测量激光频率变化的装置和方法 【技术领域】
本发明涉及激光参数测量，特别是一种测量激光频率变化的装置和方法。
背景技术
调谐激光器作为测量光源或标准光源在许多领域得到了广泛的应用，如频率调制光谱仪、移相干涉仪、激光雷达测量等。在许多应用场合中，调谐激光器需要精确测量其输出激光的频率(波长)变化范围及具体变化量。当激光频率变化时，若对应波长的变化幅度在纳米量级以上时可用光谱仪、波长计进行测量，若对应波长的变化幅度小于0.1个纳米或者更小，则需要采用新的频率变化检测方法。
在先技术[1](参见Oleg Kazharsky，Sergei Pakhomov，Alexander Grachev，et al..“Broad continuous frequency tuning of a diode laser with an external cavity”.Optics.Communications，Vol.137，77-82，1997)描述了一种利用已知腔长的法布里-珀罗标准具来测量调谐激光器频率变化率的简单方法。当调谐激光器的频率变化达到法布里-珀罗标准具的谐振频率时，法布里-珀罗标准具输出一个能量最大值，通过计算最大输出信号的数量，即可获得可调谐激光器的调谐频率变化值。该测量方法可通过简单计算获得调谐激光器的频率变化量，但它要求调谐激光器的频率变化幅度大于法布里-珀罗标准具的自由光谱范围。同时该测量方法只能给出一个频率非连续变化的间隔值，不能用于激光频率连续变化条件下的频率变化量测量。
在先技术[2](参见Fang Wu，Hong Zhang，Michael J Lalor and David R Burton.“Anovel calibration method for current-induced wavelength shift of a laser diode”.Measurement Science and Technology，Vol.11，N100-N103，2000)描述了一种基于偏振迈克尔逊干涉仪的激光波长(频率)测量方法。在该方法中，准直激光束的波长(频率)变化将引起载波干涉条纹的变化，测量出载波干涉条纹变化前后的相位即可计算出激光波长(频率)变化量。由于需要探测、处理激光波长(频率)变化前后的载波干涉条纹图像，该方法也不能实现激光频率变化的实时测量。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种测量激光频率变化的装置与方法，该装置可实时测量激光频率变化。
本发明的技术解决方案如下：
一种测量激光频率变化的装置，其特点在于该装置由输入平行平板、相位延迟平行平板、第一剪切平板、第二剪切平板、输出平行平板、光电探测器线性阵列和信号处理系统所组成，其位置关系是：所述的输入平行平板与所述的输出平行平板的材料与厚度均相同且平行放置，在所述的输入平行平板的第一介质面的反射光路中设置所述的相位延迟平行平板和第一剪切平板，在所述的输入平行平板的第二介质面的反射光路中设置第二剪切平板，所述的第一剪切平板和第二剪切平板的材料与厚度均相同，所述的第一剪切平板和第二剪切平板倾斜方向相反地在所述的第一剪切平板和第二剪切平板的公共轴的两边对称放置，在所述输出平行平板的出射光路中设置所述的光电探测器线性阵列，该光电探测器线性阵列由性能参数相同的第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器和第五光电探测器等间距直线排列形成，该光电探测器线性阵列的输出端与所述信号处理系统的输入端相连。
所述的相位延迟平行平板可以设置在所述输入平行平板的第一介质面的反射光路中，也可以设置在所述输入平行平板的第二介质面的反射光路中。
所述的第一剪切平板和第二剪切平板之间具有使之绕所述的公共轴同时反向旋转的机构，以改变剪切量。
所述的光电探测器线性阵列可以由五个光电探测器等间距直线排列组成，也可以是多元线性阵列探测器，其中五个依次等距离的光电探测单元用作第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器。
所述的信号处理系统由具有A/D转换功能的多通道高速数据采集卡与具有相应数据处理、分析软件的计算机所构成，或是由具有相应处理功能地信号处理电路与微处理器所构成。
利用上述测量激光频率变化的装置测量激光频率变化的方法，其特征在于包括下列步骤：
①将本发明装置设置后，调整光路，使待测激光入射到所述的输入平行平板的第一介质面的入射角为45°；
②启动本发明装置开始测量，所述光电探测器线性阵列的第一光电探测器、第二光电探测器)、第三光电探测器、第四光电探测器和第五光电探测器分别记录的光强为I1、I2、I3、I4和I5并转变为相应的电信号，该电信号输入所述的信号处理系统，经A/D转换为相应的数字信号；
③所述的信号处理系统进行以下公式运算，获得激光频率变化值Δf：
Δf=c·arctan[2(I2-I4)2I3-I1-I5]1-[I1-I52(I2-I4)]22π(n-1)L,]]>
式中：n为相位延迟平行平板的折射率，L为相位延迟平行平板的厚度，c为光速。
与在先技术相比，本发明的技术效果如下：
1、光电探测器线性阵列中五个光电探测器同时输出的电信号进行处理、计算得到激光频率变化量，由于数据处理过程由计算机或具有同等功能的电路自动完成，和光电探测器线性阵列快速记录，因此本发明装置可以实时测量激光频率变化量。
2、相位延迟平行平板的厚度在毫米量级或者更大，可以对百兆量级或者更小的激光频率变化量进行测量。
3、两块剪切平板产生的剪切量连续可调，可对具有不同曲率半径的波面进行测量，且无须要求待测激光束为准直激光束。
【附图说明】
图1为本发明激光频率变化测量装置的结构示意图。
图2为本发明中光电探测器线性阵列的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
首先参阅图1，图1是本发明激光频率变化测量装置的结构示意图。由图1可见，本发明所述测量激光频率变化的装置由输入平行平板1、相位延迟平行平板2、第一剪切平板3、第二剪切平板4、输出平行平板5、光电探测器线性阵列6和信号处理系统7所组成，所述的输入平行平板1与输出平行平板5平行放置。相位延迟平行平板2和第一剪切平板3设置在所述的输入平行平板1的第一介质面101的反射光路中，第二剪切平板4置于所述的输入平行平板1的第二介质面102的反射光路中。所述的第一剪切平板3和第二剪切平板4倾斜方向相反地在所述的第一剪切平板3和第二剪切平板4的公共轴的两边对称放置，所述的第一剪切平板3和第二剪切平板4之间具有使之绕所述的公共轴同时反向旋转的机构，图中未示。
在所述输出平行平板5的出射光路中设置所述的光电探测器线性阵列6，该光电探测器线性阵列6由性能参数相同的第一光电探测器601、第二光电探测器602、第三光电探测器603、第四光电探测器604和第五光电探测器605等间距直线排列形成，该光电探测器线性阵列6的输出端与所述信号处理系统7的输入端相连。
待测激光光束以45°的入射角入射在输入平行平板1上，经过输入平行平板1的第一介质面101和第二介质面102的反射后分成两束。由输入平行平板1的第一介质面101反射的一束光依次经过相位延迟平行平板2和第一剪切平板3后被输出平行平板5的第二介质面502反射。由输入平行平板1的第二介质面102反射的另一束光经过第二剪切平板4后被输出平行平板5的第一介质面501反射。输出平行平板5的第一介质面501、第二介质面502分别反射的两束光从输出平行平板5出射后则被合束并具有一定的剪切量。合束后的两束光产生干涉，干涉光强由所述的光电探测器线性阵列6接收，光电探测器线性阵列6将干涉光强转换为电信号后输入信号处理系统7进行处理、计算。
光电探测器线性阵列6上任一点的干涉光强可以表达为
I＝I0[1+mcos(φx+ΔφL)]，(1)
式中：I0为平均光强，m为干涉条纹对比度，φx为剪切量产生的随位置变化的相位差，ΔφL为激光频率变化时相位延迟平行平板2产生的附加相位差。第一光电探测器601、第二光电探测器602、第三光电探测器603、第四光电探测器604和第五光电探测器605接收的干涉光强分别为I1、I2、I3、I4和I5，相位延迟平行平板2产生的相位差由下列公式表示：
ΔφL=arctag[2(I2-I4)2I3-I1-I5]1-[I1-I52(I2-I4)]2.---(2)]]>
另一方面，相位延迟平行平板2产生的相位差可以表达为：
ΔφL=2π(n-1)·Δf·Lc,---(3)]]>
式中：n为相位延迟平行平板2的折射率，Δf为频率变化量，L为相位延迟平行平板2的厚度，c为光速。将公式(2)代入公式(3)可得到待测激光光束的频率变化量为：
Δf=c·arctan[2(I2-I4)2I3-I1-I5]1-[I1-I52(I2-I4)]22π(n-1)L.---(4)]]>
因此利用光电探测器线性阵列6中第一光电探测器601、第二光电探测器602、第三光电探测器603、第四光电探测器604和第五光电探测器605接收的干涉光强可以实时测量出待测激光光束的频率变化量。
本发明的一个最佳实施例的结构如图1、图2所示，其具体结构和参数叙述如下：
输入平行平板1与输出平行平板5的尺寸均为155mm×70mm×40mm，其材料均为K9玻璃。相位延迟平行平板2的口径为Φ40mm，厚度为4mm。第一剪切平板3与第二剪切平板4的厚度均为40mm，材料均为K9玻璃。第一剪切平板3与第二剪切平板4可在0～30°范围内连续旋转以获得连续可调的剪切量。光电探测器线性阵列6为CCD线阵图像传感器，其中五个等间距的像元被用作第一光电探测器601、第二光电探测器602、第三光电探测器603、第四光电探测器604和第五光电探测器605。信号处理系统7由具有相应处理功能的信号处理电路或微处理器所构成。
利用最佳实施例可以实时测量波长为635nm、调谐范围为70GHz、最大调谐速度为6nm/s的调谐激光器在调谐过程中的频率变化，频率变化量的测量精度可达0.1GHz。