一种激光波长测量装置及方法
阅读说明：本技术 一种激光波长测量装置及方法 (Laser wavelength measuring device and method ) 是由 崔建军 张鹏 陈恺 康岩辉 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种激光波长测量装置及方法包括:标准激光源、被测激光源、谐振平面镜、角锥反射镜、精密位移台、控制系统、解调系统、第一光电探测器、第二光电探测器；标准激光与被测激光平行送入到Fabry-Perot腔内进行干涉,形成主副测量干涉光束,然后分别被两个光电探测器接收形成主副测量干涉信号,解调模块按照光学游标原理对其进行解调得到光学游标长度,再通过光学游标长度、标准激光波长与被测激光波长的关系,即可计算得到被测激光波长。本发明结构简单,操作方便,能能够实现大范围高精度的波长测量。(The invention discloses a laser wavelength measuring device and a laser wavelength measuring method, wherein the laser wavelength measuring device comprises a standard laser source, a laser source to be measured, a resonant plane mirror, a pyramid reflecting mirror, a precise displacement table, a control system, a demodulation system, a first photoelectric detector and a second photoelectric detector; the standard laser and the laser to be measured are parallelly sent into a Fabry-Perot cavity to be interfered to form main and auxiliary measuring interference light beams, then the main and auxiliary measuring interference light beams are respectively received by two photoelectric detectors to form main and auxiliary measuring interference signals, the demodulation module demodulates the main and auxiliary measuring interference signals according to an optical vernier principle to obtain the length of an optical vernier, and then the laser wavelength to be measured can be calculated through the relationship among the length of the optical vernier, the standard laser wavelength and the laser wavelength to be measured. The invention has simple structure and convenient operation, and can realize large-range high-precision wavelength measurement.)
技术领域
本发明属于激光波长测量装置及方法，特别是涉及一种基于光学游标Fabry-Perot干涉术的激光波长测量装置及方法。
背景技术
激光波长是激光器一项非常重要的参数，激光波长的精确测量在激光光谱研究、精密测量领域以及半导体激光器稳频技术和光纤光栅测量信号的解调技术中都有重要作用。
目前激光波长测量方法主要有两大类：光谱型和相干型。光谱型激光波长测量方法采用光栅或者滤光片等方式对激光波长进行测量，精度相对较低。相干型激光波长测量方法采用干涉技术对激光波长进行测量，目前主要基于三种干涉技术：斐索(Fizeau)干涉技术、法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉技术和迈克尔逊(Michelson)干涉技术。斐索(Fizeau)干涉型激光波长测量技术精度最高可以达到10-7量级。法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉技术精度可以到10-8，迈克尔逊波长计是通过计算参考光和待测光的干涉条纹数之比来求得待测光的波长，该方法也能达到10-7～10-8的测量精度，但是结构都比较复杂。
利用拍频的方法也可以进行激光波长的测量，而且测量精度很高，但是该方法的波长测量范围受限于频率计的测量范围，因此波长测量范围很小。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种激光波长测量装置及方法，同时构建两套Fabry-Perot干涉仪相互协调，形成主副测量干涉信号，通过光学游标原理解调计算出激光波长，能够在大范围实现10-8以上精度的波长测量。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种激光波长测量装置，包括标准激光源、被测激光源、谐振平面镜、角锥反射镜、精密位移台、控制系统、解调系统、第一光电探测器、第二光电探测器；其中，标准激光源发出波长确定的激光，射进由谐振平面镜与固定于精密位移台上的角锥反射镜构成的Fabry-Perot腔内进行干涉形成主测量干涉光束，然后被第一光电探测器接收形成主测量干涉信号；被测激光源发出波长未知的激光，射进所述Fabry-Perot腔内进行干涉形成副测量干涉光束，然后被第二光电探测器接收形成副测量干涉信号；主副测量干涉信号送入到解调系统进行解调；解调模块按照光学游标原理对其进行解调得到光学游标长度，再通过光学游标长度、标准激光波长与被测激光波长的关系，计算得到被测激光波长；控制系统与解调系统、精密位移台相互通信。
作为优选，所述的谐振平面镜为两端具有第一反射率且中间具有第二反射率的平面镜，所述第一反射率为2.5％～97.6％，所述第二反射率为2.5％～97.6％。
作为优选，解调模块通过检测主副测量干涉信号同时到达干涉峰值点的位置得到光学游标长度，再进行换算得到被测激光波长。
本发明还提供一种激光波长测量方法，包括以下步骤：
步骤1、标准激光源发出波长为λ0的激光，被测激光源发出波长为λ1未知的激光，射进由谐振平面镜与固定于精密位移台上的角锥反射镜构成的Fabry-Perot腔内进行干涉形成主副测量干涉光束分别被第一光电探测器、第二光电探测器接收形成主副测量干涉信号。
步骤2、控制系统控制精密位移台移动，使得角锥反射镜移动；主副测量干涉信号送入解调系统进行解调，当主副测量干涉信号第一次同时达到干涉峰值点时，记下此时精密位移台的位置l0，然后继续进行解调，当主副测量信号第二次同时达到干涉峰值点时，记下此时精密位移台的位置l1，则光学游标长度为Ly＝l1-l0。
步骤3、最后根据被测激光波长λ1与光学游标长度Ly的关系，得到被测激光波长为：
至此求出被测激光波长λ1。
作为优选，所述的谐振平面镜为两端具有第一反射率且中间具有第二反射率的平面镜，所述第一反射率为2.5％～97.6％，所述第二反射率为2.5％～97.6％。
作为优选，步骤2中，当主副测量干涉信号同时送入到解调系统中，解调系统对主副测量干涉信号进行解调判断，判断主副测量干涉信号是否同时到达干涉峰值点；若主副测量干涉信号没有同时到达干涉峰值点，则解调系统给控制系统发送主副测量干涉信号未同时到达干涉峰值点的信号，控制系统接收到该信号后，控制精密位移台向后移动，固定其上的角锥反射镜随着向后移动，同时精密位移台实时将角锥反射镜的位置反馈给控制系统。
作为优选，步骤2中，当解调系统检测到主副测量干涉信号同时到达干涉峰值点时，解调系统给控制系统发送主副测量干涉信号同时到达干涉峰值点的信号，控制系统接收到该信号后，记下此时精密位移台反馈回的角锥反射镜的位置l0，并标记为第一次零点位置；同时控制系统给解调系统发送解调主副测量干涉信号经过的干涉级次的命令，从此刻开始解调系统记录主副测量干涉信号干涉级次的变化；控制系统继续控制精密位移台向后移动，同时主副测量干涉信号送入解调系统进行解调判断，当解调系统再一次检测到主副测量干涉信号同时到达干涉峰值点时，解调系统给控制系统发送主副测量干涉信号同时到达干涉峰值点的信号以及主副测量干涉信号各自经过的干涉级次M0、M1的信号，控制系统接收到该信号后，记下此时精密位移台反馈回的角锥反射镜的位置l1，并标记为第二次零点位置，则检测到的光学游标长度为Ly＝l0-l1。
作为优选，步骤3中，当控制系统发现出现第二次零点位置时，根据被测激光波长λ1与光学游标长度Ly，标准激光波长λ0的关系，按照下述公式进行计算给出被测激光波长值：
1)当M0大于M1：
2)当M0小于M1：
至此完成波长的测量。
本发明具有的有益效果是：
(1)本发明采用光学游标原理进行激光波长解析，能够实现10-8精度的波长测量。
(2)本发明利用空间分离的激光实现双Fabry-Perot干涉仪的结构，能够实现大范围高精度的激光波长测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明装置和方法的原理图；
图2是光学游标原理图。
图中：1、标准激光源，2、被测激光源，3、谐振平面镜，4、角锥反射镜，5、精密位移台，6、控制系统，7、解调系统，8、第一光电探测器，9、第二光电探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
游标效应最初应用于提高长度测量的分辨率(如游标卡尺)，其工作原理在于巧妙利用主尺与游标的微小比例尺差异来进行长度测量。光学游标原理就是游标效应在光学干涉中的应用，当两个具有波长差的激光进行Fabry-Perot干涉时，会形成两个具有微小差异的干涉信号，与游标卡尺的主尺与游标具有异曲同工之妙。
Fabry-Perot干涉为多光束干涉，根据多光束干涉的公式：
其中，I为透射光光强，a为入射光光振幅，R为Fabry-Perot腔谐振镜的光强反射率，d为Fabry-Perot腔腔长，λ为入射光波长。折叠Fabry-Perot腔干涉峰的间隔Δd与干涉波长λ之间的关系可表示为：
两干涉波长不一样，则主副测量干涉信号峰值间隔不同，例如两波长分别为632nm，628nm，则干涉峰值间隔分别为158nm，157nm。如附图2所示，图中I(Z)为主测量干涉信号，I(Y)为副测量干涉信号，每经过一段距离，主副测量干涉信号会同时到达干涉峰值点。当主副测量干涉信号两次同时到达峰值点时，代表Fabry-Perot腔变化了一个光学游标长度Ly，理论的光学游标长度就为：ly＝24806nm。
如附图1所示，本发明提供一种激光波长测量装置包括标准激光源1、被测激光源2、谐振平面镜3、角锥反射镜4、精密位移台5、控制系统6、解调系统7、第一光电探测器8、第二光电探测器9；标准激光源1发出波长确定的激光，射进由谐振平面镜3与固定于精密位移台5上的角锥反射镜4构成的Fabry-Perot腔内进行干涉形成主测量干涉光束，然后被第一光电探测器8接收形成主测量干涉信号。被测激光源1发出波长未知的激光，射进所述Fabry-Perot腔内进行干涉形成副测量干涉光束，然后被第二光电探测器9接收形成副测量干涉信号。主副测量干涉信号送入到解调系统7进行解调。控制系统6与解调系统7、精密位移台5相互通信。通过检测主副测量干涉信号同时到达干涉峰值点的位置得到光学游标长度，再进行换算得到被测激光波长。
进一步，所述的谐振平面镜为两端具有第一反射率且中间具有第二反射率的平面镜，所述第一反射率为2.5％～97.6％，所述第二反射率为2.5％～97.6％。
本发明还提供一种激光波长测量方法，采用上述激光波长测量装置实现，其实施过程如下：
标准激光源1发出波长为λ0的激光，被测激光源2发出波长为λ1激光，此时的光学游标长度为：
两束激光平行射进由谐振平面镜3与固定于精密位移台5上的角锥反射镜4构成的Fabry-Perot腔内干涉然后分别被两个光电探测器接收形成主测量干涉信号I0、副测量干涉信号I1。
主副测量干涉信号I0、I1同时送入到解调系统7中，解调系统7对主副测量干涉信号I0、I1进行解调判断，判断主副测量干涉信号I0、I1是否同时到达干涉峰值点。
若主副测量干涉信号I0、I1没有同时到达干涉峰值点，则解调系统7给控制系统6发送主副测量干涉信号I0、I1未同时到达干涉峰值点的信号，控制系统6接收到该信号后，控制精密位移台5向后移动，固定其上的角锥反射镜4随着向后移动，同时精密位移台5实时将角锥反射镜4的位置反馈给控制系统6。
角锥反射镜4移动的同时，主副测量干涉信号I0、I1送入解调系统7进行解调判断，当解调系统7检测到主副测量干涉信号I0、I1同时到达干涉峰值点时，解调系统7给控制系统6发送主副测量干涉信号I0、I1同时到达干涉峰值点的信号，控制系统6接收到该信号后，记下此时精密位移台5反馈回的角锥反射镜4的位置l0，并标记为第一次零点位置。同时控制系统6给解调系统7发送解调主副测量干涉信号I0、I1经过的干涉级次的命令，从此刻开始解调系统7记录主副测量干涉信号I0、I1干涉级次的变化。
控制系统6继续控制精密位移台5向后移动，移动的同时，主副测量干涉信号I0、I1送入解调系统7进行解调判断，当解调系统7再一次检测到主副测量干涉信号I0、I1同时到达干涉峰值点时，解调系统7给控制系统6发送主副测量干涉信号I0、I1同时到达干涉峰值点的信号以及主副测量干涉信号I0、I1各自经过的干涉级次M0、M1的信号，控制系统6接收到该信号后，记下此时精密位移台5反馈回的角锥反射镜4的位置l1，并标记为第二次零点位置，则检测到的光学游标长度为Ly＝l0-l1。
当控制系统6发现出现第二次零点位置时，根据被测激光波长λ1与光学游标长度Ly，标准激光波长λ0的关系，按照下述公式进行计算给出被测激光波长值：
1)当M0大于M1：
2)当M0小于M1：
至此完成本发明波长的测量。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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