一种窄线宽激光器线宽的检测方法及装置

1.本发明涉及一种窄线宽激光器线宽的检测方法及装置，属于激光器技术领域。


背景技术：

2.激光器是一种能发射激光的装置，自1953年第一台微波量子放大器问世以来，激光器已经被应用在各种工业领域中。激光线宽是激光器的光谱特性，激光线宽是激光功率函数由峰值下降到一半处时所对应的频率宽度，即光谱线性函数的半峰全宽。单模激光器的线宽在理想状态下为0nm，此时激光具有良好的相干性和单色性。在实际应用中，由于量子相干噪声和不相干自发辐射的存在，输出激光存在一定的线宽。
3.窄线宽激光器激光以腔内振动单一纵模形式输出的激光器，其特征是激光光谱的线宽非常狭窄，且激光具有极好的相干特性。窄线宽激光器现在已经被广泛应用在光通信、光传感、光遥感、高精度光谱等领域，这主要归因于窄线宽激光器线宽较窄、噪声偏低、抗电磁干扰能力强等优点。激光器的线宽和相位噪声参数对分布式光纤传感系统的探测距离、探测精度起决定性的作用，对传感器检测的质量和水平有着巨大的影响。因此，对线宽的精确测量与表征具有重要意义。
4.激光线宽的测量也是表征单频窄线宽激光器特性的重要手段，在实际操作中，人们往往根据激光器线宽的测量值来判断激光器的性能，因此，实现激光器线宽的精确测量，特别是准确表征和测量窄线宽激光器的线宽就显得格外重要。随着外腔技术的引入以及调q和锁模技术的发展，目前窄线宽激光器的线宽已发展到khz量级，有的甚至达到几赫兹。激光窄线宽的精确表征对于研究窄线宽激光器的线宽、噪声和相干等特性具有重要意义。
5.近年来随着技术的进步，激光线宽测量可以通过激光功率谱函数直接获取，或者利用相位噪声信息来计算获得。但是随着激光器性能的提升，激光线宽逐渐变窄，原有的如光谱仪测量法和法布里-珀罗标准具干涉法已经不能满足对先进激光器线宽检测的需求，而现在主要使用的拍频法虽能满足现在一部分的线宽检测需求，但拍频法需要使用昂贵的频谱分析仪(esa)对激光线宽进行显示保存，同时激光器发出的激光在esa上显示时的毛刺较多，会影响到激光器线宽检测的精度。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种窄线宽激光器线宽的检测方法及装置，采用延时光纤拍频法对窄线宽激光器进行线宽测量，在减少器件使用的基础上，极大地增强了激光器线宽测量的准确性；该方法采用数据采集卡进行数据采集，快速傅里叶变换(fft)进行分析处理，采用滑动平均算法和l-m算法对数据进行处理，降低成本的同时精确检测到更窄的激光器线宽。
7.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
8.第一方面，本发明提供了一种窄线宽激光器线宽的检测方法，包括：
9.获取预先利用数据采集卡采集的数据信息；
10.将所述数据信息采用累加平均算法做信号预处理，获取预处理后的时域数据信息；
11.将所述预处理后的时域数据信息进行快速傅里叶变换，将时域数据信息转变为频域数据信息；
12.对所述频域数据信息采用滑动平均算法进行处理，得到滑动平均过的数据；
13.使用l-m算法对所述滑动平均过的数据进行拟合，获取拟合后的数据；
14.将所述拟合后的数据通过延时自外差法检测线宽，计算出激光器线宽数据。
15.进一步的，所述数据采集卡采用pico采集卡进行采集。
16.进一步的，所述数据采集卡的参数设定包括采样间隔、采样速率以及窗口功能。
17.进一步的，将所述数据信息采用累加平均算法做信号预处理，包括：
18.将所述数据信息通过累加平均算法进行过滤；根据累加次数的增大，不断滤除噪声，其中，累加次数的选择响应于人工选择信号进行选择。
19.进一步的，所述快速傅里叶变换的参数设定包括采样点数和采样频率。
20.进一步的，所述将所述拟合后的数据通过延时自外差法检测线宽，计算出激光器线宽数据，包括：
21.将所述拟合后的数据输入电脑中，利用延时自外差法在电脑上获得一个洛伦兹线型频谱，其中，所述洛伦兹线型频谱的半峰全宽即为被测激光器的线宽。
22.第二方面，本发明提供一种窄线宽激光器线宽的检测装置，包括：待测窄线宽激光器，光纤耦合器，延迟光纤，光纤偏振扰频器，掺铒光纤放大器，声光调制器，光纤耦合器，光纤滤波器，光电探测器，数据采集卡；所述待测窄线宽激光器与光纤耦合器的输入端相连，所述光纤耦合器输出的激光分二路，其中，一路与延迟光纤的输入端相连，另一路经声光调制器与光纤耦合器的输入端相连，所述光纤偏振扰频器与延迟光纤的另一个输入端相连，所述光纤偏振扰频器输出的激光与光纤掺铒光纤放大器的输入端相连，所述光纤掺铒光纤放大器的输出端与光纤耦合器的输入端相连，所述光纤耦合器的输出端与光纤滤波器的输入端相连，所述光纤滤波器的输出端与光电探测器的输入端相连，所述光电探测器对光纤滤波器输入的光进行相干处理，然后输入数据采集卡。
23.第三方面，本发明提供一种窄线宽激光器线宽的检测装置的检测装置，包括：
24.获取单元，用于获取预先利用数据采集卡采集的数据信息；
25.预处理单元，用于将所述数据信息采用累加平均算法做信号预处理，获取预处理后的时域数据信息；
26.转换单元，用于将所述预处理后的时域数据信息进行快速傅里叶变换，将时域数据信息转变为频域数据信息；
27.处理单元，用于对所述频域数据信息采用滑动平均算法进行处理，得到滑动平均过的数据；
28.拟合单元，用于使用l-m算法对所述滑动平均过的数据进行拟合，获取拟合后的数据；
29.计算单元，用于将所述拟合后的数据通过延时自外差法检测线宽，计算出激光器线宽数据。
30.第四方面，本发明提供一种窄线宽激光器线宽的检测装置，包括处理器及存储介
质；
31.所述存储介质用于存储指令；
32.所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据前述任一项所述方法的步骤。
33.第五方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述任一项所述方法的步骤。
34.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
35.本发明提供一种窄线宽激光器线宽的检测方法，相比通过光纤频谱仪直接处理数据的方法所处理的激光信号曲线更加平滑，通过多次快速采集激光信号使用fft处理数据，接着使用滑动平均算法和l-m算法对多组数据进行处理，使激光曲线接近洛伦兹线形，克服了原先使用光线频谱仪处理时信号毛刺、测量结果不准的问题。
36.本发明提供的窄线宽激光器线宽的检测装置中加入了滤波器，从而过滤会影响系统测量准确性的底噪，本装置使用数据采集卡替代传统的光纤频谱仪，相比传统的光纤频谱仪，数据采集卡可以通过笔记本电脑控制，通过软件快速的收集多组数据，从而降低了检测时间，同时使用多组数据进行处理也能提高检测稳定度，最终提高了装置的检测精度，同时传统光纤频谱仪具有价格昂贵、体积庞大不易携带的缺点，装置使用数据采集卡替代光纤频谱仪，实现模块化，可以广泛应用在工程领域中。
37.本发明基于延时自外差法检测激光器线宽时检测精度低、收集数据时间长、实验设备昂贵不易携带的问题，提出了一种信号处理方法同时改良设计了一套对应的线宽检测实验装置，现有的其他测量窄线宽激光器线宽的方法如基于部分相干光干涉的双参数线宽测量等方法都需要使用昂贵沉重的光纤频谱仪，同时需要进行大量复杂的运算，检测时间慢的同时无法进行便捷的工程测量，本方法和装置克服了上述问题，可以应用于大多数工程领域。
附图说明
38.图1是本发明实施例提供的对频域信号采用滑动平均算法处理示意图；
39.图2是本发明实施例提供的使用l-m算法对滑动平均过的数据进行拟合的流程示意图；
40.图3是本发明实施例提供的采用滑动平均算法和l-m算法之前，解调出的曲线图；
41.图4是本发明实施例提供的采用滑动平均算法和l-m算法之后，解调出的曲线图；
42.图5是本发明实施例提供的窄线宽激光器线宽检测装置示意图；
43.图6是本发明实施例提供的窄线宽激光器线宽的检测方法的流程图。
具体实施方式
44.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
45.实施例1
46.如图6所示，本实施例介绍一种窄线宽激光器线宽的检测方法，包括：
47.获取预先利用数据采集卡采集的数据信息；
48.将所述数据信息采用累加平均算法做信号预处理，获取预处理后的时域数据信
息；
49.将所述预处理后的时域数据信息进行快速傅里叶变换，将时域数据信息转变为频域数据信息；
50.对所述频域数据信息采用滑动平均算法进行处理，得到滑动平均过的数据；
51.使用l-m算法对所述滑动平均过的数据进行拟合，获取拟合后的数据；
52.将所述拟合后的数据通过延时自外差法检测线宽，计算出激光器线宽数据。
53.本实施例提供的窄线宽激光器线宽的检测方法，其应用过程具体涉及如下步骤：
54.步骤一：搭建好系统设备后对激光器进行线宽测量实验，数据采集模块采用pico进行采集；
55.在本实例中，数据采集卡的参数设定包括采样间隔：800ps、采样速率：1.25gs/s、窗口功能：海明；
56.步骤二：将数据采集卡采集下来的数据信息进行累加平均处理，做信号预处理；
57.进一步地：将采集下来的数据信息进行累加平均处理，做信号预处理，包括：
58.激光器在一段时间内会连续发出激光，致使采集模块会不断地进行信号采集，在进行数据处理前，可以采用累加平均算法做信号预处理，一方面可以滤除大部分噪声，另一方面可以有效提高解调后的数据信息，使得窄带激光器线宽测量更加准确。累加平均算法虽能根据累加次数的增大，不断滤除噪声，提高信号的信噪比，但是当累加次数到一定程度后，信号信噪比的提升就是很缓慢，因此累加次数的选择需要根据实际情况进行选择。在本实例中，采集了100组数据进行累加平均；
59.步骤三；将做完预处理后的时域数据进行快速傅里叶变换(fft)，将时域信息转变为频域信息；
60.在本实例中，fft的参数设定包括采样点数：1048576、采样频率：1.25ghz；
61.步骤四：对频域信号采用滑动平均算法进行处理，尽可能滤除噪声，得到光滑曲线；
62.进一步地，对频域信号采用滑动平均算法以及滑窗算法，如图1所示；
63.滑动平均法也叫移动平均值滤波法，其主要思想就是将该点附近的采样点做算术平均，作为这个点光滑后的值，该算法能够有效滤除噪声。在本实例中，将计算该点附近7个点的算术平均值，依次滑动，得到光滑曲线；
64.步骤五：使用l-m算法对滑动平均过的数据进行拟合，迭代次数：10000、初始阻尼值：0.01，流程图如图2所示；
65.l-m算法即在高斯牛顿法中引入阻尼因子，消除其难以选择待估参数初始值的限制，同时保留其提取最优解的优点。lm法工作机制的核心是在每个实测数据附近的小范围内通过线性化取得迭代公式，待估参数的最优解经过迭代运算便可逐步求得。
66.步骤六：根据延时自外差法检测线宽，计算出激光器线宽数据；如图3、图4所示；
67.延时自外差法法通过调制电路或电源，使经过耦合器的两束光产生一定的频差(本装置用aom产生了200mhz的上移频，所以激光的中心频率在200mhz)，则第二个耦合器干涉拍频时产生的光信号的中心频率不在零频附近，这样就增强了系统对周围环境的抗干扰能力，从而提高了测量的准确度，降低了系统误差。利用延时自外差法检测线宽时，会在频谱仪上获得一个洛伦兹线型频谱，该频谱的半峰全宽即为被测激光器的线宽。在实际操作
中，一般读取洛伦兹曲线的-20db线宽，然后通过计算得到激光器的实际线宽。其线宽关系如表1所示。
[0068][0069]
其中，δν为激光器线宽；
[0070]
在采用滑动平均算法和l-m算法之前，解调出的曲线不够平滑，无法准确计算出激光器线宽数据，在采用滑动平均算法之后，曲线明显变得更加平滑，并且根据延迟自外差法线宽计算公式得出，该激光器线宽为14.63khz，与标准线宽15khz相差较小，验证了本文方案的可靠性。
[0071]
实施例2
[0072]
如图5所示，本实施例提供一种窄线宽激光器线宽的检测装置，包括待测窄线宽激光器1，50：50光纤耦合器2，延迟光纤3，光纤偏振扰频器4，掺铒光纤放大器(edfa)5，声光调制器6，50：50光纤耦合器7，光纤滤波器8，光电探测器9，数据采集卡10。待测窄线宽激光器1与50：50光纤耦合器2的输入端相连，50：50光纤耦合器输出的激光分二路，其中，一路与延迟光纤3的输入端相连，另一路经声光调制器6与50：50光纤耦合器7的输入端相连，光纤偏振扰频器4与延迟光纤3的另一个输入端相连，光纤偏振扰频器输出的激光与光纤掺铒光纤放大器5的输入端相连，光纤掺铒光纤放大器5的输出端与50：50光纤耦合器7的输入端相连，50：50光纤耦合器7的输出端与光纤滤波器8的输入端相连，光纤滤波器8的输出端与光电探测器9的输入端相连，光电探测器9对光纤滤波器8输入的光进行相干处理，然后输入数据采集卡10。
[0073]
光纤掺铒光纤放大器5、光纤掺铒光纤放大器11是信号增益最大为47db,饱和输出功率为17dbm的光纤掺铒光纤放大器。
[0074]
光电探测器9是3db探测带宽大于22ghz，波长为1550nm，输出功率最大为10mw的光电探测器。
[0075]
数据采集卡10是pico6000系列8424e。
[0076]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。