红外波段化学激光线宽的测量装置及其测量方法与流程

1.本发明涉及光谱测量技术领域，特别是涉及一种基于激光外差技术实现精密测量红外波段化学激光线宽的装置和方法。


背景技术：

2.红外波段化学激光器具有波长短、输出功率高、光束质量好等优点，在光电工程领域发挥着重要作用。而激光器的线宽是影响激光大气传输效率的重要因素之一，对最终的传输效能评估具有决定性的影响。
3.目前，激光线宽常用的测量方法有两种：光谱仪测量法和自拍频法。激光线宽小于300mhz时，传统的基于光栅光谱仪或傅里叶变换光谱仪的测量方法已经难以满足实际所需。自拍频法最早是由日本t.okoshi提出的延时自外差法(dshi)测量激光线宽，测量精度为50khz。近年来，国内外研究机构针对自拍频法测量激光线宽进行了深入的理论研究和实验探索，例如j.w.dawson提出了环路自外差(lc
‑
rdshi)，最高的测量精度已高于1khz。但该方法对激光的功率稳定性要求较高，且测量光路中需要长距离延时光纤，环路自外差中还需要光功率放大器等，对于出光时间短且功率起伏相对较大的近红外和中波红外化学激光器，难以使用该方法进行线宽的实际测量。
4.激光外差技术目前广泛应用于大气风速、高分辨率吸收光谱测量，其利用一束窄线宽激光与回波信号或宽带输入光谱进行混频，最后得到频移信息或高分辨率的光谱信号。利用一束窄线宽激光与线宽相对较宽的化学激光混频，再处理差频信号，即可快速、精确获得红外波段化学激光的线宽，基于该技术，亟需提供一种新型的红外波段化学激光线宽的测量装置及其测量方法来解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于激光外差技术的红外波段化学激光器线宽的测量装置及其测量方法，具有测量快、精度高、操作简单和成本低的特点。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种红外波段化学激光线宽的测量装置，主要包括化学激光器、窄线宽激光器、数据采集卡；
7.所述化学激光器与窄线宽激光器输出的激光合束，依次经过快响应探测器、射频滤波器、功率检波器后输入数据采集卡；
8.所述窄线宽激光器输出的窄线宽激光经过光学多通吸收池和光电探测器，光电探测器输出的信号输入数据采集卡；
9.所述窄线宽激光器输出的窄线宽激光还依次经过反射镜输入波长计，波长计输出的数据输入数据采集卡。
10.在本发明一个较佳实施例中，所述窄线宽激光器与化学激光器之间依次连接有第一分束镜、合束镜。
11.进一步的，所述窄线宽激光器输出的激光经过第一分束镜，反射的窄线宽激光再
经过第二分束镜分束，分别进入光学多通吸收池和反射镜。
12.在本发明一个较佳实施例中，所述窄线宽激光器的输入端连接有激光控制器和函数信号发生器，由激光控制器控制窄线宽激光器的工作温度和电流，函数信号发生器控制窄线宽激光器的波长扫描范围。
13.在本发明一个较佳实施例中，所述光学多通吸收池的进气端与压力控制器连接、出气端与真空泵连接。
14.在本发明一个较佳实施例中，所述快响应探测器输出的信号包括直流和交流信号两路信号，直流信号输出至数据采集卡，用于记录窄线宽激光器的功率变化，交流信号为差频信号，输出至射频滤波器。
15.在本发明一个较佳实施例中，所述窄线宽激光器的线宽小于10mhz。
16.为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种红外波段化学激光线宽的测量方法，包括以下步骤：
17.s1：所述窄线宽激光器输出的窄线宽激光经过第一分束镜、第二分束镜和反射镜进入波长计，记录窄线宽激光的波长扫描范围；
18.s2：所述窄线宽激光器输出的窄线宽激光经过第一分束镜、第二分束镜进入光学多通吸收池后输入光电探测器，记录大气痕量气体吸收谱线位置，比较hitran数据库与实测大气痕量气体吸收峰位置，消除波长计的系统偏差；
19.s3：所述窄线宽激光器输出的窄线宽激光经过第一分束镜和合束镜与化学激光合束后进入快响应探测器，快响应探测器输出的差频信号依次经过射频滤波器和功率检波器，进入数据采集卡；
20.s4：结合步骤s1波长计测量的窄线宽激光波长扫描范围，对数据采集卡采集的差频信号进行高斯线型拟合，得到化学激光线宽。
21.本发明的有益效果是：
22.(1)本发明基于激光外差技术，采用窄线宽激光器作为本振光源，结合射频滤波器和功率检波器，无需复杂的理论模拟，即可精确测量出红外波段化学激光的线宽；现有技术环路自外差(lc
‑
rdshi)由于存在多级拍频，拍频信号会出现凹陷会尖峰的情况，需要提前对参数进行选择和调试，而本发明只要保证与化学激光拍频的激光器线宽小于10mhz，射频滤波器的带宽小于10mhz即可；
23.(2)本发明将化学激光与窄线宽激光合束后输入快响应探测器中，快响应探测器输出的差频信号经射频滤波器率、功率检波器检波后，由数据采集卡采集；结合波长计测量的窄线宽激光波长扫描范围，对数据采集卡采集的差频信号进行高斯线型拟合，即可得到化学激光线宽，方法简单，具有测量快、精度高、操作简单和成本低的特点。
附图说明
24.图1是本发明所述红外波段化学激光线宽的测量装置一较佳实施例的结构示意图；
25.图2是某红外波段化学激光器线宽测量及其高斯线型拟合结果示意图；
26.附图中各部件的标记如下：1、化学激光器；2、合束镜；3、快响应探测器；4、射频滤波器；5、功率检波器；6、数据采集卡；7、函数信号发生器；8、激光控制器；9、窄线宽激光器；
10、第一分束镜；11、第二分束镜；12、光学多通吸收池；13、光电探测器；14、压力控制器；15、真空泵；16、反射镜；17、波长计。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
28.请参阅图1，本发明实施例包括：
29.一种红外波段化学激光线宽的测量装置，主要包括化学激光器1、窄线宽激光器9、数据采集卡6，所述窄线宽激光器9与化学激光器1之间依次连接有第一分束镜10、合束镜2。所述化学激光器1与窄线宽激光器9输出的激光合束，依次经过快响应探测器3、射频滤波器4、功率检波器5后输入数据采集卡6；所述窄线宽激光器9输出的激光经过第一分束镜10，反射的窄线宽激光再经过第二分束镜11分束，分别进入光学多通吸收池12和反射镜16。所述窄线宽激光器9反射的窄线宽激光经过光学多通吸收池12和光电探测器13，光电探测器13输出的信号输入数据采集卡6；透过第二分束镜11的窄线宽激光依次经过反射镜16输入波长计17，波长计17输出数据输入数据采集卡6。
30.所述窄线宽激光器9的输入端连接有激光控制器8和函数信号发生器7，由激光控制器8控制窄线宽激光器9的工作温度和电流，函数信号发生器7控制窄线宽激光器9的波长扫描范围。进一步的，所述窄线宽激光器9的线宽小于10mhz。
31.所述光学多通吸收池12的进气端与压力控制器14连接、出气端与真空泵15连接。
32.所述快响应探测器3输出的信号包括直流和交流信号两路信号，直流信号输出至数据采集卡6，用于记录窄线宽激光器9的功率变化，交流信号为差频信号，输出至射频滤波器4。
33.该测量装置的光路原理为：激光控制器8控制窄线宽激光器9的工作温度和电流，函数信号发生器7输出的电压控制激光控制器8电流范围，使得窄线宽激光器9波长在一定范围内扫描。所述窄线宽激光器9输出的窄线宽激光经过第一分束镜10分束，光束被分为两部分：光束a与化学激光合束，输入快响应探测器3，快响应探测器3输出的差频信号首先经过射频滤波器4滤波，再经过功率检波器5检波，最后进入数据采集卡6。光束b经过第二分束镜11再分束，光束被分为光束c和光束d，光束c经过光学多通吸收池12输入光电探测器13，所述光电探测器13输出的信号由数据采集卡6采集；光束d经过反射镜16输入波长计17，所述波长计17输出的信号由数据采集卡6采集，记录窄线宽激光器9的波长扫描范围。
34.该测量装置中各部件参数如下：
35.(1)化学激光器：某红外波段化学激光器，线宽δυ约为150mhz(根据腔压计算)；
36.(2)合束镜：合束比为50:50；
37.(3)快响应探测器：灵敏度输出直流信号和交流信号，交流信号带宽100mhz；
38.(4)射频滤波器：带通滤波器，下边带截止频率1mhz，上边带截止频率5mhz，带内起伏小于1db；
39.(5)功率检波器：小信号检波，响应度0.5mv/μw；
40.(6)数据采集卡：最高采样频率1mhz；
41.(7)函数信号发生器：输出电压精度0.1mv；
42.(8)激光控制器：温度控制精度0.01k，电流控制精度0.01ma；
43.(9)窄线宽激光器：dfb激光器，波长覆盖化学光源发射波长，线宽6mhz(出自于产品测试报告)，功率5mw；
44.(10)第一分束镜：分数比70:30；
45.(11)第二分束镜：分数比50:50；
46.(12)光学多通吸收池：光程长27米；
47.(13)光电探测器：灵敏度
48.(14)压力控制器：压力控制精度0.1hpa；
49.(15)波长计：波长测量精度10ppm。
50.本发明实施例还提供一种红外波段化学激光线宽的测量方法，包括以下步骤：
51.s1：所述窄线宽激光器输出的窄线宽激光经过第一分束镜、第二分束镜和反射镜进入波长计，记录窄线宽激光的波长扫描范围；
52.s2：所述窄线宽激光器输出的窄线宽激光经过第一分束镜、第二分束镜进入光学多通吸收池后输入光电探测器，记录大气痕量气体吸收谱线位置，比较hitran数据库与实测大气痕量气体吸收峰位置，消除波长计的系统偏差；
53.由于波长计测量的波长存在一定的误差，消除系统偏差能够进一步精确窄线宽激光器的波长扫描范围，提高线宽测量结果的精度。
54.s3：所述窄线宽激光器输出的窄线宽激光经过第一分束镜和合束镜与化学激光合束后进入快响应探测器，快响应探测器输出的差频信号依次经过射频滤波器和功率检波器，进入数据采集卡；
55.s4：结合步骤s1波长计测量的窄线宽激光波长扫描范围，对数据采集卡采集的差频信号进行高斯线型拟合，得到化学激光线宽。
56.本发明测量化学激光线宽的工作原理如下所述：
57.窄线宽激光与化学激光合束后，经过聚焦透镜聚焦输入到快响应探测器中，探测器光敏面产生的差频信号功率为：
58.p
if
(t)＝g0f
lo
(t)
·
f
s
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
59.其中，p
if
为时域内差频信号功率，g0为快响应探测器增益，f
lo
(t)和f
s
(t)分别为时域内窄线宽激光和化学激光的功率。根据卷积定理可知，差频信号为窄线宽激光与化学激光时域上的乘积，频域则为二者卷积：
60.p
if
(υ)＝g0f
lo
(υ)*f
s
(υ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
61.其中，p
if
为频域内差频信号功率，f
lo
(υ)和f
s
(υ)分别为频域内窄线宽激光和化学激光的功率谱。
62.具体的，窄线宽激光功率谱为：
[0063][0064]
其中，p
lo
为窄线宽激光的总功率，f
lo
(υ
‑
υ
loi
)为窄线宽激光的功率分布函数。由于
窄线宽在测量过程中波长在一定范围内扫描，υ
loi
表示某一时刻窄线宽激光的中心波长。
[0065]
化学激光功率谱为：
[0066]
f
s
(υ)＝p
s
fs(υ
‑
υ
s
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0067]
其中，p
s
为化学激光的总功率，υ
s
为化学激光中心波长。
[0068]
射频滤波器频域响应：
[0069][0070]
其中，c为射频滤波器通带内的增益，一般情况下c≤1。
[0071]
经过射频滤波器后的差频信号功率：
[0072][0073]
再经过功率检波器检波，检波后电压为：
[0074][0075]
窄线宽激光线宽小于10mhz，化学激光线宽大于100mhz，根据卷积定理，窄线宽激光的线型函数f
lo
(υ)可视为冲击响应函数δ(υ)。
[0076][0077]
这里令：
[0078][0079]
射频滤波器的频域响应函数h(υ)为偶函数：
[0080]
h(
‑
υ)＝h(υ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0081]
因此，(8)式可简化为：
[0082][0083]
所以，在窄线宽激光波长扫描范围内，测量结果为射频滤波频域响应函数与化学激光线型函数的卷积。当射频滤波带宽远小于化学激光线宽时，h(υ’)也可视为δ(υ)，(11)式即为：
[0084]
u＝g0ηp
lo
p
s
f
s
(υ')
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0085]
因此，只要对测得的信号进行拟合，即可得出化学激光器的线宽。
[0086]
图2为某红外波段化学激光器线宽测量及其高斯线型拟合结果，高斯线型拟合的半高全宽为0.00544cm
‑1，即163.2mhz，与根据腔压计算的结果偏差小于10％。
[0087]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种红外波段化学激光线宽的测量装置，其特征在于，主要包括化学激光器、窄线宽激光器、数据采集卡；所述化学激光器与窄线宽激光器输出的激光合束，依次经过快响应探测器、射频滤波器、功率检波器后输入数据采集卡；所述窄线宽激光器输出的窄线宽激光经过光学多通吸收池和光电探测器，光电探测器输出的信号输入数据采集卡；所述窄线宽激光器输出的窄线宽激光还依次经过反射镜输入波长计，波长计输出的数据输入数据采集卡。2.根据权利要求1所述的红外波段化学激光线宽的测量装置，其特征在于，所述窄线宽激光器与化学激光器之间依次连接有第一分束镜、合束镜。3.根据权利要求2所述的红外波段化学激光线宽的测量装置，其特征在于，所述窄线宽激光器输出的激光经过第一分束镜，反射的窄线宽激光再经过第二分束镜分束，分别进入光学多通吸收池和反射镜。4.根据权利要求1所述的红外波段化学激光线宽的测量装置，其特征在于，所述窄线宽激光器的输入端连接有激光控制器和函数信号发生器，由激光控制器控制窄线宽激光器的工作温度和电流，函数信号发生器控制窄线宽激光器的波长扫描范围。5.根据权利要求1所述的红外波段化学激光线宽的测量装置，其特征在于，所述光学多通吸收池的进气端与压力控制器连接、出气端与真空泵连接。6.根据权利要求1所述的红外波段化学激光线宽的测量装置，其特征在于，所述快响应探测器输出的信号包括直流信号和交流信号两路信号，直流信号输出至数据采集卡，用于记录窄线宽激光器的功率变化，交流信号为差频信号，输出至射频滤波器。7.根据权利要求1所述的红外波段化学激光线宽的测量装置，其特征在于，所述窄线宽激光器的线宽小于10mhz。8.一种红外波段化学激光线宽的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：所述窄线宽激光器输出的窄线宽激光经过第一分束镜、第二分束镜和反射镜进入波长计，记录窄线宽激光的波长扫描范围；s2：所述窄线宽激光器输出的窄线宽激光经过第一分束镜、第二分束镜进入光学多通吸收池后输入光电探测器，记录大气痕量气体吸收谱线位置，比较hitran数据库与实测大气痕量气体吸收峰位置，消除波长计的系统偏差；s3：所述窄线宽激光器输出的窄线宽激光经过第一分束镜和合束镜与化学激光合束后进入快响应探测器，快响应探测器输出的差频信号依次经过射频滤波器和功率检波器，进入数据采集卡；s4：结合步骤s1波长计测量的窄线宽激光波长扫描范围，对数据采集卡采集的差频信号进行高斯线型拟合，得到化学激光线宽。
技术总结
本发明公开了一种红外波段化学激光线宽的测量装置，主要包括化学激光器、窄线宽激光器、数据采集卡；所述化学激光器与窄线宽激光器输出的激光合束，依次经过快响应探测器、射频滤波器、功率检波器后输入数据采集卡；所述窄线宽激光器反射的窄线宽激光经过光学多通吸收池和光电探测器，光电探测器输出的信号输入数据采集卡；所述窄线宽激光器反射的窄线宽激光还依次经过反射镜输入波长计，波长计输出数据输入数据采集卡。还公开了一种红外波段化学激光线宽的测量方法。本发明测量精度高、测试过程简便，为工程应用实现精确、快速测量红外波段化学激光器线宽提供了一种有效方法。外波段化学激光器线宽提供了一种有效方法。外波段化学激光器线宽提供了一种有效方法。


技术研发人员：卢兴吉 曹振松 朱文越 黄印博 刘强 黄宏华 王英俭
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2021.03.24
技术公布日：2021/6/29