一种基于噪声调制外腔反馈LD的短相干光源及干涉仪

1.一种基于噪声调制外腔反馈LD的短相干光源，其特征在于，包括噪声源（1）、第一高频射频线（2-1）、第二高频射频线（2-2）、直流驱动电源（3）、第一导线（4）、射频偏置器（5）、TCM（6）、第二导线（7）、半导体激光器（8）、外腔反射镜（9）、半波片（10）、光纤耦合器（11），搭建步骤如下：步骤1、噪声源（1）和直流驱动电源（3）分别通过第一高频射频线（2-1）和第一导线（4）对应连接到射频偏置器（5）的射频输入端和直流输入端，射频偏置器（5）的输出端通过第二高频射频线（2-2）连接到半导体激光器（8），TCM（6）通过第二导线（7）与半导体激光器（8）连接；外腔反射镜（9）、半波片（10）、光纤耦合器（11）共光轴依次放置在半导体激光器（8）的输出光路上，光纤耦合器（11）和保偏光纤连接，转入步骤2；步骤2、根据TCM（6）实时读取半导体激光器（8）的温度，通过TCM（6）控制半导体激光器（8）的TEC，使得半导体激光器（8）维持在25±0.002 °C，转入步骤3；步骤3、开启直流驱动电源（3），直流驱动电源（3）通过射频偏置器（5）为半导体激光器（8）提供直流供电电流，转入步骤4；步骤4、调节外腔反射镜（9）的俯仰、倾斜，为半导体激光器（8）提供光反馈，形成外腔激光，其反馈强度随外腔反射镜（9）的反射耦合系数改变，转入步骤5；步骤5、噪声源（1）输出高强度、宽频谱度的噪声，与直流驱动电流通过射频偏置器（5）共同注入半导体激光器（8），使得半导体激光器（8）输出的激光光谱发生调制展宽，实现短相干光源效果，转入步骤6；步骤6、通过旋转半波片（10）使被调制的外腔激光与光纤耦合器（11）进行慢轴对准，再耦合进保偏光纤输出。 2.根据权利要求1所述的一种基于噪声调制外腔反馈LD的短相干光源，其特征在于：半导体激光器（8）为增益芯片输出端镀增透减反膜的蝶形法布里珀罗激光器，其反射率低于0.5%、输出中心波长为630 nm，输出光谱线宽为0.1 nm。 3.根据权利要求2所述一种基于噪声调制外腔反馈LD的短相干光源，其特征在于：外腔反射镜（9）为熔石英材质的楔板或平板，反射镜无需镀膜处理，具有200 nm至2.2 µm范围的宽反射波段和4%的单面反射率。 4.根据权利要求3所述的一种基于噪声调制外腔反馈LD的短相干光源，其特征在于：半波片（10）使用零级波片，其中心波长630 nm，波片镀增透减反膜，以减少色散和回光影响。 5.根据权利要求4所述的一种基于噪声调制外腔反馈LD的短相干光源，其特征在于：在射频偏置器（5）中叠加噪声信号和驱动直流信号，噪声信号的功率为30.5 dBm，频率带宽为10 GHz，驱动直流信号的偏置电流为85 mA，利用噪声电流直接调制半导体激光器（8）；根据多光束干涉理论，半导体激光器（8）的内腔增益谱 表示为： ，式中，R 1 为半导体激光器（8）的高反射端反射率，R 2 为半导体激光器（8）的低反射端反射率，v为光频率，内腔的纵模间隔Δv q1 = c / (2nL)，c为光速，n为谐振腔的折射率，L为腔长；v c (t)为激光的中心频率，随噪声电流线性变化，v c (t) = v 0 [1 + M N(t)]，v 0 为偏置直流处的中心频率，M为噪声功率的频率响应系数，N(t)为归一化噪声；S(v,t)为LD的单通增益谱；S(v,t)表示为： ，式中，增益谱的中心频率v m (t) = v 0 [1 + m M N(t)]，随噪声电流线性变化，m为噪声功率的增益响应系数，Δv为增益谱的半高宽；S为单通增益的最大值，S = S 0 exp [- (S -1) P out / (S P sat )]，其中S 0 为小信号增益，P out 为输出功率，P sat 为饱和功率；达到饱和功率时，单通增益随输出功率的增大而减小。 6.根据权利要求5所述的一种基于噪声调制外腔反馈LD的短相干光源，其特征在于：短相干光源的外腔增益谱 表示为： ，式中，R 3 为外腔反射镜（9）的反射率，Δv q2 为外腔激光的纵模间隔， 为外腔的反射耦合系数。 7.根据权利要求6所述的一种基于噪声调制外腔反馈LD的短相干光源，其特征在于：短相干光源输出的组合增益谱 是半导体激光器（8）增益谱与外腔增益谱的乘积在光谱探测时间T内的积分，如下： ，短相干光源的复相干度 是其光谱分布的傅里叶逆变换，如下： ，式中，两束干涉光之间的时间延迟τ = ∆ OPD / c，光程差∆ OPD = 2h，其中h为两干涉臂之间的长度差；j表示虚部；假设两束光具有相同强度I 0 ，则干涉条纹强度I(h)表示为： ，其中，Δφ为附加相位，|γ|为复相干度的模，在干涉测量中，|γ|通过随光程差变化的对比度测得；由上式可知，频谱的高频分量会导致相干旁瓣；在噪声源（1）的高速调制下，半导体激光器（8）输出的光频谱被调制得越连续，其相干旁瓣抑制比越高。 8.一种应用基于噪声调制外腔反馈LD的短相干光源的正交偏振系统（12），其特征在于：包括保偏光纤分束器（16）、光纤可调衰减器（17）、光纤延迟线（19）、保偏光纤合束器（18）以及如权利要求1~7中任意一项所述的短相干光源；短相干光源通过第一保偏法兰（15-1）连接到正交偏振系统（12），输出的短相干光经过保偏光纤进入保偏光纤分束器（16），分出参考光P光经由光纤可调衰减器（17）进入保偏光纤合束器（18）的1端口，测试光S光经由光纤延迟线（19）进入保偏光纤合束器（18）的2端口，参考光和测试光经保偏光纤合束器（18）合束后由3端口通过保偏光纤输出成为一束正交偏振光；系统间各个器件通过保偏光纤进行连接；通过控制光纤延迟线（19）补偿参考光和测试光间光程差，实现光程匹配；使用光纤可调衰减器（17）调节两正交偏振光间光强差，实现光强匹配，以获取清晰、稳定的干涉条纹。 9.一种应用基于噪声调制外腔反馈LD的短相干光源的干涉仪（13），其特征在于：包括如权利要求1～7中任意一项所述的短相干光源和权利要求8中的正交偏振系统(12)，以及准直镜（20）、偏振分光镜（21）、第一1/4波片（22-1）、第二1/4波片（22-2）、第三1/4波片（22-3）、标准镜（23）、偏振相机（24）、被测镜（14）；相较于仅使用噪声电流调制的短相干光源干涉仪，加入外腔反馈的短相干光源干涉仪完全抑制了内腔导致的相干旁瓣，而外腔的引入也带来了外腔相干旁瓣峰的影响，当被测镜厚度与外腔旁瓣峰位置相匹配时，通过控制外腔腔长，自由控制外腔引起的相干旁瓣，解决了相干旁瓣导致的杂散条纹串扰问题，提升了干涉测量精度。 10.根据权利要求9所述的基于噪声调制外腔反馈LD的短相干光源的干涉仪，其特征在于：短相干光源由正交偏振系统（12）实现极大范围的自由光程差，以及精度可达3μm的扫描分辨率，以满足干涉仪在不同腔长下测量的需求。