[实用新型]一种光学谐振频率差精确测量装置

说明书

技术领域

本实用新型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f_k满足：

f_k＝kc/(2nl)

其中，l为干涉仪的长度，n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 Frequency Stabilization Using an Optical-Resonator,Applied Physics B-Photophysics and Laser Chemistry，vol.31,pp.97-105,1983.）。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（Full width 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 passive subpicostrain fiber strain sensor,Optics 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,et al.，″Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber static strain sensor using Pound-Drever-Hall technique,Opt.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。

实用新型内容

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，本实用新型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。

本实用新型为实现上述目的，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。

本实用新型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。

附图说明

图1为本实用新型装置结构示意图；