CN110806306B - 一种多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本分案申请涉及激光器技术领域，尤其涉及一种多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置及测量方法，测量装置均包括多纵模激光器、振动目标、滑块、滑轨、分束器、光衰减器、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元，振动目标的振动面附着有反射膜或者反射平面镜，多纵模激光器出射激光到振动目标上，振动目标接收出射激光并反馈回激光器谐振腔内，振动目标底部固定于滑块上，滑块设置于滑轨上，分束器将自混合信号分束到光电探测器上，光电探测器输出端依次连接信号预处理单元和信号处理单元。本分案申请结构简单，易于实现，制造成本低，能够实现多纵模激光器谐振腔腔体温度变化的实时非接触高精度测量。

Description

一种多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置及测量方法

本申请为申请号201810326278.6、申请日2018年4月12日、发明名称“一种多纵模激光器谐振腔FSR和激光器谐振腔腔体温度变化测量装置及测量方法”的分案申请

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种基于激光自混合信号的多纵模激光器激光器谐振腔腔体温度变化测量装置及测量方法。

背景技术

激光器因其固有的高亮度、高单色性、高方向性和高相干性等优良特性，在医疗、通讯、工业以及国防等领域应用得到广泛应用。激光器谐振腔作为激光器的核心部件，对其进行健康监测是维护激光器良好运转的重要环节。由于影响激光器谐振腔健康程度的指标主要包括激光器谐振腔自由光谱区(简称FSR)和激光器谐振腔腔体温度，因此在激光器运转过程中，对激光器谐振腔FSR和激光器谐振腔腔体温度的监测显得尤为重要。

传统的测量激光器谐振腔FSR的方法主要包括以下两种：

1.利用光谱仪直接观测纵模间距的方法，但该方法受制于光谱仪波长分辨率，存在测量分辨率和灵敏度较低且测量精度不高、价格昂贵等问题；

2.结合扫描FP以及MZ干涉仪和频谱仪测量FSR的方法，但该方法不仅需要结合大型仪器设备，而且易受到PD带宽的限制，测量系统结构复杂，成本较高，不利于普遍推广应用。

传统的测量激光器谐振腔腔体温度的方法主要有PN结特性测温法、相差测温法和光纤光栅测温法等。其中，PN结特性测温法和相差测温法均是间接测温方法，测温元件与激光器管芯之间需达到热平衡(外壳和内部)，导致测温结果存在响应时间、测量误差大等诸多问题，同时PN结特性测温法只局限于半导体激光器，无法应用到其他类型激光器。而光纤光栅测温法，一般需结合昂贵的光谱仪或者复杂的解调技术，且测量分辨率及灵敏度相对较低，实际应用存在巨大困难。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种适用于多纵模激光器、既能用于测量激光器谐振腔FSR、又能用于测量激光器谐振腔腔体温度变化的测量装置。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：

一种多纵模激光器谐振腔FSR测量装置，包括多纵模激光器、振动目标、滑块、滑轨、分束器、光衰减器、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元，所述振动目标能够发生振动，且振动面附着有反射膜或者反射平面镜；

所述多纵模激光器为待测激光光源，出射激光到振动目标上；

所述振动目标接收多纵模激光器出射的激光并通过反射膜或者反射平面镜反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成自混合信号；

所述振动目标底部固定于滑块上；

所述滑块设置于滑轨上并且可沿滑轨水平移动，所述滑轨与出射激光处于同一直线上；

所述多纵模激光器与振动目标之间的光路上依次设置分束器和光衰减器；

所述分束器用于将自混合信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理至少包括整形、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得激光器谐振腔FSR测量结果。

作为优选，所述振动目标为由信号发生器驱动的扬声器或者压电陶瓷。

作为改进，所述多纵模激光器采用半导体激光器时，光电探测器集成于多纵模激光器内。

作为优选，所述信号处理单元为计算机、示波器或者频谱仪。

基于上述多纵模激光器谐振腔FSR测量装置的激光器谐振腔FSR测量方法，具体步骤包括：振动目标发生振动，多纵模激光器作为待测激光光源，出射激光到振动目标上，出射激光经反射膜或者反射平面镜反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成自混合信号，上述过程中同时使滑块沿滑轨微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，同时利用光衰减器调节反馈光的强度，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出激光器谐振腔的FSR，具体分析方法如下：

基于多纵模激光器的激光自混合信号，认为激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，因此最终形成的激光器自混合信号可以认为是各自纵模形成的激光自混合信号的强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，可以进一步获得多纵模激光器自混合信号强度为：

式(2)中：I₀表示初始光强，β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示多纵模激光器中第j个纵模模式，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，k_0j表示真空中j模式的波数，n₀表示外腔折射率，L_ext(t)表示实时外腔长；

当外腔折射率n₀＝1时，

式(3)中：ω₀表示激光的角频率，c表示真空中的光速，FSR表示激光器谐振腔自由光谱区；

因此，可得

如果要使不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分裂或分立，则需要各个模式单独的波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍，外腔长度需满足条件：

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，L_ext表示外腔长度；因此，多纵模激光器存在一系列的特殊位置点，保证激光器各个纵模的激光自混合信号始终保持相位相同或者相位延迟为2π整数倍，叠加后的激光自混合信号不产生分裂或分立，将这些特殊位置点称作等相位点，从式(5)可知，相邻级等相位点之间外腔距离变化与自由光谱区之间的关系为：

式(6)中ΔL_ext表示的是相邻级等相位点外腔距离的差值；

因此，可以通过测量相邻级等相位点位置ΔL_ext，即可获得激光器谐振腔FSR的大小。

从以上描述可以看出，上述技术方案具备以下优点：

1.本发明测量装置结构简单，易于实现，制造成本低；

2.基于激光干涉理论，利用激光自混合信号，实现了实时非接触高精度测量。

一种多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置，包括多纵模激光器、振动目标、滑块、滑轨、分束器、光衰减器、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元，所述振动目标能够发生振动，且振动面附着有反射膜或者反射平面镜；

所述多纵模激光器为待测激光光源，出射激光到振动目标上；

所述振动目标能够发生振动，接收多纵模激光器出射的激光并通过反射膜或者反射平面镜反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成自混合信号；

所述振动目标底部固定于滑块上；

所述滑块设置于滑轨上并且可沿滑轨水平移动，所述滑轨与出射激光处于同一直线上；

所述多纵模激光器与振动目标之间的光路上依次设置分束器和光衰减器；

所述分束器用于将自混合信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理至少包括整形、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得激光器谐振腔腔体温度变化测量结果。

作为优选，所述振动目标为由信号发生器驱动的扬声器或者压电陶瓷。

作为改进，所述多纵模激光器采用半导体激光器时，光电探测器集成于多纵模激光器内。

作为优选，所述信号处理单元为计算机、示波器或者频谱仪。

基于上述多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置的激光器谐振腔腔体温度变化测量方法，具体步骤包括：振动目标发生振动，多纵模激光器作为待测激光光源，出射激光到振动目标上，出射激光经反射膜或者反射平面镜反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成自混合信号，上述过程中同时使滑块沿滑轨微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，同时利用光衰减器调节反馈光的强度，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出激光器谐振腔腔体温度的变化，具体分析方法如下：

基于多纵模激光器的激光自混合信号，认为激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，因此最终形成的激光器自混合信号可以认为是各自纵模形成的激光自混合信号的强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，可以进一步获得多纵模激光器自混合信号强度为：

式(2)中：I₀表示初始光强，β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示多纵模激光器中第j个纵模模式，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，k_0j表示真空中j模式的波数，n₀表示外腔折射率，L_ext(t)表示实时外腔长；

当外腔折射率n₀＝1时，

式(3)中：ω₀表示激光的角频率，c表示真空中的光速，FSR表示激光器谐振腔自由光谱区；

因此，可得

如果要使不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分裂或分立，则需要各个模式单独的波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍，外腔长度需满足条件：

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，L_ext表示外腔长度；因此激光器存在一系列的特殊位置点，保证激光器各个纵模的激光自混合信号始终保持相位相同或者相位延迟为2π整数倍，叠加后的激光自混合信号不产生分裂或分立，将这些特殊位置点称作等相位点；

在m级等相位点位置处，通过微调滑块位置来微调外腔的长度，跟踪温度变化，使波形保持稳定，通过测量外腔长的变化δL_ext，再根据m级等相位点位置变化δL_extm与谐振腔腔体温度变化δT的关系式，即可获得激光器谐振腔腔体温度的变化值，其中m级等相位点的位置变化与谐振腔腔体温度变化的关系式如下：

式(7)中：

表示折射率温度系数，

表示折射率色散系数，

表示波长的温度系数，

表示线性膨胀系数，L_in表示激光器谐振腔腔长，L_in0表示激光器谐振腔初始腔长，n_g表示激光器谐振腔内介质的群折射率，n_g0表示激光器谐振腔内介质的初始群折射率，m值通过式(5)计算获得；

结合材料的相关系数、初始温度时激光器谐振腔腔长、激光器初始群折射率和m值，即可获得激光器的实时温度变化。

从以上描述可以看出，上述技术方案具备以下优点：

1.本发明测量装置结构简单，易于实现，制造成本低；

2.基于激光干涉理论，利用激光自混合信号，实现了实时非接触高精度测量。

附图说明

图1是本发明实施例1和实施例2所述测量装置的结构示意图；

图2是激光自混合干涉原理图；

图3是本发明实施例1的仿真模拟结果示意图；

图4是本发明实施例1的仿真模拟结果示意图；

图5是本发明实施例1的仿真模拟结果示意图；

图6是本发明实施例1的仿真模拟结果示意图；

图7是本发明实施例2的仿真模拟结果示意图；

图8是本发明实施例2的仿真模拟结果示意图；

图9是本发明实施例2的仿真模拟结果示意图；

图10是本发明实施例2外腔变化灵敏度S_Lextm和邻级温度差ΔT_m与m的关系图。

具体实施方式

结合图1至图6，详细说明本发明的实施例1，但不对本发明的权利要求做任何限定。

激光器一般由光学谐振腔、增益介质和激励源组成。其中激光器谐振腔自由光谱区与FP腔标准具自由光谱区定义一致，FSR一般用Δν表示。激光器谐振腔的FSR表达式为：

FSR＝Δν＝c/2n_gL_in (1)

式(1)中，L_in是激光器谐振腔腔长，n_g是谐振腔内介质的群折射率，c是真空中的光速。

如图1所示，建立一种多纵模激光器谐振腔FSR测量装置，包括多纵模激光器1、振动目标2、滑块3、滑轨4、分束器6、光衰减器7、光电探测器8、信号预处理单元9和信号处理单元10；振动目标2能够发生振动且振动面附着有反射膜或者反射平面镜11，多纵模激光器1为待测激光光源，出射激光到振动目标2上，振动目标2接收多纵模激光器1出射的激光并通过反射膜或者反射平面镜反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成自混合信号，振动目标2底部固定于滑块3上；滑块3设置于滑轨4上并且可沿滑轨水平移动，滑轨4与出射激光处于同一直线上，多纵模激光器1与振动目标2之间的光路上依次设置分束器6和光衰减器7，分束器6用于将自混合信号分束到光电探测器8上，光电探测器8用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元9，信号预处理单元9用于对接收到的电信号进行预处理(至少包括整形、滤波)，信号处理单元10用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得激光器谐振腔FSR测量结果。

其中：

(1)振动目标2可以选择由信号发生器5驱动的扬声器或者压电陶瓷。

(2)当被测激光器1为多纵模半导体激光器时，可以选择集成有PD的多纵模半导体激光器，即将装置中的光电探测器集成于多纵模激光器内，此时，分束器可以取消设置。

(3)光衰减器可以为位移型衰减器或者衰减片型衰减器。

(4)信号处理单元可以选择计算机、示波器或者频谱仪。

基于激光自混合理论模型(如图2所示)，利用上述测量装置，对多纵模激光器谐振腔的FSR进行测量，具体方法如下：

利用信号发生器驱动扬声器或者压电陶瓷发生振动，多纵模激光器作为待测激光光源，出射激光到扬声器或者压电陶瓷上，出射激光经反射膜或者反射平面镜反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成自混合信号，上述过程中同时使滑块沿滑轨微移，以改变扬声器或者压电陶瓷距离多纵模激光器的距离，从而形成在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，同时利用光衰减器调节反馈光的强度，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出激光器谐振腔的FSR，具体分析方法如下：

针对多纵模激光器的激光自混合信号，可以认为激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，因此最终形成的激光器自混合信号可以认为是各自纵模形成的激光自混合信号的强度叠加。根据相关干涉混频理论模型，可以进一步获得多纵模激光器自混合信号强度为(不考虑散斑影响)：

式(2)中：I₀表示初始光强，β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示多纵模激光器中第j个纵模模式，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，k_0j表示真空中j模式的波数，n₀表示外腔折射率，L_ext(t)表示实时外腔长；

当外腔折射率n₀＝1时，

式(3)中：ω₀表示激光的角频率，c表示真空中的光速，FSR表示激光器谐振腔自由光谱区；

因此，式(1)可以变化为：

如果要使不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分裂或分立，则需要各个模式单独的波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍，外腔长度需满足条件：

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，L_ext表示外腔长度，因此激光器存在一系列的特殊位置点，保证激光器各个纵模的激光自混合信号始终保持相位相同或者相位延迟为2π整数倍，叠加后的激光自混合信号不产生分裂或分立，将这些特殊位置点称作等相位点，从式(5)可知，相邻级等相位点之间外腔距离变化与自由光谱区之间的关系为：

式(6)中ΔL_ext表示的是相邻级等相位点外腔距离的差值，因此，可以通过测量相邻级等相位点位置ΔL_ext，即可获得多纵模激光器谐振腔FSR的大小。

建立实验模型，对上述测量方法进行模拟仿真。选取双纵模激光器，m＝10，FSR为104.17GHz时，叠加后的激光器自混合信号仿真模拟结果如图3至图6所示。

从图3至图6可以看出：对应不同FSR，当外腔长度为

的整数倍时，相位延迟为2π整数倍，此时两个模式各自产生的自混合信号相位一致，它们之间的波形叠加不会造成波形的改变，即如图3和图6所示的情形；而当外腔长度不是谐振腔腔长的整数倍时，由于相位延迟不是2π的整数倍，不同模式各自产生的激光自混合信号波形在时域上的位置会有所差异，波形叠加后波形会产生分裂或分立，即如图4和图5所示的情形。因此我们可以通过相邻级波形不发生分裂或者分立的等相位点位置，如图3和图6所示，获得外腔长度变化为1.44mm，将其代入式(5)计算可得FSR为104.17GHz,与实验设定的FSR值一致，结果可靠。

从上述描述可以看出，本实施例具有以下优点：

1.测量装置结构简单，易于实现，制造成本低；

2.基于激光干涉理论，利用激光自混合信号，实现了实时非接触高精度测量。

结合图1、图2、图7至图10，详细说明本发明的实施例2，但不对本发明的权利要求做任何限定。

激光器一般由光学谐振腔、增益介质和激励源组成。其中激光器谐振腔自由光谱区与FP腔标准具自由光谱区定义一致，FSR一般用Δν表示。激光器谐振腔的FSR表达式为：

FSR＝Δν＝c/2n_gL_in (1)

式(1)中，L_in是激光器谐振腔腔长，n_g是腔内介质的群折射率，c是真空中的光速。

如图1所示，建立一种多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置，包括多纵模激光器1、振动目标2、滑块3、滑轨4、分束器6、光衰减器7、光电探测器8、信号预处理单元9和信号处理单元10；振动目标2能够发生振动且振动面附着有反射膜或者反射平面镜11，多纵模激光器1为待测激光光源，出射激光到振动目标2上，振动目标2接收多纵模激光器出射的激光并通过反射膜或者反射平面镜11反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成自混合信号，振动目标2底部固定于滑块3上，滑块3设置于滑轨4上并且可沿滑轨4水平移动，滑轨4与出射激光处于同一直线上，信号发生器5用于驱动振动目标2发生振动，多纵模激光器1与振动目标2之间的光路上依次设置分束器6和光衰减器7，分束器6用于将自混合信号分束到光电探测器8上，光电探测器8用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元9，信号预处理单元9用于对接收到的电信号进行预处理(至少包括整形、滤波)；信号处理单元10用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得激光器的谐振腔腔体温度的变化测量结果。

其中：

(1)振动目标2可以选择由信号发生器5驱动的扬声器或者压电陶瓷。

(2)当被测激光器为多纵模半导体激光器时，可以选择集成有PD的多纵模半导体激光器，即将装置中的光电探测器集成于多纵模激光器内，此时，分束器可以取消设置。

(3)光衰减器可以为位移型衰减器或者衰减片型衰减器。

(4)信号处理单元可以选择计算机、示波器或者频谱仪。

基于激光自混合理论模型(如图2所示)，利用上述测量装置，对多纵模激光器的谐振腔腔体温度的变化进行测量，具体方法如下：

利用信号发生器驱动扬声器或者压电陶瓷发生振动，多纵模激光器作为待测激光光源，出射激光到扬声器或者压电陶瓷上，出射激光经反射膜或者反射平面镜反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成自混合信号，上述过程中同时使滑块沿滑轨微移，以改变扬声器或者压电陶瓷距离多纵模激光器的距离，从而形成在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，同时利用光衰减器调节反馈光的强度，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出激光器谐振腔腔体温度的变化，具体分析方法如下：

针对多纵模激光器的激光自混合信号，可以认为激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，因此最终形成的激光器自混合信号可以认为是各自纵模形成的激光自混合信号的强度叠加。根据相关干涉混频理论模型，可以进一步获得多纵模激光器自混合信号强度为(不考虑散斑影响)：

式(2)中：I₀表示初始光强，β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示多纵模激光器中第j个纵模模式，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，k_0j表示真空中j模式的波数，n₀表示外腔折射率，L_ext(t)表示实时外腔长；

当外腔折射率n₀＝1时，

式(3)中：ω₀表示激光的角频率，c表示真空中的光速，FSR表示激光器谐振腔自由光谱区；

因此，式(1)可以变化为：

如果要使不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分裂或分立，则需要各个模式单独的波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍，外腔长度需满足条件：

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，L_ext表示外腔长度，因此激光器存在一系列的特殊位置点，保证激光器各个纵模的激光自混合信号始终保持相位相同或者相位延迟为2π整数倍，叠加后的激光自混合信号不产生分裂或分立，将这些特殊位置点称作等相位点。

在m级等相位点位置处，通过微调滑块位置来微调外腔的长度，跟踪温度变化，使波形保持稳定，通过测量外腔长的变化，再根据m级等相位点位置变化δL_extm与谐振腔腔体温度变化δT的关系式，即可获得激光器谐振腔腔体温度的变化值(由于激光器谐振腔腔体初始温度为已知，因此同样可以推算出激光器谐振腔腔体温度变化后的温度绝对值)，其中m级等相位点的位置变化与谐振腔腔体温度变化的关系式如下：

式(7)中：

表示折射率温度系数，

表示折射率色散系数，

表示波长的温度系数，

表示线性膨胀系数，L_in表示激光器谐振腔腔长，L_in0表示激光器谐振腔初始腔长，n_g表示激光器谐振腔内介质的群折射率，n_g0表示激光器谐振腔内介质的初始群折射率,m值可通过式(5)计算获得。

结合材料的相关系数、初始温度时激光器谐振腔腔长、激光器初始群折射率和m值，即可获得激光器的实时温度变化。

本实施例中，如果激光器谐振腔FSR未知，可以先根据实施例1的方法测得激光器谐振腔FSR，再将其带入式(5)计算m值。

建立实验模型，对上述测量方法进行模拟仿真。仿真条件为：激光器的初始波长为670nm，初始温度为T₁℃，初始外腔长L_ext＝157.5mm时，m＝150，δT＝4℃，叠加后的激光器自混合信号仿真模拟结果如图7至图9所示。

从图7至图9可以看出，当温度为T₁℃时，此时的外腔长L_ext＝157.5mm，为

的整数倍，自混合波形不发生分裂，当外腔温度增加4℃后，温度的变化会导致

发生微小变动，自混合波形会发生分裂，当我们微调外腔长度，使其再次为

的整数倍，自混合波形又会由分裂变为变为重合，这时我们即可通过测量外腔距离变化获得相应温度变化，实现对激光器的谐振腔腔体温度测量。

根据式(7)可知，该温度测量装置的外腔变化灵敏度S_Lextm和邻级温度差ΔT_m均是由m值和激光器介质材料的折射率及谐振腔腔长随温度的变化率共同决定的。其中，外腔变化灵敏度S_Lextm是指单位温度变化引起的外腔距离变化，邻级温度差ΔT_m是指温度T₂(变化后)引起的外腔等相位点位置(m+1)与温度T₁(变化前)外腔等相位点位置(m)不发生重合的最大温度差值，直接决定了连续两次测量间隔中的最大可测量温差。外腔变化灵敏度S_Lextm和邻级温度差ΔT_m表达式如下：

图10为使用多纵模半导体激光器时，外腔变化灵敏度S_Lextm和邻级温度差ΔT_m与m的关系图。计算中，激光器谐振腔内介质的初始群折射率n_g0为3.5，谐振腔腔体初始长度L_in0为300um，谐振腔材料长度随温度的变化系数为5.73×10^-6℃^-1(即线性膨胀系数)，折射率随温度的变化系数为2.5×10^-4℃^-1(即折射率温度系数)，折射率色散系数为-2.298um^-1，波长的温度系数为0.3nm/℃，外腔变化灵敏度S_Lextm以及邻级温度差绝对值|ΔT_m|均会受到谐振腔腔长L_in，谐振腔内介质群折射率n_g，材料的长度和折射率随温度的变化系数等影响。

从图10可以看出，邻级温度差随着m值增大而逐渐减小，外腔变化灵敏度S_Lextm则随着m值增大而增大，因此，需根据具体的测试要求，综合考虑温度变化剧烈程度和测量灵敏度来选择合适的工作点(级数)。例如激光器谐振腔温度具体测量中，激光器开机初始温度变化较剧烈，需选择较小的m值点进行温度测量，当激光器运行一段时间后，温度趋于稳定，温度变化较小，此时可选择较大的m值点进行温度测量，以达到较高测量灵敏度。

从上述描述可以看出，本实施例具有以下优点：

1.测量装置结构简单，易于实现，制造成本低；

2.基于激光干涉理论，利用激光自混合信号，实现了实时非接触高精度测量。

3.通过m值的选取，可以获得较好的测量灵敏度。

综上所述，本发明具有以下优点：

1.本发明所述的多纵模激光器谐振腔FSR测量装置和多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置的装置结构基本完全相同，区别点仅在于对激光自混合信号的分析处理分析方法不同，同样的装置结构既可以应用于激光器谐振腔FSR测量，又可以激光器谐振腔腔体温度变化测量，一机两用，应用范围广；

2.本发明所述测量装置结构简单，易于实现，制造成本低；

3.本发明所述测量方法基于激光干涉理论，利用激光自混合信号，实现了多纵模激光器谐振腔FSR和谐振腔腔体温度的实时非接触高精度测量。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置，其特征在于：包括多纵模激光器、振动目标、滑块、滑轨、分束器、光衰减器、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元，所述振动目标能够发生振动，且振动面附着有反射膜或者反射平面镜；

所述多纵模激光器为待测激光光源，出射激光到振动目标上；

所述振动目标能够发生振动，接收多纵模激光器出射的激光并通过反射膜或者反射平面镜反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成自混合信号；

所述振动目标底部固定于滑块上；

所述滑块设置于滑轨上并且可沿滑轨水平移动，所述滑轨与出射激光处于同一直线上；

所述多纵模激光器与振动目标之间的光路上依次设置分束器和光衰减器；

所述分束器用于将自混合信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理至少包括整形、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得激光器谐振腔腔体温度变化测量结果。

2.根据权利要求1所述的多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置，其特征在于：所述振动目标为由信号发生器驱动的扬声器或者压电陶瓷。

3.根据权利要求1所述的多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置，其特征在于：所述多纵模激光器采用半导体激光器时，光电探测器集成于多纵模激光器内。

4.根据权利要求1所述的多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置，其特征在于：所述信号处理单元为计算机、示波器或者频谱仪。

5.基于权利要求1-4任意一项所述的多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置的激光器谐振腔腔体温度变化测量方法，其特征在于：振动目标发生振动，多纵模激光器作为待测激光光源，出射激光到振动目标上，出射激光经反射膜或者反射平面镜反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成自混合信号，上述过程中同时使滑块沿滑轨微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，同时利用光衰减器调节反馈光的强度，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出激光器谐振腔腔体温度的变化，具体分析方法如下：

基于多纵模激光器的激光自混合信号，认为激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，因此最终形成的激光器自混合信号可以认为是各自纵模形成的激光自混合信号的强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，可以进一步获得多纵模激光器自混合信号强度为：

式(2)中：I₀表示初始光强，β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示多纵模激光器中第j个纵模模式，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，k_0j表示真空中j模式的波数，n₀表示外腔折射率，L_ext(t)表示实时外腔长；

当外腔折射率n₀＝1时，

式(3)中：ω₀表示激光的角频率，c表示真空中的光速，FSR表示激光器谐振腔自由光谱区；

因此，可得

如果要使不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分裂或分立，则需要各个模式单独的波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍，外腔长度需满足条件：

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，L_ext表示外腔长度；因此激光器存在一系列的特殊位置点，保证激光器各个纵模的激光自混合信号始终保持相位相同或者相位延迟为2π整数倍，叠加后的激光自混合信号不产生分裂或分立，将这些特殊位置点称作等相位点；

在m级等相位点位置处，通过微调滑块位置来微调外腔的长度，跟踪温度变化，使波形保持稳定，通过测量外腔长的变化δL_ext，再根据m级等相位点位置变化δL_extm与谐振腔腔体温度变化δT的关系式，即可获得激光器谐振腔腔体温度的变化值，其中m级等相位点的位置变化与谐振腔腔体温度变化的关系式如下：

式(7)中：

表示折射率温度系数，

表示折射率色散系数，

表示波长的温度系数，

表示线性膨胀系数，L_in表示激光器谐振腔腔长，L_in0表示激光器谐振腔初始腔长，n_g表示激光器谐振腔内介质的群折射率，n_g0表示激光器谐振腔内介质的初始群折射率，m值通过式(5)计算获得；

因此，结合材料的相关系数、初始温度时激光器谐振腔腔长、激光器初始群折射率和m值，即可获得激光器的实时温度变化。

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