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专利名称：一种光学谐振频率差精确测量装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种不同光学谐振器的谐振频率差的精确测量技术。
背景技术：
光学谐振器，包 括法布里-泊罗干涉仪和光纤环形腔等，是多种光学测量仪器的基本结构。以法布里-泊罗干涉仪为例，干涉仪的谐振频率fk满足fk = kc/ (2nl)其中，I为干涉仪的长度，η为干涉仪内的折射率，c为光速，k为任意正整数。由上式可见，通过测量谐振器的谐振频率，可以得到长度和折射率的信息，进而实现距离、温度、应变、折射率等多种参数的传感，其传感的精度取决于光学谐振器频率的测量精度。对准静态信号，和基于差分的信号如剪切应变等的测量，需要精确地比较两个不同谐振器的谐振频率。目前的高精度谐振频率测量技术采用光位相调制的方法。通过对激光进行位相调制，使激光的瞬时频率以频率Ω呈正弦规律变化；然后测量其反射(或透射，下同)光强。当激光的中心频率偏离谐振频率时，反射光的光强的频谱中包含频率为Ω的项。当激光的中心频率与谐振频率一致时，由于反射率曲线的对称性，反射光强中将不包含频率为Ω的成分。通过解调反射光强中Ω项的强度和位相，可以精确地检测出激光中心频率与谐振腔的谐振频率之间的差值(R. W. P. Drever, et al.，"Laser Phase and FrequencyStabilization Using an Optical-Resonator, "Applied Physics B-Photophysics andLaser Chemistry, vol. 31, pp. 97-105, 1983. )D与直接检测谐振腔的光强反射率相比，这种方法对光源、光接收器以及光路分布反射造成的强度噪声不敏感，因而能够获得高频率精度。但是这种技术得到的解调信号，只有在不大于谐振器光谱线宽的FWHM (Fullwidth at half maximum,半高全宽)范围内，其解调信号才与激光和谐振腔的频率差呈线性关系。为了测量两个谐振频率的差值，当前的一种方法是用同一束激光同时探测这两个谐振频率，并比较其解调信号的大小(J. H. Chow, et al.，"Demonstration of a passivesubpicostrain fiber strain sensor,〃0ptics Letters, vol. 30，pp. 1923-1925，2005)。这种方法的测量范围不大于谐振器的FWHM，如果增加FWHM，则会降低测量的灵敏度和精度。当前的另一种测量谐振频率差的方法是用可调谐激光器，通过扫描激光的频率，分别获得两个谐振器在实现谐振时激光的频率，相减就可以得到两个谐振频率的差值(Q. Liu, etal. , " Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber static strainsensor using Pound-Drever-HalI technique, 〃0pt. Lett., vol. 36, pp. 4044-4046，2011.)。这一方法中，激光在进行大频率范围扫描过程中的非线性限制了谐振频率测量的精度，而且随着谐振频率差值的增加，激光器频率扫描范围也要增加，频率差测量的精度会随之下降
发明内容
为了解决测量两个谐振器频率过程中的精度和测量范围大小的矛盾，本发明提供了一种新测量技术，该技术能够实现两个谐振腔频率的精确比较，而且其测量范围不受谐振腔FWHM的限制，而仅取决于电子射频调制信号的频率。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案一种光学谐振频率差精确测量装置，其特征在于包括激光器、信号发生器、强度调制器、分光束器、一对谐振器、光强度信号转换装置和位相解调器；所述激光器产生的激光根据信号发生器的信号经强度调制器强度调制后，再经分光束器产生一对光学边带信号，分别进入一对谐振器，所述谐振器的反射光经光强度信号转换装置转换成强度信号，再由位相解调器解调。优选的所述谐振器为 法布里-泊罗干涉仪。所述位相解调器为I/Q正交解调芯片。一种光学谐振频率差精确测量方法，采用边带调制技术来精确测量和比较谐振器的谐振频率，其特征是边带由强度调制器产生，每一组边带都有三个具有固定位相和强度关系的成分，两组边带分别用于探测不同谐振器的谐振频率，并用位相解调器解调。本发明可以同时实现对谐振器的谐振频率差的高精度和大量程测量。


图I为本发明装置结构示意图；图中Laser为激光器，IM是强度调制器，FGl和FG2是信号发生器，CP是光分束器，CIR是光回旋器，FPII和FPI2是一对法布里-泊罗干涉仪，H)是光电二极管，PDM是I/Q位相解调器，Computer为电脑；图2为边带的频率与位相关系图；图3为位相解调器结构示意图；图中IQ Demodulator为I/Q位相解调器，PHASE SPLITTER为分相器，DAQ为数据采集，LPF为低通滤波器；Program为程序；图4为解调出的信号波形图。
具体实施例方式如图I所示一种光学谐振频率差精确测量装置，包括激光器、信号发生器、强度调制器、分光束器、一对谐振器、光强度信号转换装置和位相解调器；所述激光器产生的激光根据信号发生器的信号经强度调制器强度调制后，再经分光束器产生一对光学边带信号，分别进入一对谐振器，所述谐振器的反射光经光强度信号转换装置转换成强度信号，再由位相解调器解调。激光被特殊设计的中心频率为Qs的射频信号进行强度调制，产生一对光学边带信号。两对边带信号的中心频率具有差值2 Qs，因而能够同时分别探测两个中心频率差值为2Ω3的2个谐振器；同时，对于每一路边带信号，其瞬时频率都以频率ΩΜ呈正弦规律变化，反射光强中频率为ΩΜ的成分的强度和位相可以被位相解调器解调出来。强度调制后的激光被分为两路，两个边带分别被用于探测2个不同谐振器的谐振频率，通过调整激光器的中心波长和调制频率Qs，使得两路边带信号分别位于待测谐振腔的谐振频率上。通过扫描激光器的波长，从2个谐振器反射光强解调出信号的频率差，加上2Ω3即为两个谐振器的实际频率差。该测量方案中Qs的频率决定了测量范围，与光学谐振器的FWHM无关。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图I中，Laser为激光器，IM是强度调制器，FGl和FG2是信号发生器，其所产生的信号如下FGl = sin ( Ω Mt), FG2 = sin ( Ω st) +2sin ( Ω st+ Ω Mt) -sin ( Ω st_ Ω Mt)CP是光分束器，CIR是光 回旋器，FPI I和FPI 2是一对待测的法布里-泊罗干涉仪，PD是光电二极管。PDM是I/Q位相解调器。强度调制器頂的驱动信号FG2包含三个具有固定位相和强度关系的频率成分。通过对激光进行强度调制，产生了两组关于激光中心频率对称的边带，如图2所示。每一组边带都具有与FG2相同的频率与位相关系，这种组合的结果是其瞬时频率以频率ΩΜ呈正弦规律变化。两组边带的中心频率相差2QS。通过调整激光器的中心波长和的大�。�这两组边带信号可以被调整到分别与一个谐振器的谐振频率一致。从FPI反射回的光信号被H)转换为强度信号后，由位相解调器PDM解调出来。PDM的结构如图3所示，参考信号g( Qt)产生2路频率相同、位相相差/2的正交信号，待解调信号f(t)被这两路正交信号分别解调，然后经位相调整，最后合成一路信号。与现有位相解调装置相比，该解调器利用程序进行位相调整，不需要硬件移相电路(J. H. Chow，etal. , "Demonstration of a passive subpicostrain fiber strain sensor, 〃0ptics Letters, vol. 30，pp. 1923-1925，2005)，方便应用于自动测量系统。通过调谐激光器的中心频率，每一组边带都在相应的谐振频率上扫描，解调出的信号如图4所示，与当前的位相调制方案的解调信号相同，都具有对强度噪声不敏感的特点。通过计算解调信号中两个谐振频率的差值，加上2QS，即得到两个谐振腔的实际频率差。实验中，从解调信号计算得到的两个谐振频率的差值的测量精度优于100kHz。Qs是由电子仪器产生的，其频率精度优于1Hz。因此，两个谐振频率的差的测量精度优于100kHz.借助于边带的搬移作用，该系统的测量范围只取决于Ω5的信号发生器频率，不受谐振器FffHM的限制，因而能够实现大的测量范围。实验中获得了大于2GHz的测量范围，只受限于Qs的信号发生器的频率范围。
权利要求
1.ー种光学谐振频率差精确测量装置，其特征在于包括激光器、信号发生器、强度调制器、分光束器、一对谐振器、光強度信号转换装置和位相解调器；所述激光器产生的激光根据信号发生器的信号经强度调制器强度调制后，再经分光束器产生ー对光学边带信号，分别进入一对谐振器，所述谐振器的反射光经光强度信号转换装置转换成強度信号，再由位相解调器解调。
2.根据权利要求I所述的ー种光学谐振频率差精确测量装置，其特征在于所述谐振器为法布里-泊罗干涉仪。
3.根据权利要求I所述的ー种光学谐振频率差精确测量装置，其特征在于所述位相解 调器为I/Q正交解调芯片。
4.ー种光学谐振频率差精确测量方法，采用边带调制技术来精确测量和比较谐振器的谐振频率，其特征是边带由强度调制器产生，每ー组边带都有三个具有固定位相和强度关系的成分，两组边带分别用于探测不同谐振器的谐振频率，并用位相解调器解调。
全文摘要
本发明公布了一种光学谐振频率差精确测量装置，包括激光器、信号发生器、强度调制器、分光束器、一对谐振器、光强度信号转换装置和位相解调器；所述激光器产生的激光根据信号发生器的信号经强度调制器强度调制后，再经分光束器产生一对光学边带信号，分别进入一对谐振器，所述谐振器的反射光经光强度信号转换装置转换成强度信号，再由位相解调器解调。一种光学谐振频率差精确测量方法，采用边带调制技术来精确测量和比较谐振器的谐振频率，边带由强度调制器产生，每一组边带都有三个具有固定位相和强度关系的成分，两组边带分别用于探测不同谐振器的谐振频率，并用位相解调器解调。本发明同时实现对谐振器的谐振频率差的高精度和大量程测量。
文档编号G01M11/02GK102818695SQ201210274650
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月3日 优先权日2012年8月3日
发明者刘庆文, 何祖源 申请人:无锡联河光子技术有限公司