相位產(chǎn)生的影響，則可寫成下式△ψ＝- (2πL)/(λ2) ·△λ (5)由于f＝ (c)/(λ) ，C-光速df/f＝-dλ/λ (6)因此△ψ＝ (2πL)/(λ) · (△f)/(f) (7)或△ψ＝ (2πL)/(C) ·△f (8)
令△ψ以度為單位;K＝λ/360°·L;K′＝C/360°·L，則可得下式(△f)/(f) ＝K·△ψ (9)或△f＝K′·△ψ (10)從上式可知，激光管的頻率穩(wěn)定度△f/f0(或頻率漂移)直接與兩光束相位差的變化量成正比，而比例常數(shù)為K，(頻率漂移式的比例常數(shù)為K′)，由于K＝λ/360°·L(K′＝C/360°·L)，所以L確定后，K(或K′)為已知確定值，這樣測出相位差的變化量乘以系數(shù)K(或K′)就可以獲得激光管的頻率穩(wěn)定度(或漂移)。并且由不同的L來確定不同的系數(shù)K(或K′)，從而改變量程。從上論述均由實驗證實。
激光束的頻率穩(wěn)定度是激光器的一個重要參數(shù)，在激光束用于精密測量遠距離測距，微小位移及振動測量和光纖通信外差技術(shù)中的光源和本振光源，這一參數(shù)都是必不可少的，所以無論是生產(chǎn)激光穩(wěn)頻器的廠家還是使用激光穩(wěn)頻器的用戶都必須測量這一參數(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)點在于省去了計量用的標(biāo)準(zhǔn)樣管(一般頻率穩(wěn)定度在10-11)，使得目前尚很難測量這一參數(shù)的各種類型和各種波長的激光器均可方便地制造其頻率穩(wěn)定度的精密測試儀;由于相位差變化量和激光束的頻率漂移成比例關(guān)系，所以，不須要校準(zhǔn)即能直接讀出激光束的頻率穩(wěn)定度(或頻率漂移);利用相位差的變化量，使之組成負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)控制半導(dǎo)體激光器的注入電流或氣體激光器的腔長就可以制成激光穩(wěn)頻器;如圖4所示，由自外差相位法激光頻率穩(wěn)定度測試儀(16)測得的頻率漂移值△V(△ψ)。經(jīng)電壓變換器(17)后，再經(jīng)穩(wěn)頻控制器(18)控制激光束的頻率。
圖1為單聲光調(diào)制器，一次混頻的頻率穩(wěn)定度測試儀框圖。
圖2為單聲光調(diào)制器，二次混頻的頻率穩(wěn)定度測試儀框圖。
圖3為雙聲光調(diào)制器的頻率穩(wěn)定度測試儀框圖。
圖4為利用相位差的變化量組成負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)控制的激光穩(wěn)頻器。
實施例一如圖1所示在于頻率為f0的被測激光束(1)經(jīng)聲光調(diào)制器(2)后，分為兩光束，一束頻率為f0，另一束一級衍射光頻率為f0+fa1，其中fa1為聲光調(diào)制器的超聲訊號源(7)頻率。由全反鏡(4)和(5)反射后，兩束光經(jīng)過不同光程，然后由半透鏡(3)合成為完全平行的一束光，進入光電倍增管(6)，光外差后的中頻信號經(jīng)中頻放大器(8)進入相位計(9)與信號源(7)的基準(zhǔn)信號比較相位，可由數(shù)字顯示器(10)讀得相位差或由記錄儀(11)自動記錄。
實施例二圖2中(12)是頻率為fa2振蕩源，(13)，(14)為混頻放大器。其目的為提高中放增益和降低相位計的頻率要求。
實施例三圖3為分束后兩光束分別進入聲光調(diào)制器，然后利用各自的一級衍射光進行光外差可以得到較低的差頻信號，經(jīng)放大器(15)放大后的信號與混頻器(14)的基準(zhǔn)信號由相位計(9)比較其相位。由于兩光束所經(jīng)過的光程不同，則產(chǎn)生一定的相位差，在外差后的電訊號中這一相位差仍保持不變，所以，用中頻電訊號的相位差測出了兩光束的相位差，在兩光束存在光程差的情況下，激光管的頻率漂移將使該相位差也隨著變化，所以測出相位差的變化量也就測出了激光束的頻率穩(wěn)定度(即頻率漂移)。
為了確保兩光束的光程差L嚴(yán)格保持不變，應(yīng)采取的措施是除防振、隔音、恒溫等必須的常規(guī)測試條件外，還須將光路中的分束器、反射鏡、聲光調(diào)器等零件固定在一個形變極小的平面上，以保證零件的相對位置不變;整個光路應(yīng)放置在密閉真空容器中，避免外界噪聲及空氣漲落振動引起折射率改變后對光程差L的影響。
參考文獻〔1〕 T.OKOSHI;K.KIKUCHI;A.NAKAYAMl‘Novelmethod for high resolution measurement of leser output spectrum’Electronics Letters 31th July 1980 Vol 16 №.16 p.630〔2〕 楊選民等《外差法激光相位精密測量的探討》南京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)1981年第一期，p.450。
〔3〕 F.T.阿雷克E.O.舒爾茨-杜波依斯主編《激光手冊》科學(xué)出版社，中譯本，1981年，p78-99。
權(quán)利要求
1.一種測量激光束頻率穩(wěn)定度(或頻率漂移)的方法，其特征在于所述的方法由外差技術(shù)、相位差法組合而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的測量激光束頻率穩(wěn)定度(或頻率漂移)的方法，其特征是采用了單聲光調(diào)制器一次混頻的測試頻率穩(wěn)定度方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的測量激光束頻率穩(wěn)定度(或頻率漂移)的方法，其特征是采用了單聲光調(diào)制器二次混頻的測試頻率穩(wěn)定度的方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的測量激光束頻率穩(wěn)定度(或頻率漂移)的方法，其特征是采用了雙聲光調(diào)制器的頻率穩(wěn)定度的測試方法。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的測量激光束頻率穩(wěn)定度(或頻率漂移)的方法，其特征為組成以相位變化負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)控制的激光穩(wěn)頻器。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1、2、3、4或5所述的測量激光束頻率穩(wěn)定度(或頻率漂移)的方法以及相位變化負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)控制的激光穩(wěn)頻器，其特征在于將光路系統(tǒng)放置于真空室中。
專利摘要
這是一種采用自外差技術(shù)和相位法測量激光束頻率穩(wěn)定度(或頻率漂移)的方法，對任何波長和任何類型的激光束均可適用。被測激光束(f
文檔編號H01S3/13GK85100567SQ85100567
公開日1986年1月10日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者孫大有 申請人:南京工學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan