一种基于跟踪式波长检测的扫频激光器测量装置及方法与流程

本发明涉及波长测量，尤其涉及一种基于跟踪式波长检测的扫频激光器测量装置及方法。

背景技术：

1、扫频激光器属于可调谐激光器的范畴。可调谐激光器能够在特定波长范围内实现波长调节，其调谐方式主要包括步进式和扫描式两种，步进式为离散定点式的波长调谐，扫描式为连续的遍历式调谐。扫频激光器以高速扫描式调谐为核心特征，其波长调谐速度通常可达到50nm/s以上。扫频激光器目前已广泛应用于光学器件传输参数测试、精密绝对测距及光学相干检测等领域，是扫频干涉测量技术中的核心光源，在光学精密检测中起到不可替代的作用，测量精度、速度与应用适配性等方面均明显优于步进式可调谐激光器。

2、在可调谐激光器计量方面，现有的校准规范仅针对离散波长制定了校准方法与评价准则，适用于步进式可调谐激光器的校准，但无法满足扫频激光器工作状态下的计量溯源。针对扫频激光器的计量需求，专利zl202010918805.x给出了一种基于飞秒光梳拍频的测试方法，该方法将工作中的扫频激光与单台光梳进行拍频，形成频率周期快速变化的拍频信号，然后通过光学系统硬件和软件解调算法对扫频激光进行可溯源的波长重构。但该方法存在一定的技术局限性，比如当扫频激光存在跳模或抖动问题时，拍频信号有很大可能会出现跨周期的不连续，此时波长重构必然出现问题。要解决此问题，必须拓宽装置拍频信号的频率周期，也就是大幅提高飞秒光梳重频和光学系统硬件带宽，但这将大幅提高整套装置的成本，操作方面也存在很大的技术难度。

技术实现思路

1、本发明针对扫频激光器的计量需求和跳模、抖动问题，提出了一种基于跟踪式波长检测的扫频激光器测量装置，包括步进式可调谐激光器，所述步进式可调谐激光器输出光通过1x2耦合器分为两路，一路连接高精度波长计，另一路连接跟踪式波长测试系统，所述跟踪式波长测试系统包括1x7耦合器、标准具阵列、探测器阵列和信号处理电路板；所述步进式可调谐激光器、高精度波长计和跟踪式波长测试系统均连接上位机。

2、优选地，所述1x7耦合器将光分成七路，其中一路直接连接探测器阵列，另外六路先通过标准具阵列，然后再连接探测器阵列。

3、优选地，所述标准具阵列包括四路50ghz的f-p标准具和两路200ghz的f-p标准具，四路50ghz的f-p标准具依次错峰四分之一周期，两路200ghz的f-p标准具错峰四分之一周期。

4、优选地，所述探测器阵列包括七路光电流型探测器，将1x7耦合器和标准具阵列输出的信号光转换成光电流信号。

5、优选地，所述信号处理电路板接入光电流信号，实现i/v放大（电流/电压放大）、a/d转换（模数转换，analog-to-digital conversion）、fpga（现场可编程门阵列，fieldprogrammable gate array）解析功能。

6、优选地，所述步进式可调谐激光器的波长调谐范围完全覆盖待测扫频激光器的工作波长范围，波长分辨率不大于2pm。

7、优选地，所述高精度波长计的波长测量范围完全覆盖待测扫频激光器的工作波长范围，绝对波长精度在±1pm以内，绝对波长精度能够溯源至光波长标准。

8、本发明提供了一种基于跟踪式波长检测的扫频激光器测量方法，包括以下步骤：

9、s1、将待测扫频激光器接入高精度波长计进行波长测试，测试结果为初始的解析波长；

10、s2、将待测扫频激光器接入跟踪式波长测试系统，将建模得到的波长相关特性标准数据库写入跟踪式波长测试系统的信号处理电路板中，通过fpga的功率读取和解析运算完成以下步骤：

11、s21、寻找波长数组中最接近解析波长的波长点，以该波长点为中心，向前、向后各截取800个波长数据，形成新的波长数组；

12、s22、在全部光功率数组、、、、、中截取与波长数组次序位置对应的功率数据，形成新的功率数组、、、、、；

13、s23、探测器阵列（43）采集的实时功率表示为、、、、、、，按照下式进行运算，得到数组：

14、；

15、s24、寻找数组中的最小值，波长数组中与之次序位置对应的波长点即为当前的解析波长值；

16、s25、重复步骤s21至步骤s24，持续进行跟踪式波长解析，得到实时波长数据；

17、s3、在扫频激光器工作过程中，解析得到的实时波长数据进行存储，扫频结束后，信号处理电路板向上位机输出测试结果。

18、优选地，步骤s3中，解析得到的实时波长数据按照等间隔或触发采样方式进行存储。

19、优选地，步骤s2中，所述波长相关特性标准数据库的建模包括以下步骤：

20、s01、步进式可调谐激光器输出光通过1x2耦合器分为两路，分别连接高精度波长计和跟踪式波长测试系统；

21、s02、步进式可调谐激光器通光后，由高精度波长计测得实时波长λ并上传至上位机，由探测器阵列得到七路光功率并通过信号处理电路板的fpga进行读取并上传至上位机（5），将七路光功率依次标记为a、b、c、d、e、f、g，其中光功率a为1x7耦合器与探测器阵列直连的一路，其余六路先通过标准具阵列再接入探测器阵列；

22、s03、设置步进式可调谐激光器由起始波长λ1向终止波长λn进行步进调谐，步进间隔为2pm，各个波长在pm量级为整数；

23、s04、在起始波长λ1处，上位机记录高精度波长计得到的实时波长，同时记录探测器阵列的实时光功率、、、、、、；

24、s05、步进式可调谐激光器每次进行步进调谐后，按照步骤s04记录实时波长与光功率，调谐完成后，上位机得到波长数组，以及与之次序位置对应的光功率数组、、、、、、；

25、s06、对步骤s05得到的波长数组和功率数组进行线性插值，得到波长数组以及与之次序位置对应的光功率数组、、、、、、，波长数组中起始波长为λ1，终止波长为λn，波长间隔为1pm；

26、s07、上位机将光功率数组、、、、、分别与做差，并取绝对值，得到光功率数组、、、、、；

27、s08、波长数组与光功率数组、、、、、，即为建模得到的波长相关特性标准数据库。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

29、本发明的测量装置通过跟踪式波长测试系统对工作状态下的扫频激光进行测试，跟踪式波长测试系统内置标准具阵列和探测器阵列，可采集多路光功率信号，并具有不同的波长相关特性；

30、本发明提出了标准具阵列的波长相关特性标准数据库的建模方法、标准具的选型组合方法以及跟踪式波长解析方法，使波长测试在保证高速、准确的基础上，具备大周期和无盲区特性，大幅提高实用性，满足扫频激光器的计量需求；

31、综上所述，本发明的硬件成本远低于现有技术，实用性强，对工作时存在100pm量级的跳模或抖动问题的扫频激光器，依旧可保证高精度的测量。

1.一种基于跟踪式波长检测的扫频激光器测量装置，其特征在于，包括步进式可调谐激光器（1），所述步进式可调谐激光器（1）输出光通过1x2耦合器（2）分为两路，一路连接高精度波长计（3），另一路连接跟踪式波长测试系统（4），所述跟踪式波长测试系统（4）包括1x7耦合器（41）、标准具阵列（42）、探测器阵列（43）和信号处理电路板（44）；所述步进式可调谐激光器（1）、高精度波长计（3）和跟踪式波长测试系统（4）均连接上位机（5）。

2.根据权利要求1所述的一种基于跟踪式波长检测的扫频激光器测量装置，其特征在于，所述1x7耦合器（41）将光分成七路，其中一路直接连接探测器阵列（43），另外六路先通过标准具阵列（42），然后再连接探测器阵列（43）。

3.根据权利要求2所述的一种基于跟踪式波长检测的扫频激光器测量装置，其特征在于，所述标准具阵列（42）包括四路50ghz的f-p标准具和两路200ghz的f-p标准具，四路50ghz的f-p标准具依次错峰四分之一周期，两路200ghz的f-p标准具错峰四分之一周期。

4.根据权利要求3所述的一种基于跟踪式波长检测的扫频激光器测量装置，其特征在于，所述探测器阵列（43）包括七路光电流型探测器，将1x7耦合器（41）和标准具阵列（42）输出的信号光转换成光电流信号。

5.根据权利要求4所述的一种基于跟踪式波长检测的扫频激光器测量装置，其特征在于，所述信号处理电路板（44）接入光电流信号，实现i/v放大、a/d转换、fpga解析功能。

6.根据权利要求5所述的一种基于跟踪式波长检测的扫频激光器测量装置，其特征在于，所述步进式可调谐激光器（1）的波长调谐范围完全覆盖待测扫频激光器的工作波长范围，波长分辨率不大于2pm。

7.根据权利要求5所述的一种基于跟踪式波长检测的扫频激光器测量装置，其特征在于，所述高精度波长计（3）的波长测量范围完全覆盖待测扫频激光器的工作波长范围，绝对波长精度在±1pm以内，绝对波长精度能够溯源至光波长标准。

8.一种基于跟踪式波长检测的扫频激光器测量方法，其特征在于，使用权利要求5-7任意一项所述的一种基于跟踪式波长检测的扫频激光器测量装置，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种基于跟踪式波长检测的扫频激光器测量方法，其特征在于，步骤s3中，解析得到的实时波长数据按照等间隔或触发采样方式进行存储。

10.根据权利要求8所述的一种基于跟踪式波长检测的扫频激光器测量方法，其特征在于，步骤s2中，所述波长相关特性标准数据库的建模包括以下步骤：