基于LabVIEW的飞秒激光测距光源稳定性评价

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3.1
结果与分析
a 全光纤锁模激光器原理
实验结果 用 计数器对激光源进行频率的连续测量结果 如图 3 所示.分别以 100 μs， 1 ms， 10 ms， 100 ms， 1 s， 10 s 等门宽进行 数 据 采 集 ， 使 用 main allen.vi 分 别进行艾伦方差计算，并根据计算结果绘制 曲线 （图 4）. 采用严格的等间距连续测量， 紧扣艾伦方差定 义， 所得曲线走势与其他文献相符， 此结果为准确 结果.
收稿日期： 2012-06-27 个人简介： 田昊晨 （1991— ） ， 男， 本科生， 主要从事电子科学与技术 （光电子方向 ） 的研究. * 通信联系人 ： 宋 有建 （1981 —）， 副 研究 员 ， 主要从事 飞秒 激 光 源 长 时 间 稳 定性 研究 ，(电子信箱 ) yjsong@tju.edu.cn.
摘
珏，梁
飞，宋有建 *
（天津大学 精密仪器与光电子工程学院， 天津 300072 ） 要： 为了评价飞秒激光测距光源的稳定性， 采用高速频率计对飞秒激光测距系统激光源的重复频率进行数
据采集， 通过 LabVIEW 编程计算艾伦方差， 分析得出相位噪声与随机游走噪声对激光器重复频率稳定性的影响 最为明显. 关键词： LabVIEW； 激光测距； 艾伦方差； 飞秒激光 中图分类号： TM935 文献标志码： A
飞秒(1 fs=1×10-15 s)激光是 20 世纪 80 年代初出 现的一门新兴科学技术， 经过 30 多年的发展， 其应 用已涉及各个领域. 飞秒激光由于具有超短脉冲宽 度、 高单脉冲能量、 高重复频率、 优良输出性能、 优异 的空间模式和卓越的功率稳定性，在激光精细微加 非线性光学、 激光光谱学、 生物医学、 场强光学以 工、 及凝聚态物理学等领域有着广泛的应用. 超快激光 利用相位 测距系统 [1]是通过对脉冲的发射与接收， 锁定和相位差的计算得出距离结果.其中， 光脉冲飞 行时间的测量是绝对距离计量最直接的手段. 但是 基于传统的脉冲光源或微波信号源，其脉冲宽度在 纳秒量级甚至更宽， 测量的分辨率仅为几百微米， 远 远不能达到卫星编制等应用的要求 . 而锁模激光器 可以输出飞秒量级的超短激光脉冲，可以极大地提 [2] 高距离测量的分辨率.艾伦方差 （Allen variance ） 是 目前对频率时域稳定性最好的评价方法 . 早期在定 量表征频率稳定度时也是采用经典方差计算， 1966 年美国国家标准局的 Allan 博士在测量和分析铯原 子钟的频率稳定度时，发现经典的方差计算方法已 经不适用， 提出了一种新的计算方法， 即艾伦方差. 飞秒激光器的重复频率稳定性是决定测距精度 本文专注于飞秒激光源重复频 最关键的因素.因此， 率稳定性的测量与评价，将艾伦方差的应用范围不 仅仅局限于原子钟，而且推广到飞秒激光器脉冲频 率稳定性的评价，对引起飞秒激光器重复频率噪声
(College of Precision Instrument and Opto-electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China) Abstract:In order to evaluate the light source stability of femtosecond lasers distance measurement, the system collects the repeat frequency data of the light source using frequency meter, Allan Variance is calculated through LabVIEW program. The analysis shows that the key factors to the laser repetition frequency stability is phase modulation and random walk frequency modulation. Key words： LabVIEW; distance measurement through femtosecond lasers; Allan variance; femtosecond lasers
宁 夏 工 程 技 术
第 11 卷
数坐标下， 第 1 段 0.000 1~0.08 s 为下降趋势， 斜 由文献 [5] 可得出此部分受到相 率是 -1.64~-1.11， 位噪声的影响； 第 2 段 0.08~10 s 为上升趋势， 斜率 同样参照文献 [5] 可得出此部分受到 是 0.53~1.33， 随机游走噪声的影响 . 在 0.08~0.1 s 出现了不符合 理论的异常极值， 这是实验中不可避免的.
[2]
[3] [4]
[5]
LabVIEW based stability evaluation for femtosecond laser light source on distance measurement
TIAN Haochen, NAN Jue, LIANG Fei, SONG Youjian*
艾伦方差 /dB
4
0.001 0.01 0.1 1 10
结论
门宽 τ/s
图 ４ 艾伦ຫໍສະໝຸດ Baidu差结果曲线
艾伦方差与不同类型噪声的关系 （1 ） 白噪声调相 （white phase modulation， 简称 WPM ） : 由自发辐射引起的随机相位 (t) 称为激光 器的相位噪声， 当这种随机相位 (t) 的分布满足均 匀分布时， 称为白相位噪声 . （2 ）闪 烁 噪 声 调 相 （flicker phase modulation ， 简称 FPM） : 闪烁噪声又称 1/ f 噪声， 由被测体系的 电流 、 电压引起的信号相位的偏离称为闪烁相位 噪声 . （3 ）白 噪 声 调 频 （white frequency modulation， ） ： 由反射镜抖动 、 激光器腔长的改变引 简称 WFM 起的激光器输出频率的偏差， 当这种偏差的分布满 足均匀分布时， 称为白频率噪声. （4 ） 闪烁噪声调频 （flicker frequency modulation， ） ： 由被测体系的电流 、 电压引起的信号频率 简称FFM 的偏离称为闪烁频率噪声. （5 ） 随机游走噪声调频 （random walk frequency 简称 RWFM） ： 由反射镜抖动 、 腔长改变 modulation， 引起的激光器输出频率的偏差，在长时间的积累 后， 影响显著增大， 与时间成一次线性关系[4]. 3.2 3.3 噪声分析与讨论 图 4 中的曲线走势大概可分为两段，在双对
[1] LEE J, KIM Y J, LEE K, et al.Time of flight easurement with femtosecond light pulses[J].Nature Photonics, 2010(4): 716-720. FOREMAN S M, HOLMAN K W, HUDSON D D,et al. Remote transfer of ultrastable frequency references via fiber networks[J].Review of Scientific Instruments,2007,78(2): 1-25. 石明威， 刘博文， 王思佳， 等.输出大啁啾脉冲的展宽脉冲 锁模光纤激光器[J].中国激光， 2012 （2 ） ： 1-4. 欧阳春梅， 柴路， 宋有建， 等.基于全固态掺镱光子带隙光 纤的被动锁模全光纤环形弧子激光器[J].中国激光， 2008 （5） ： 647-650. WIKIPEDIA.Allen variance[EB/OL].[2012-07-02].http:// en.wikipedia.org/wiki/Allan_variance.
第3期
基于 LabVIEW 的飞秒激光测距光源稳定性评价 田昊晨等：
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SMF2，高掺杂的掺镱单模光纤以及 NPR 和色散补 SMF1 为 0.8 m， SMF2 为 偿构成的空间光路. 其中， 4 m， 增益光纤为 0.4 m.偏振无关隔离器 （ ISO ） 保证了 环形腔内脉冲的单向传输， 其中心波长为 1 040 nm， 尾 纤 长 度 包 含 在 SMF2 内 . 由 四 分 之 一 波 片 （QWP ） 、 二分之一波片 （HWP） 和偏振分束器 （PBS ） 构成的偏振选择器件与单模光纤中产生的非线性 效应自相位调制 （SPM ） 和两个正交偏振态之间的 ） 作用形成的偏振强度相关， 共 交叉相位调制 （XPM 同形成 NPR 作用，其中 PBS 导出端作为激光器输 出， 用于监视激光器状态和测量相关参数.激光器的 重复频率为 56.934 2 MHz， 脉冲宽度为 2 ps， 脉冲序 [3] 列如图 1 b 所示.
2
2.1
光源稳定性的测量方法
Agilent 532XX Series Acquire Frequency.vi 安装 Agilent 提供的 LabVIEW 驱动后， 函数选 板中增加了用于仪器测量的 vi，此 vi 是用于对计 数器测得频率的实时读取. 2.2 DDE 读 Excel 文件.vi 用于对 Excel 表格中数据的读取，在打开相应 的 Excel 文件后， LabVIEW 中的 DDE 动态数 据交 换机制可对其进行读取. 2.3 main allen.vi 分别采用门宽为 100 μs， 1 ms， 10 ms， 100 ms， 1 s， 10 s 等进行频率测量，分别计算各个采样门宽时的艾 伦方差， 程序如图 2 所示.
b 脉冲序列
图 1 全光纤锁模激光器
f /Hz
t/s
图 3 激光源频率波动
图 2 main allen.vi
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1×10-9 1×10-10 1×10-11 1×10-12 1×10-13 1×10-14 1×10-15 1×10-16 1×10-17 1×10-19 1×10-20 1×10-21 0.000 01 0.000 1
在计数器门宽取不同值时， 5 种噪声对信号的 影响程度不相同： （1 ） 门宽在 0.000 1~0.01 s 时， 相位噪声对艾伦 方差的影响非常明显 . 此噪声主要由高频信号的引 入引起， 其影响的频率范围较大， 是激光源的主要 噪声之一. （2 ） 门宽在 0.01~0.1 s 时， 频率噪声对艾伦方 差的影响非常明显 . 此噪声主要由中高频信号的引 入引起， 其影响范围较小， 并非激光源的主要噪声 . （3 ） 当门宽大于 1 s 后， 随机游走噪声对艾伦方 差的影响非常明显 . 此噪声主要由低频信号的引入 引起， 其影响的频率范围较大， 是激光源的主要噪 声之一. 参考文献 :
的关键因素进行深入地了解. 这一工作为飞秒激光 器重复频率的主动锁定打下了坚实的基础 . 下一步 的工作将飞秒激光器的重复频率通过锁相系统参考 至射频频率标准，从而为飞秒激光测距与光学采样 等应用提供精密的时钟信号源.
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1.1
仪器和软件介绍
LabVIEW 简介 LabVIEW 是一种程序开发环境， 由美国国家仪 器 （NI ） 公司研制开发， 类似于 C 和 BASIC 的开发环 其他 境.LabVIEW 与其他计算机语言的显著区别是： 计算机语言采用基于文本的语言产生代码， 而 LabVIEW 用图形化编辑语言 G 语言编写程序， 产生 框图形式的程序. 1.2 Agilent 53220A 通用频率计数器/定时器 频率计数器用于在研发中完成最快的和最精确 的频率和时间间隔测量， Agilent 公司的 53220A 通 用频率计数器/定时器可提供 12 位每秒的单次频率 分辨率，单次时间间隔测量可分辨 2 ps 的时间， 本 系统采用此计数器对激光源进行频率测量. 1.3 全光纤锁模激光器简介 全光纤锁模激光器的原理如图 1 a 所示， 该激 光器采用光栅对作为色散补偿器件， 使得激光器工 作在零色散点附近呼吸孤子锁模域 . 谐振腔主要由 3 个部分构成： HI 1060 型 单 模 光 纤 SMF1 和
第 11 卷 第 3 期 2012 年 9 月
宁 夏 工 程 技 术 Ningxia Engineering Technology
Vol．11 No．3 Sep． 2012
文章编号： 1671－7244 （2012 ） 03－0240－03
基于 LabVIEW 的飞秒激光测距光源 稳定性评价
田昊晨，南