一种测量半导体激光器调谐瞬时光谱的测量方法，步骤：经光电放大探测器接收短时延自外差测量系统在锯齿波电流调谐下的激光外差电压信号，送数字示波器存储；将获取的激光外差电压信号进行分层；利用直流电压和光电放大探测器的转换系数推算激光器的瞬时输出功率；确定载波信号的瞬时频率，推算激光器的瞬时输出波长；由噪声信号确定激光器输出信号的线型和瞬时线宽；利用上述步骤中得到的瞬时输出光功率、光波长及线型、线宽模拟瞬时调谐光谱。这种测量方法，能够同时获知调谐过程中的瞬时输出光功率、光波长及线型、线宽，并利用这些瞬时参数模拟瞬时调谐光谱，实现对其进行精准测量的目的，方法简单可靠，准确率高。
1.一种测量半导体激光器调谐瞬时光谱的方法，其特征在于，该测量方法包括下述步骤：(1)经光电放大探测器接收短时延自外差测量系统在锯齿波电流调谐下的激光外差电压信号，送数字示波器存储；
(2)将获取的激光外差电压信号进行分层，分离出直流电压、纯载波及噪声信号三部分；
(3)利用直流电压和光电放大探测器的转换系数推算激光器的瞬时输出功率；
(4)确定纯载波信号的瞬时频率，推算激光器的瞬时输出波长；
(5)由噪声信号确定激光器输出信号的线型和瞬时线宽；
(6)利用上述步骤中得到的瞬时输出功率、瞬时输出波长及线型、瞬时线宽模拟瞬时调谐光谱。
2.根据权利要求1所述的测量半导体激光器调谐瞬时光谱的方法，其特征在于，分离纯载波的方法是重构载波，步骤如下：(1)截取整周期的差拍信号xB(n)，分别取差拍信号每个周期的正、负极值点值，进行线性插值得到信号的上、下包络线eu(n)、el(n)，求其均值m(n)＝(eu(n)+el(n))/2；
(2)判断均值是否为零，若m(n)≠0，令x(n)＝xB(n)-m(n)，重复步骤(1)～(2)，直到满足m(n)＝0的条件为止；此时x(n)是满足单分量信号条件的调幅调频信号；
(3)求x(n)的希尔伯特变换H[x(n)]，构造解析函数 将信号的幅度a(n)对in进行线性拟合,信号的相位 对in进行三阶线性拟合；in为离散的电流值；
(4)利用幅度与相位的电流拟合方程A(i)、 构造载波信号为
3.根据权利要求1所述的测量半导体激光器调谐瞬时光谱的方法，其特征在于，推算激光器的瞬时输出功率的方法是：短时延测量时，参考臂与干涉臂的激光信号完全相干，每一瞬间探测器上探测的差拍信号功率可以替代同时刻的激光器的输出光功率；激光器的瞬时输出功率与接收到的差拍信号的直流电压VB之间的关系为P＝VB/[R(λ)·GT·Fa]，其中R(λ)是探测器的响应度，GT是转换增益，Fa是输出负载电阻决定的比例系数。
4.根据权利要求1所述的测量半导体激光器调谐瞬时光谱的方法，其特征在于，激光器的瞬时输出波长的确定方法是：当时延τ小于1纳秒时，激光器的瞬时输出波长近似为其中f0是在初始时刻激光器输出的光频率值，fB(t)时瞬时差拍频率。
5.根据权利要求1所述的测量半导体激光器调谐瞬时光谱的方法，其特征在于，激光器瞬时调谐光谱的模拟方法是：以瞬时输出波长为瞬时光谱的中心波长，瞬时输出功率为瞬时光谱的中心幅度值，线型是由拟合确定的洛伦兹或高斯线型。
测量半导体激光器瞬时调谐光谱的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种半导体激光器在连续电流调谐状态时的瞬时输出光谱的测量方法。
背景技术
[0002] 激光器在连续电流调谐过程中的瞬时输出光谱是一个以瞬时波长为中心频率、有一定线宽的洛伦兹线型信号，其幅度、中心波长均受电流调谐，是电流的函数，线宽则呈现随机性，在厘米级短光程差相干测量中，谱线线宽与差拍信号中的携带的噪声密切相关。
[0003] 要描述瞬时调谐光谱，需要获知在连续电流调谐过程中的瞬时光功率、光波长、光线宽及线型。虽然可以用光功率计测量激光器的输出光功率，再用光谱仪测量光波长和线宽，但是测量过程繁琐，不仅光谱参数不能同时获得，并且在电流连续调谐时，激光器输出的功率、波长、线宽是瞬变的，光功率计和光谱仪无法满足测量要求。近年来，用光外差方法获得差拍信号，利用时频分析方法可以获知调谐过程中的瞬时线宽，精度高，测量设备结构简单，但是目前没有一个能同时获知输出光功率、线宽、线宽和波长，进而获知半导体激光器瞬时调谐光谱的方法。
发明内容
[0004] 为了解决半导体激光器在连续电流调谐过程中的瞬时光谱测量的技术问题，本发明提供一种同时获知调谐过程中的瞬时输出光功率、光波长及线型、线宽，并利用这些瞬时参数模拟瞬时调谐光谱的测量方法。
[0005] 解决上述技术问题采用如下技术方案：
[0006] 一种测量半导体激光器调谐瞬时光谱的测量方法，该测量方法包括下述步骤：
[0007] (1)经光电放大探测器接收短时延自外差测量系统在锯齿波电流调谐下的激光外差电压信号，送数字示波器存储；
[0008] (2)将获取的激光外差电压信号进行分层，分离出直流电压、纯载波及噪声信号三部分；
[0009] (3)利用直流电压和光电放大探测器的转换系数推算激光器的瞬时输出功率；
[0010] (4)确定载波信号的瞬时频率，推算激光器的瞬时输出波长；
[0011] (5)由噪声信号确定激光器输出信号的线型和瞬时线宽；
[0012] (6)利用上述步骤中得到的瞬时输出功率、顺势输出光波长及线型、瞬时线宽模拟瞬时调谐光谱。
[0013] 分离纯载波的方法是重构载波，步骤如下：
[0014] (1)截取整周期的差拍信号xB(n)，分别取差拍信号每个周期的正、负极值点值，进行线性插值得到信号的上、下包络线eu(n)、el(n)，求其均值m(n)＝(eu(n)+el(n))/2；
[0015] (2)判断均值是否为零，若m(n)≠0，令x(n)＝xB(n)-m(n)，重复步骤(1)～(2)，直到满足m(n)＝0的条件为止；此时x(n)是满足单分量信号条件的调幅调频信号；
[0016] (3)求x(n)的希尔伯特变换H[x(n)]，构造解析函数将信号的幅度a(n)对in进行线性拟合,信号的相位 对in进行三阶线性拟合；in为离散的电流值；
[0017] (4)利用幅度与相位的电流拟合方程A(i)、 构造载波信号为
[0018] 推算激光器的瞬时输出功率的方法是：
[0019] 短时延测量时，参考臂与干涉臂的激光信号完全相干，每一瞬间探测器上探测的差拍信号功率可以替代同时刻的激光器的输出光功率；激光器的瞬时功率与接收到的差拍信号的直流电压VB之间的关系为P＝VB/[R(λ)·GT·Fa]，其中R(λ)是探测器的响应度，GT是转换增益，Fa是输出负载电阻决定的比例系数。
[0020] 激光器的瞬时波长的确定方法是：当时延τ小于1纳秒时，激光器输出波长近似为其中f0是在初始时刻激光器输出的光频率值，fB(t)时瞬时差拍频率。
[0021] 激光器瞬时调谐光谱的模拟方法是：以瞬时输出波长为瞬时光谱的中心波长，瞬时输出功率为瞬时光谱的中心幅度值，线型是由拟合确定的洛伦兹或高斯线型。
[0022] 本发明所公开的这种测量方法，能够同时获知调谐过程中的瞬时输出光功率、光波长及线型、线宽，并利用这些瞬时参数模拟瞬时调谐光谱，实现对其进行精准测量的目的，方法简单可靠，准确率高。
附图说明
[0023] 图1是本发明的流程图。
[0024] 图2是短时延自外差测量系统原理图。
[0025] 图3是光外差信号图。
[0026] 图4是分解出的直流电压图。
[0027] 图5是构造的纯载波信号图。
[0028] 图6是噪声信号图。
[0029] 图7是瞬时功率曲线图。
[0030] 图8是瞬时波长曲线图。
[0031] 图9是归一化的时变功率谱。
[0032] 图10是80mA时的谱线拟合和线宽。
[0033] 图11是瞬时线宽曲线图。
[0034] 图12是79.5～80mA时的瞬时调谐光谱。
[0035] 图13是79.5～80mA时的平面模谱。
具体实施方式
[0036] 下面结合实施例和附图对本发明的半导体激光器在连续电流调谐状态时的瞬时输出光谱的测量方法给出详细说明。
[0037] 半导体激光器在连续电流调谐状态时的瞬时输出光谱的测量方法流程如图1所示，首先采集图2所示的短时延自外差测量系统在加入锯齿波调谐电流时的激光外差电压信号。获取激光外差电压信号后，进行分层处理，将差拍信号分成直流电压、纯载波信号和噪声三部分。
[0038] 纯载波信号是通过构造来实现的，构造过程如下：
[0039] 1)截取整周期的差拍信号xB(n)，分别取差拍信号每个周期的正、负极值点值，进行线性插值，即是信号的上、下包络线(Upper and lower envelope)eu(n)、el(n)，求其均值(median)m(n)＝(eu(n)+el(n))/2；
[0040] 2)判断均值是否为零，若m(n)≠0，令x(n)＝xB(n)-m(n)，重复步骤1)～2)，直到满足m(n)＝0的条件为止。此时x(n)是关于零轴对称，且正、负极值点个数相差不大于1，即是满足单分量信号条件的调幅调频信号；
[0041] 3)求x(n)的希尔伯特变换H[x(n)]，构造解析函数：
[0042]
[0043] 可以得到信号的幅度a(n)相位 将a(n)对in进行线性拟合， 对in进行3阶线性拟合；
[0044] 4)差拍载波信号为 其中A(i)、 分别为幅度与相位的电流拟合方程，此时差拍载波为单分量信号，每个时刻有唯一的频率值。
[0045] 差拍信号及其直流电压如图3-4所示，纯载波及噪声信号如图5-6所示。
[0046] 短时延测量时，参考臂与干涉臂的激光信号完全相干，每一瞬间探测器上探测的差拍信号功率可以替代同时刻的激光器的输出光功率。激光器的瞬时功率与接收到的差拍信号的直流电压VB之间的关系为P＝VB/[R(λ)·GT·Fa]，其中R(λ)是探测器的响应度，GT是转换增益，Fa是输出负载电阻决定的比例系数。本例中，光电探测放大器采用PDA10CS-EC时，依据使用手册计算出的激光器瞬时功率如图7，输出光功率变化范围是5.16～10.6mW，与激光器的静态功率相符。
[0047] 波长的计算是先要确定差拍频率，纯载波信号的频率是 当时延τ小于1纳秒时，激光器输出波长近似为 其中f0是在初始时刻激光器输出的光
频率值，瞬时波长如图8所示。
[0048] 利用差拍信号的噪声进行时频分析，确定激光器输出光归一化时变功率谱线如图9所示，为了确定线型，在每个时刻，用洛伦兹曲线或高斯曲线进行拟合，相关系数接近于1的，即为激光器的线型，本例中，洛伦兹拟合的相关系数更大，80mA处的谱线及其洛伦兹拟合如图10所示，瞬时线宽为918KHz，光谱分布与洛伦兹函数的相关系数是0.95。
[0049] 全部拟合并确定的激光器的线宽变化范围是852.55～954.95KHz，如图11所示。
[0050] 由此，激光器的瞬时功率、瞬时波长及瞬时线宽和线型确定后，可进行瞬时光谱的模拟，以瞬时波长为瞬时光谱的中心波长，瞬时功率为瞬时光谱的中心幅度值，线型是洛伦兹线型，谱宽为瞬时线宽。本例中，给出79.5～80mA的模拟结果如图12所示，图13是其平面模谱。
