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1、(10)申请公布号 CN 103759841 A (43)申请公布日 2014.04.30 CN 103759841 A (21)申请号 201410031221.5 (22)申请日 2014.01.23 G01J 11/00(2006.01) G01M 11/02(2006.01) (71)申请人 中国科学院半导体研究所 地址 100083 北京市海淀区清华东路甲 35 号 (72)发明人 刘建国 郭锦锦 陈伟 祝宁华 孙文惠 黄宁博 (74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人 任岩 (54) 发明名称 激光器频率稳定度测试装置 (57) 摘要 一种激光器频率稳。
2、定度测试装置， 包括 ： 一 第一驱动电路和第二驱动电路， 该第一驱动电路 和第二驱动电路包括有温度控制装置 ； 一第一激 光器和第二激光器， 所述第一驱动电路和第二驱 动电路分别给第一激光器和第二激光器提供的驱 动控制 ； 一光纤耦合器， 光纤耦合器的一输入端 a 与第一激光器的尾纤连接， 另一输入端 b 与第二 激光器的尾纤连接 ； 一光电探测器， 该光电探测 器的尾纤与光纤耦合器的一输出端 c 连接 ； 一放 大器， 该放大器接收所述光电探测器输出的光强 电压信号 ； 一频谱分析仪， 该频谱分析仪与该放 大器相连接 ； 一电脑， 该电脑通过 GPIB 卡接收所 述频谱分析仪的数据， 进行。
3、拍频信号的数据采集 ； 一光谱分析仪， 该光谱分析仪与所述该光纤耦合 器的另一输出端 d 连接。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103759841 A CN 103759841 A 1/1 页 2 1. 一种激光器频率稳定度测试装置， 包括 ： 一第一驱动电路和第二驱动电路， 该第一驱动电路和第二驱动电路包括有温度控制装 置 ； 一第一激光器和第二激光器， 所述第一驱动电路和第二驱动电路分别给第一激光器和 第二激光器提供的驱动控。
4、制 ； 一光纤耦合器， 光纤耦合器的一输入端a与第一激光器的尾纤连接， 另一输入端b与第 二激光器的尾纤连接 ； 一光电探测器， 该光电探测器的尾纤与光纤耦合器的一输出端 c 连接 ； 一放大器， 该放大器接收所述光电探测器输出的光强电压信号 ； 一频谱分析仪， 该频谱分析仪与该放大器相连接 ； 一电脑， 该电脑通过 GPIB 卡接收所述频谱分析仪的数据， 进行拍频信号的数据采集 ； 一光谱分析仪， 该光谱分析仪与所述该光纤耦合器的另一输出端 d 连接。 2. 根据权利要求 1 所述的激光器频率稳定度测试装置， 其中所述第一激光器和第二激 光器为单纵模半导体激光器、 单纵模光纤激光器、 单纵模。
5、固体或气体激光器。 3. 根据权利要求 2 所述的激光器频率稳定度测试装置， 其中所述第一激光器和第二激 光器的中心波长相差在光电探测器的响应带宽和频谱分析仪的频率范围内。 4. 根据权利要求 1 所述的激光器频率稳定度测试装置， 其中所述的光纤耦合器的分光 比为 50 /50、 20 /80或 10 /90。 5. 根据权利要求 1 所述的激光器频率稳定度测试装置， 其中所述的光电探测器的响应 带宽大于 1.25GHz。 6. 根据权利要求 1 所述的激光器频率稳定度测试装置， 其中所述的放大器是具有低噪 声的前置放大器。 7. 根据权利要求 1 所述的激光器频率稳定度测试装置， 其中所述的。
6、电脑内嵌有基于 Labview 的拍频信号采集程序。 8. 根据权利要求 1 所述的激光器频率稳定度测试装置， 其中所述的光谱分析仪的精度 为 0.01nm， 以精确的测量两激光器的中心波长差。 9. 根据权利要求 3 所述的激光器频率稳定度测试装置， 其中第一激光器和第二激光器 的频率稳定度计算方法为 ： 将采集得到的每秒的拍频中心频率数据， 利用阿伦方差公式计算得到频率漂移的方差 值， 公式如下 ： 式中 ： m 为采样样本数 ； f0为激光器输出光波频率 ； fi为采样得到的光频率波动。 权 利 要 求 书 CN 103759841 A 2 1/4 页 3 激光器频率稳定度测试装置 技术。
7、领域 0001 本发明属于光电子技术领域， 特别涉及一种激光器频率稳定度测试装置。 背景技术 0002 在激光线宽满足要求的基础上， 频率稳定度也是保证干涉计量的关键指标。频率 稳定度指由于频率源内部噪声引起的频率取样值的随机起伏， 是描述平均频率随机变化的 量， 平均时间即采样时间。信号的频率稳定度是时域内频率 f(t) 相对于中心频率 f0的稳 定性表征参数， 如式所示 ： 0003 0004 对激光器频率稳定度的测量， 本质上是对激光器发出的激光频率的测量。因为激 光频率约为 1014-1015Hz， 较之微波频标在频率值方面高出了 5 个数量级， 现有的电子仪器 无法将如此高的频率变化。
8、显示出来， 所以直接测量激光频率的稳定度是非常困难的。 0005 在间接测量方法中， 可分为绝对测量方法及相对测量方法。绝对测量主要有基于 光学频率链的方法， 以及基于光学频率梳的方法。这两种方法要达到很高的测量准确度非 常困难， 测量准确度越高， 对仪器的要求也就越高， 测量系统也就越复杂。而在相对测量方 法中， 目前国际上应用最多的是拍频法， 即采用一台频率稳定度相对较高的激光器作为频 率标准， 与待测量的激光器进行光外差， 两激光器发出的光由于频率相近， 产生的差频信号 频率可以降低到探测器能够响应带宽内， 由于选作标准的激光器频率稳定度比待测激光器 的高， 所以可以近似认为差频值的变化。
9、是由待测信号的频率的变化引起的， 从而测得的拍 频信号的变化即是待测激光器的频率稳定度。但是受技术条件限制， 很难找到一台具有较 高频率稳定度的激光器。 发明内容 0006 有鉴于此， 本发明的主要目的是提供一种激光器频率稳定度测试装置， 通过采用 两台频率稳定度相近的激光器进行光外差拍频， 由于两同批次的激光器的频率稳定度相 似， 测得结果可视为单独激光器频率稳定度的 2 倍， 由测试结果可计算出待测激光器的频 率稳定度。 0007 为达到上述目的， 本发明提供一种激光器频率稳定度测试装置， 包括 ： 0008 一第一驱动电路和第二驱动电路， 该第一驱动电路和第二驱动电路包括有温度控 制装置。
10、 ； 0009 一第一激光器和第二激光器， 所述第一驱动电路和第二驱动电路分别给第一激光 器和第二激光器提供的驱动控制 ； 0010 一光纤耦合器， 光纤耦合器的一输入端 a 与第一激光器的尾纤连接， 另一输入端 b 与第二激光器的尾纤连接 ； 0011 一光电探测器， 该光电探测器的尾纤与光纤耦合器的一输出端 c 连接 ； 说 明 书 CN 103759841 A 3 2/4 页 4 0012 一放大器， 该放大器接收所述光电探测器输出的光强电压信号 ； 0013 一频谱分析仪， 该频谱分析仪与该放大器相连接 ； 0014 一电脑， 该电脑通过 GPIB 卡接收所述频谱分析仪的数据， 进行拍。
11、频信号的数据采 集 ； 0015 一光谱分析仪， 该光谱分析仪与所述该光纤耦合器的另一输出端 d 连接。 0016 从上述技术方案可以看出， 本发明的提供的这种激光器频率稳定度测试装置的优 点在于 ： 0017 适用于各种单纵模激光器， 不需要一高频率稳定度的激光器作为频率标准 ； 0018 采用 Labview 程序实时采集拍频信号的中心频率， 减少了人员记录的视觉误差， 节省了时间， 提高了测试精度 ； 附图说明 0019 为了进一步说明本发明的内容， 下面结合实施例及附图对本发明作详细说明如 后， 其中 ： 0020 图 1 是本发明实施例的一种激光器频率稳定度测试装置的结构示意图 ； 。
12、0021 图 2 是本发明的测试结果示意图。 具体实施方式 0022 请参阅图 1 所示， 本发明提供一种激光器频率稳定度测试装置， 包括 ： 0023 一第一驱动电路1和第二驱动电路2， 该第一驱动电路1和第二驱动电路2包括有 高精度的温度控制装置和高精度的电流驱动电路， 温度控制精度达到 0.001， 电流控制精 度为 0.01mA， 对于常见的 DFB 半导体激光器， 温度每变化 1， 中心频率变化 1.25GHz， 因此 对于0.001的温度控制精度， 中心频率可以控制在1.25MHz。 电流每变化1mA， 中心频率变 化 3.125GHz。高精度的温度控制装置保证了激光器频率的高度稳。
13、定。 0024 一第一激光器3和第二激光器4， 所述第一驱动电路1和第二驱动电路2分别给第 一激光器 3 和第二激光器 4 提供驱动控制， 所述第一激光器 3 和第二激光器 4 为单纵模半 导体激光器、 单纵模光纤激光器、 单纵模固体或气体激光器， 单纵模的激光器以保证两激光 器拍频后产生的信号为单频输出。所述第一激光器 3 和第二激光器 4 的中心波长相差在后 叙的光电探测器 7 的响应带宽和后叙的频谱分析仪 8 的频率范围内， 从而保证在频率分析 仪 8 上可清楚的显示拍频后的信号。所述第一激光器 3 和第二激光器 4 的频率稳定度计算 方法为 ： 设第一激光器 3 和第二激光器 4 的瞬。
14、时频率分别为 v1(t) 和 v2(t)， 其光场分别为 0025 E1(v1) Ac1cos(2v1t+1) 0026 E2(v2) Ac2cos(2v2t+2) 0027 式中 Ac1和 Ac2分别为两束光波的振幅， 1和 2分别是两光波的初相位， 当这两 束光 ( 传播方向平行且重合 ) 垂直入射到后叙的光电探测器 6 上时， 总的光电场为 0028 E(t) Ac1cos(2v1t+1)+Ac2cos(2v2t+2) 0029 光电探测器 6 输出的合成振动正比于光强 ( 光场的平方 )， 即输出的光电流为 说 明 书 CN 103759841 A 4 3/4 页 5 0030 003。
15、1 当拍频信号频率低于光电探测器 6 的截止频率时， 即有光电流输出， 即 0032 ip Ac1Ac2cos2(v1-v2)t+(1-2) 0033 由此可见， 当两个光场同时入射到光电探测器 6 上时， 其输出的光电流由直流 项和差频振荡的交流项构成， 且光电探测器 6 输出交流电压中心频率为两激光器的频差 v1-v2。 测试得到的频率稳定度包含了两个激光器的贡献， 因为两激光器是两个独立的系统， 对频率稳定度测量结果的贡献一样， 因此其频率稳定度为 v/2v0。 0034 利用 Labview 编制程序实时采集拍频后中心频率， 并利用阿伦方差计算公式计算 测试得到的数据， 为了提高测量精。
16、度， 采集时间间隔设置为 1s， 利用程序实时计算、 显示和 记录阿伦方差值， 从而大大提高了工作效率。 0035 将采集得到的每秒的拍频中心频率数据， 利用阿伦方差公式计算得到频率漂移的 方差值， 公式如下 ： 0036 0037 式中 ： m 为采样样本数 ； f0为激光器输出光波频率 ； fi为采样得到的光频率波 动。公式中定义的阿伦方差要求无限多次测量， 测量组数 m 越大， 则测量结果与真实值越接 近， 实际测量时的次数总是有限的， 如果测量组数 m 太大， 一方面数据处理的工作量也相对 较大， 另一方面测量过程将变得十分漫长。 0038 一光纤耦合器 5， 光纤耦合器 5 的一输入。
17、端 a 与第一激光器 3 的输出尾纤连接， 另 一输入端 b 与第二激光器 4 的输出尾纤连接， 所述的光纤耦合器 5 的分光比为 50 /50、 20 /80或 10 /90， 光纤耦合器 5 的一输出端用来监测两激光器输出的光谱特性， 从 而判断其中心频率差是否在光电探测器 6 的响应带宽内 ； 0039 一光电探测器 6， 该光电探测器 6 的尾纤与光纤耦合器 5 的一输出端 c 连接， 所述 的光电探测器 6 的响应带宽大于 1.25GHz， 小于 20GHz ； 0040 一放大器 7， 该放大器 7 接收所述光电探测器 6 输出的光强电压信号， 所述的放大 器 7 是具有低噪声的前。
18、置放大器， 经对拍频信号进行放大、 滤波和除噪等 ； 0041 一频谱分析仪 8， 该频谱分析仪 8 与该放大器 7 通过频谱分析仪上射频接口相连 接， 频谱分析仪 8 的 RBW 设置为小于激光器的线宽值 ； 0042 一电脑9， 该电脑9通过GPIB卡接收所述频谱分析仪8的数据， 进行拍频信号的数 据进行采集、 控制和处理， 所述的电脑 9 内嵌有基于 Labview 的拍频信号采集程序， 用于对 图2所示的拍频后的中心频率进行实时监测， 设置扫描范围为100MHz， 图2所示的中心频率 为 10.25GHz， 拍频后产生的中心频率的峰值功率为 -10dBm ； 0043 一光谱分析仪 1。
19、0， 该光谱分析仪 10 与所述该光纤耦合器 5 的另一输出端 d 连接， 所述的光谱分析仪 10 的精度为 0.01nm， 以精确的测量两激光器的中心波长差。 0044 以上所述的具体实施例， 对本发明的目的、 技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明， 所应理解的是， 以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明， 凡 在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保 说 明 书 CN 103759841 A 5 4/4 页 6 护范围之内。 说 明 书 CN 103759841 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103759841 A 7 。