一种波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置及
方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种光学精密测量技术，特别是涉及可调谐连续激光动态波长测量装置及方法。
背景技术
[0002] 二极管激光器以其具有尺寸小、功耗低、寿命长、窄线宽、波长可调谐、价格低廉等优点，而被广泛应用于光通信、光传感、可调谐二极管激光吸收
光谱(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)等技术中。在TDLAS测量技术中，为了提高探测灵敏度和抗干扰能
力，人们普遍采用波长调制吸收法，即二极管激光器的输出波长以特定
频率作
正弦波变化，使得相应的吸收
信号带有特定频率的调制信息，从而利于吸收信号的甄别和探测。因此，二极管激光器的输出波长对调制
电压的响应特性是极为关键的参数，其决定着具体的调制电压幅度和频率的选择，并有利于分析激光器的非线性响应对波长调制吸收法测量的影响。
[0003] 由于波长调制幅度的大小在实际的波长吸收测量系统中体现为波长调制电压的大小；激光器波长对调制电压的动态响应并非是线性的，且不同调制频率、调制电压下，其动态响应特性不同。所以，精确测定二极管激光器波长随调制电压的响应特性，可为精确的TDLAS波长调制吸收法数据反演提供必要的二极管激光器参数。
[0004] 窄线宽、可调谐二极管激光器的典型特点是输出波长随二极管的注入
电流变化而变化(具体实现方式是改变激光器的驱动电压)。在TDLAS波长调制吸收法中，设二极管激光器的调制电压(单位V)为：
[0005] U(t)＝u·sin(2πft)(1)
[0006] 其中，u为调制电压的幅度(单位V)，f为调制电压的频率(单位Hz)。在该调制电压驱动下，二极管激光器的输出波长随调制电压变化而变化。由于激光输出波长并非完全随调制电压线性变化，而是存在一定的非线性响应。因此，激光输出波长变化频率除了基频f外，还存在一定的谐波2f成分。则激光器的输出波长(单位cm-1)可表示为：
[0007]
[0008] 其中，a0表示激光静态输出波长，a1和a2分别为波长的线性调制深度和非线性调制深度(单位cm-1)， 和 分别为相应的相对于调制电压的
相位偏移(单位rad)。因此，对于特定的调制电压，需要测量的参数有a1, a2,
[0009] 在TDLAS波长调制吸收法中，二极管激光器的线性波长调制深度a1取决于具体的吸收谱线线宽，通常为0.1cm-1左右；而波长调制频率f则取决于具体的测量重复频率，通常为数十kHz至数百kHz。因此，若要实现二极管激光器动态波长的精确测量，则要求波长测量设备的
精度至少达到0.01cm-1，测量响应速率至少达到MHz。目前，商品化的波长测量设备主要有光谱仪和波长计，其中光谱仪的主要用于静态波长的测量，难以满足激光器动态波长的实时测量；波长计虽然具备一定的响应速率，但目前市场上几乎没有同时满足上述两项测量指标的商品化产品。
[0010] 为解决高精度、高响应速率波长测量问题，国内外相关研究人员采用一些自研的波长测量方法来分析二极管激光器的动态波长特性。例如，刘景旺等人利用全光纤Mach-Zehnder干涉仪测量了分布反馈型二极管激光器波长扫描特性。A.Lytkine等人采用Fabry-Perot标准具实现了垂直腔表面发射二极管激光器在100Hz
锯齿波扫描情况下的动态波长测量，波长测量精度0.056cm-1。上述人员仅是实现了二极管激光器波长调谐情况下的动态波长测量，为了分析波长调制情况下的激光器波长动态响应特性，J.Chen等人利用波长调制吸收信号随波长调制频率的变化特征反推出波长线性调制深度a1随调制频率的变化曲线，但该方法尚未实现相位 和波长非线性调制深度a2的测量。
发明内容
[0011] 为解决波长调制情况下的二极管激光器动态波长高精度、高响应速率波长测量问题，本发明提供了
一种波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置及方法。
[0012] 本发明的技术解决方案如下：
[0013] 一种波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置，其特殊之处在于：包括标准具、光电探测器、信号发生器、
数据采集处理设备；
[0014] 所述信号发生器与二极管激光器的外调制端口连接，产生正弦调制电压信号，用于对二极管激光器的输出波长进行调制；
[0015] 所述标准具的输入端与二极管激光器的出射端相连接，用于产生干涉光强信号；
[0016] 所述光电探测器与标准具的输出端连接，将所接收的
光信号转化为电压信号；
[0017] 所述数据采集处理设备与光电探测器及信号发生器连接，同步记录光电探测器探测的干涉光强信号及信号发生器产生的正弦调制电压信号，并根据干涉光强信号及正弦调制电压信号计算二极管激光器动态波长。
[0018] 进一步地，所述标准具为环形光纤标准具，所述环形光纤标准具由2×2光纤
耦合器构成，2×2光纤耦合器包括两个输入端口和两个输出端口，其中一个输入端口和一个输出端口连接，另一个输入端口作为环形光纤标准具的输入端，另一个输出端作为环形光纤标准具的输出端。
[0019] 本发明的标准具还可以有其他替代结构，如Fabry-Perot标准具、迈克尔逊干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪等。本发明采用2×2光纤耦合器作为环形光纤标准具的优点是光路简单、无需调节，此外环形光纤标准具容易通过增加腔长的方式(腔长>100cm)来降低标准具的
自由光谱范围，从而提高波长测量精度。
[0020] 进一步地，所述光电探测器为Throlabs公司生产的DET 10D/M型探测器；所述数据采集处理设备采用Spectrum公司生产的M4i-2212型数据采集卡。
[0021] 同时，本发明还提供了利用上述的波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置进行动态波长测量的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0022] 1)调节二极管激光器的静态工作电流和
工作温度，以使激光静态输出波长与实际应用需求一致(TDLAS技术应用中，激光器的静态输出波长与吸收谱线中心波长一致)；
[0023] 2)利用信号发生器产生频率为f的正弦调制电压信号，并将该信号连接至二极管激光器的外调制端口，对激光静态波长进行调制；
[0024] 3)经波长调制后的激光信号输入至标准具，则穿过标准具的激光光强会出现周期性变化，记为干涉光强信号；
[0025] 4)利用光电探测器将干涉光强信号转化为电压信号，并用数据采集处理设备同步记录干涉光强信号所转化的电压信号和由信号发生器产生的正弦调制电压信号；
[0027] 5.1)截取
采样长度大于一个正弦调制电压信号周期的干涉光强信号和调制电压信号；
[0028] 5.2)先采用低通
滤波器滤除截取的干涉光强信号上面的毛刺并保留干涉峰
位置信息，过滤后的信号即为I1；
[0029] 再采用高阶的
低通滤波器，获取截取的干涉光强信号的干涉峰信号基线，过滤后的信号记为I2；
[0030] 5.3)对两次滤波信号作ln(I2/I1)运算，获得高
信噪比的干涉峰信号，利用峰值识别函数寻找出每个干涉峰的位置；
[0031] 5.4)根据标准具的自由光谱范围、干涉峰位置及相邻干涉峰之间的波长变化趋势，反演计算波长随时间变化曲线；
[0032] 5.5)拟合
[0033] 5.5.1)利用频率为f的正弦函数对截取的正弦调制电压信号进行拟合，拟合结果记为： f为正弦调制电压信号的频率；
[0034] 5.5.2)利用频率为f的正弦函数对波长随时间变化曲线进行拟合，并计算拟合残差，拟合结果记为：
[0035] 5.5.3)利用频率为2f的正弦函数对5.5.2)步骤中的拟合残差进行拟合，拟合结果记为：
[0036] 6)计算公式 中的a1, a2,
[0037] 具体
算法为：a1＝a1fitting； a2＝a2fitting；
[0038] 进一步地，步骤5.1)中干涉光强信号和调制电压信号的截取方法为：
[0039] 根据数据采集处理设备采样率DAQRate和正弦调制电压信号频率f计算单个周期调制电压信号的数据点数，计算公式为：
[0040]
[0041] 截取采样长度大于N的干涉光强信号和调制电压信号。
[0043] 1、本发明一种波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置及方法，利用标准具和光电探测器实现二极管激光器波长调制过程中的干涉峰监测，然后采用干涉峰识别和正弦拟合的方式反演激光波长动态变化参数a1, a2, 波长测量精度可优于0.001cm-1，响应速率可优于25MHz。
[0044] 例如：本发明采用高响应速率探测器(10ns)和高速数据采集处理设备(采样率1.25GS/s)，即便一个完整的干涉峰需要50个数据点进行记录，则环形腔光纤标准具的波长测量速率也可达到25MHz。
[0045] 本发明装置标准具可以采用环形光纤标准具，环形光纤标准具容易通过增加腔长的方式(腔长>100cm)来降低标准具的自由光谱范围，可使自由光谱范围优于0.005cm-1，此外a1和a2是在正弦拟合的
基础上获取的，从
附图5(c)中可以看出最终的波长测量精度优于0.001cm-1。
[0046] 2、本发明整套测量装置价格相对低廉、测量方法采用程序化，易于操作。
附图说明
[0047] 图1为本发明
实施例的二极管激光器调制波长测量装置；
[0048] 图2为本发明实施例测量的干涉光强信号和调制电压信号截取示意；
[0049] 图3-1为本发明实施例干涉光强信号两次滤波过程示意；
[0050] 图3-2为图3-1中A段信号的放大图；
[0051] 图4为本发明实施例干涉光强信号的干涉峰识别示意；
[0052] 图5为本发明实施例调制电压、线性波长、非线性波长的正弦拟合示意；
[0053] 图6-1为测量的不同调制电压下的波长线性调制深度a1随调制频率变化曲线；
[0054] 图6-2为测量的不同调制电压下的波长线性调制相位 随调制频率变化曲线；
[0055] 图7-1为测量的不同调制电压下的波长非线性调制深度a2随调制频率变化曲线；
[0056] 图7-2为测量的不同调制电压下的波长非线性调制相位 随调制频率变化曲线；
[0057] 其中附图标记为：1-信号发生器，2-正弦调制电压信号，3-二极管激光器，4-光纤
法兰头，5-标准具，6-光电探测器，7-数据采集处理设备。
具体实施方式
[0058] 本发明利用环形腔光纤标准具和光电探测器实现二极管激光器波长调制过程中的干涉峰监测，然后采用干涉峰识别和正弦拟合的方式反演激光波长动态变化参数a1,a2,
[0059] 本发明的参数拟合是根据傅里叶展开的原理：
[0060] 在调制频率为f的正弦电压调制下的波长随时间变化曲线可表示成：
[0061]
[0062] 式中，a0为直流项，a1为一阶项，a2为二阶项。根据(2)式和(3)式的对应关系可以得出，若利用频率为f的正弦波对波长随时间变化曲线进行拟合，便可获取a1和 拟合残差可表示为：
[0063]
[0064] 若利用频率为2f的正弦波对拟合残差进行拟合，便可获取a2和
[0065] 以下结合附图对本发明的一个实施例进行详细说明。
[0066] 在本实施例中，二极管激光器为DFB型二极管激光器，DFB型二极管激光器是TDLAS波长调制吸收法中最为常用的激
光源，利用本发明方法对DFB型二极管激光器调制波长进行测量的装置如附图1所示，二极管激光器采用日本NTT Electronics公司生产NLK1B5EAAA型二极管激光器，其中心波长1342.11nm，对应
水在7450.932cm-1处的吸收谱线；激光
控制器采用ILX Light wave公司生产的LDC-3724C型控制器；信号发生器采用泰克公司生产的AFG310；环形光纤标准具为由1315nm的2×2光纤耦合器构成，环形腔的腔长为119cm，其自由光谱范围为0.0057cm-1；光电探测器为Throlabs公司生产的DET 10D/M型探测器；数据采集处理设备采用Spectrum公司生产的M4i-2212型数据采集卡，采样率设置为1.25GHz。采用该装置进行动态波长测量方法，包括以下步骤：
[0067] 1)二极管激光器3的静态工作电流和工作温度分别设置为T＝13.52℃，I＝75mA，以使激光静态输出波长为1342.11nm，对应水在7450.932cm-1处的吸收谱线。
[0068] 2)利用信号发生器1产生频率为50kHz、幅度为0.5V的正弦信号，并将该信号连接至二极管激光器的外调制端口。
[0069] 3)二极管激光器输出的激光通过光纤输入至标准具5，可以通过光纤法兰头4将二极管激光器输出的光线与标准具输入端的光纤连接起来，标准具为环形光纤标准具，则当激光器波长发生变化时，穿过环形光纤标准具的激光光强会出现周期性变化，记为干涉光强信号。
[0070] 4)利用光电探测器6将穿过环形光纤标准具的干涉光强信号转化为电压信号，并用数据采集处理设备7同步记录光电探测器6探测的干涉光强信号和由信号发生器信号发生器1产生的正弦调制电压信号2。
[0071] 5)计算机数据处理
[0072] 5.1)根据数据采集处理设备7采样率(DAQRate)和正弦调制电压信号2信号频率f计算单个周期调制电压信号的数据点数，计算公式为：
[0073]
[0074] 截取采样长度为100000的干涉光强信号和调制电压信号，附图2为截取信号示意。
[0075] 5.2)对截取的干涉光强信号作两次滤波处理，滤波器采用Labview
软件中零相位滤波器。第一次滤波为采用低价的低通滤波器，滤波器的前向系数为长度为50、数值为0.02的数组，以滤除原始信号上面的毛刺并保留干涉峰位置信息，如附图3-1和图3-2中的虚点线所示，记为I1。第二次滤波为采用高阶的低通滤波器，滤波器的前向系数为长度为500、数值为0.002的数组，以获取干涉峰信号的基线，如附图3-1和图3-2中的虚线所示，计为I2。
[0076] 5.3)对两次滤波信号作ln(I2/I1)运算，以获得高信噪比的干涉峰信号，然后利用Labview软件中的波峰检测函数寻找出每个干涉峰的位置，如附图4所示。
[0077] 5.4)利用频率为50kHz的正弦函数对截取的调制电压信号进行拟合，拟合结果为：U＝0.4846·sin(100000πt+0.767684)，如附图5中(a)图所示。
[0078] 5.5)利用频率为50kHz的正弦函数对波长随时间变化曲线进行拟合，并计算拟合残差。拟合结果为：ν1＝0.074302·sin(100000πt+3.134378)，如附图5中(b)图所示。
[0079] 5.6)利用频率为100kHz的正弦函数对步骤5.5)中的拟合残差进行拟合，拟合结果记为：ν2＝0.000751·sin(200000πt+3.839871)，如附图5中(c)图所示。
[0080] 5.7)计算公式(2)中的a1, a2, 具体算法及数值为：a1＝a1fitting＝0.074302cm-1； a2＝a2fitting＝0.000751cm-1；
[0081]
[0082] 改变调制电压幅度或频率，重复上述步骤，则可测量出激光器调制波长的频率响应及电压响应特性，如图6-1、图6-2、图7-1及图7-2所示。
[0083] 本发明的二极管激光器指波长可连续调谐的激光器，如分布反馈(DFB)二极管激光器、垂直腔表面发射(VCSEL)二极管激光器、外腔调谐(ECDL)二极管激光器、布拉格反射二极管激光器以及量子级联(QCL)激光器等。
[0084] 本发明的二极管激光器的外调制端口是指激光器驱动电源上的外调制端口。
[0085] 本发明的环形光纤标准具可由2×2光纤耦合器自制而成，即将耦合器的一个输出端与一个输入端连接形成环形腔。
[0086] 本发明的低通滤波器是指
数字信号处理中常用的一些滤波器函数，如零相位滤波器、IIR滤波器、FIR滤波器、Savitzky Golay滤波器、Chebyshev滤波器、Butterworth滤波器、贝塞尔滤波器、中值滤波器、平滑滤波器等。
[0087] 本发明的峰值识别函数是指数字
信号处理中的一种算法，用于识别信号
波形中的峰值。常用的算法有
阈值法、窗口法、幅度分析法、波形特征分析法等。也可使用编程语言的功能函数，例如Labview软件中的波峰检测函数。
[0088] 本发明的自由光谱范围(Free Spectral Range,FSR)是指干涉光强信号的相邻干涉峰之间的波长差。对于环形腔，光在腔内单向传播，自由光谱范围(单位cm-1)的计算公式为FSR＝1/nL，n为光学腔内介质的折射率，L为光学腔的腔长。本发明的拟合残差是指测量数值与拟合数值之间的差值。
