技术领域
[0001] 本
发明属于激光技术领域，具体来说，是一种激光器频率稳定性的测量系统，主要利用
拍频检测的原理，用于激光器频率稳定性的准确测量。
背景技术
[0002] 激光器具有可利用频带宽、信息容量大、方向性好、功率大、传输距离远的优点，因此常作为
光源，广泛运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面。在激光器的性能指标中，频率稳定度是一个很重要的指标，尤其在激光测量中，利用干涉原理测量长度、位移、速度等各种物理量，激光器的频率稳定性将会直接影响测量的
精度和准确度。因此，对激光器频率稳定性的测量，尤其是准确测量非常重要。
[0003] 根据目前报道的情况，激光器频率稳定性的测量方法大致可以分为三类：
[0004] 一是利用
光谱仪进行测量，即直接扫描激光器输出光的光谱，观察并记录一定时间内的频率漂移，计算出激光器的频率稳定度。二是利用光学频率梳的方法，可以测量激光器的绝对光学频率，三是拍频测量法，目前通常将待测激光器与高稳定度的参考源进行拍频，通过测量拍频产生的
微波信号的频率进而估算待测激光器的频率稳定度。
[0005] 然而在测量精度与仪器的成本、复杂程度和应用条件之间存在着矛盾，光谱仪直接测量法虽然较为简单，但精度低，不能做到准确测量，光学频率梳的方法精度虽高，但是技术难度大，方法复杂，成本非常高。而拍频法在一定程度上平衡了测量准确度、系统复杂度和成本之间的矛盾，成为了目前最常用的方法是拍频测量方法。然而，若利用参考光源，测量时须忽略其频率漂移量，这就要求参考光源的频率稳定度比待测激光器至少高两个数量级，严重限制其在测量中的应用。《两台同类型号独立激光器频率稳定度的测量》(刘涛等，中国激光，2012)一文中利用拍频法对两台同类型号独立激光器的频率稳定度进行了测量。测得两台同型号激光器的稳定度达到108量级，频率漂移量为5.1MHz，与出厂指标相比，相对误差为2％。但该系统只能对两台相同型号激光器进行频率稳定度的测量，而实际中，很难实现同时有两台完全相同的激光器，造成该系统的应用范围非常窄。因而如何实现简单方便、准确度高、应用范围广、成本低的激光器频率稳定度测量系统成为亟待解决的问题。
发明内容
[0006] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种激光器频率稳定性测量系统，以解决激光器频率稳定度测量难、测量结果不准确的问题。
[0007] 为达到上述目的，本发明提供一种激光器频率稳定度的测量仪，包括：
[0008] 一待测激光器
接口、一第一可调激光器和一第二可调激光器，该待测激光器接口与一待测激光器连接；
[0009] 一光
耦合器，其第一输入端与待测激光器接口的输出端连接，第二输入端连接一第一可调激光器，第三输入端连接一第二可调激光器；
[0010] 一光输出接口，其输入端与光耦合器的第二输出端连接，其输出端用于连接光谱分析仪；
[0011] 一光电探测器，其输入端与光耦合器的第一输出端连接；
[0012] 一功分器，其输入端与光电探测器的输出端连接；
[0013] 一微波输出口，其输入端与功分器的第二输出端连接，其输出端用于连接一
频谱分析仪；
[0014] 一频率计数器，其输入端与功分器的第一输出端连接；
[0015] 一信号输出接口，其输入端与频率计数器的输出端连接，其输出端用于连接一信息处理单元，该信息处理单元完成数据的处理、运算、存储等功能。
[0016] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0017] 1、本发明由于使用了两个相同参数的稳频激光器作为频率稳定度的标准，每次调谐到与待测激光器相同的
波长，可以解决以往系统中必须有两个相同待测激光器或需要高稳定度与待测激光器频差小的参考光源等限制条件。
[0018] 2、本发明由于使用保偏光纤连接激光器和相关器件，保证了激光通过光纤后偏振性不变，提高了拍频效率，并尽可能保证了外界环境影响不会被带入到测量系统中，使激光产生稳定的拍频信号，提高拍频测量的精度。
[0019] 3、本发明由于可以连接光谱分析仪，
频谱分析仪，可对激光光谱进行监测，确保拍频信号在光电探测器与频率计数器工作带宽范围之内，并可对拍频产生的微波信号频谱进行监测，确保微波频率在频率计数器的工作带宽范围之内。
附图说明
[0020] 为了进一步说明本发明的结构和特征，以下结合实例及附图对本发明做进一步的说明，其中：
[0021] 图1是本发明激光器频率稳定性测量系统结构
框图。
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的测量仪，包括：
[0023] 一待测激光器接口1、一第一可调激光器2和一第二可调激光器3，该待测激光器接口1与一待测激光器通过保偏光纤连接，所述待测激光器输入接口1为光纤
法兰盘，，所述第一可调谐激光器2和第二可调谐激光器3为型号、参数完全相同的单频激光器，其调谐范围
覆盖待测激光器的中心波长；
[0024] 一光耦合器4，其第一输入端与待测激光器接口1的输出端通过保偏光纤连接，第二输入端通过保偏光纤连接一第一可调激光器2，第三输入端通过保偏光纤连接一第二可调激光器3；
[0025] 一光输出接口5，其输入端与光耦合器4的第二输出端连接，其输出端用于连接光谱分析仪，该光谱分析仪可对激光光谱进行监测，确保拍频信号在光电探测器6与频率计数器9工作带宽范围之内；
[0026] 一光电探测器6，其输入端与光耦合器4的第一输出端连接；
[0027] 一功分器7，其输入端与光电探测器6的输出端连接；
[0028] 一微波输出口8，其输入端与功分器7的第二输出端连接，其输出端用于连接一频谱分析仪，该频谱分析仪可对输出频谱进行监测，确保微波频率在频率计数器9的工作带宽范围之内；
[0029] 一频率计数器9，其输入端与功分器7的第一输出端连接；
[0030] 一信号输出接口10，其输入端与频率计数器9的输出端连接，去输出端用于连接一信息处理单元，该信息处理单元完成数据的处理、运算、存储等功能。
[0031] 其中光电探测器6的带宽大于频率计数器9的工作带宽。
[0032] 其中功分器7的带宽大于频率计数器9的工作带宽。
[0033] 具体测量过程可分为两步：
[0034] 第一步，将第一可调激光器2和第二可调激光器3的中心频率调谐到与待测激光器相同，两路激光器输出的激光通过保偏光纤进入光耦合器4，光耦合器4有两个输出端，其中第二输出端连接光输出接口5，该光输出接口可连接光谱分析仪，对激光光谱进行监测，确保拍频信号在光电探测器6与频率计数器9工作带宽范围之内，光耦合器4的第一输出端连接光电探测器6，第一可调激光器2和第二可调激光器3输出的激光在光电探测器6中拍频产生稳定的微波信号，经过频率计9测量其频率后，将拍频信号的频率稳定度数据经信号输出接口10后传输到信息处理单元处理并储存，拍频信号的频率稳定度用阿伦方差表示。
[0035] 第二步，关闭第二可调激光器3，将待测激光器通过待测激光器输入接口1连到光耦合器，与第一步相同，用待测激光器代替第二可调激光器3，将待测激光器和第一可调激光器2拍频产生的微波信号经频率计数和处理，也用阿伦方差进行表示。
[0036] 通过比较两次测量得到的阿伦方差值，可以计算出待测激光器的频率稳定度。
[0037] 更进一步地对测量原理进行说明，本发明中使用的拍频检测法原理如下：
[0038] 由于激光具有相干性好的特点，当两束激光
叠加在一起时，将会发生干涉。理想激光器的光
电场可以表示为E(t)＝Ecos(2πft+φ)，其中f为激光的频率，E为激光的振幅，φ为激光的初始
相位。
[0039] 第一可调激光器2和第二可调激光器3的光电场可以分别表示为
[0040] E1(t)＝E1cos(2πf1t+φ1)
[0041] E2(t)＝E2cos(2πf2t+φ2)
[0042] 待测激光器的光电场可以表示为
[0043] Ed(t)＝Edcos(2πfdt+φd)
[0044] 其中，E1，E2，Ed是振幅，φ1，φ2，φd是初始相位，f1、f2、fd为激光器的中心频率，且f1、f2、fd可认为非常接近。
[0045] 第一可调激光器2和第二可调激光器3输出的激光经过光耦合器4，进入光电探测器6拍频之后，输出的光
电流可以表示为
[0046] I＝E1E2cos[2π(f1-f2)t+(φ1-φ2)]
[0047] ＝E1E2cos[2πΔft+Δφ]
[0048] 其中Δf为拍频信号的频率，Δf＝f1-f2，Δφ为拍频信号的相位，且Δφ＝φ1-φ2
[0049] 参照图1，利用频率计数器9测量拍频信号的频率稳定度，即拍频信号的阿伦方差。用σy表示第一步测量拍频信号的阿伦方差，σyy表示第二步测量拍频信号的阿伦方差，而σy1(τ)，σy2(τ)，σd(τ)分别为第一可调激光器2，第二可调激光器3及待测激光器的频率稳定度阿伦方差。下面将从理论上推导这几者之间的关系。
[0050] 在时域上，激光器的频率稳定度通常用阿伦方差来表示
[0051]
[0052] 在频域上，激光器的频率稳定度通常用信号的
功率谱密度Sy(f)来表征。阿伦方差和功率谱密度有如下关系
[0053]
[0054] 其中，fh是光电探测器6的截止频率。
[0055] 信号的相对频率起伏为
[0056] y1(t)和y2(t)分别为第一可调激光器2和第二可调激光器3的瞬时频率。
[0057] 对y(t)求自相关函数，可得
[0058]
[0059] 由于第一可调激光器2和第二可调激光器3是完全独立的，因此y1(t)和y2(t)是相互独立的，即y1(t)和y2(t)的互相关函数Ry1y2(τ)＝Ry2y1(τ)＝0，则有
[0060] Ryy(τ)＝Ry1y1(τ)+Ry2y2(τ)
[0061] 根据维纳-辛钦定理，功率谱密度是信号自相关函数的傅里叶变换，因此可得[0062] Sy(f)＝S1(f)+S2(f)
[0063] 根据上述的阿伦方差和功率谱密度的关系 可以得到时域上拍频信号和两个输入光之间阿伦方差的关系
[0064] 即 σy是第一次测量拍频信号的阿伦方差
[0065] 由于第一可调激光器2和第二可调激光器3型号和参数是一致的，即σy1(τ)＝σy2(τ)，
[0066] 则
[0067] 同理，当待测激光器与第一可调激光器2进行拍频时，可得到以下关系[0068] σyy为第二次测量拍频信号的阿伦方差，σd为待测激光器的阿伦方差
[0069] 经过两步测量，便可计算出待测激光器的频率稳定度值
[0070]
[0071] 具体来说，第一步测量，利用频率计9得到频率稳定度数值σy及第二步的频率稳定度数值σyy，即可计算出待测激光器的频率稳定度数值σd。
[0072] 本发明提供的这种激光器频率稳定性测量系统，利用两个相同参数的稳频激光器作为频率稳定度的标准，每次测量时调谐到与待测激光器相同的波长，利用拍频法测量频率稳定度，可以解决以往系统中必须有两个相同待测激光器或需要高稳定度参考光源等限制条件，用一种较为简单的方法解决了激光器频率稳定度测量难、测量结果不准确的问题。
[0073] 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护范围之内。
