高穩頻微弱激光量子源測量標定技術研究

周志剛,王加朋,杜繼東,白巖林,高振威,楊海生

(1.北京振興計量測試研究所,北京 100074;2.火箭軍裝備部駐北京地區第六軍事代表室,北京 100074)

1 引言

激光雷達為對中高層大氣參數(溫度、壓力、密度、風場)進行測量的重要技術手段[1-3]。在激光雷達探測大氣回波信號的過程中,天空背景光引入噪聲,光電探測器存在暗電流噪聲,光子計數產生泊松噪聲,上述噪聲共同引入探測光子數的測量不確定度[4,5]。探測光子數的測量不確定度決定激光雷達探測效率的不確定度。

激光雷達接收的信號為中高層大氣的散射或熒光回波信號與天空背景光的復合信號,這一復合信號的強度難以被定量化測量,因此難以對激光雷達接收與探測系統的探測不確定度進行定量分析[6,7]。另一方面,光子計數器為激光雷達接收與探測系統中的關鍵測試設備[8-10]。然而目前國內研制的激光雷達所采用的光子計數器量子效率等指標取信光子計數器生產廠家的出廠測試報告,缺乏對于光子計數器量子效率等指標的定標測試。上述問題表明激光雷達探測系統需求穩定的定標單光子源,通過輸出波長及功率可量化溯源的微弱光量子信號,實現對探測系統的測量不確定度進行分析,以及對激光雷達接收與探測系統進行性能評估的目標。

綜上所述,本課題組針對上述需求,設計并研制了一種高穩頻微弱激光量子源。該光量子源輸出可定量化精確測量波長與功率的光量子級別微弱信號,以實現對激光雷達探測系統的量化分析。該光量子源輸出的平均光子數覆蓋103s-1量級至1011s-1量級,平均光子數在106s-1量級及以上時光強穩定度優于0.5 %。該光量子源輸出的平均光子數最低達910 光子數每秒,能夠實現對激光雷達探測系統的測量不確定度進行分析,以及對探測系統性能進行評估的目標。

2 實驗方案設計

該高穩頻微弱激光量子源的組成如圖1 所示。該激光量子源由激光光源、空間光衰減系統、光纖衰減系統、激光功率計與光電探測器組成。其中激光光源、空間光衰減系統與光纖衰減系統共同組成激光量子信號輸出系統;激光功率計與光電探測器組成激光量子信號監測系統。對輸出激光功率進行實時監測。

圖1 高穩頻微弱激光量子源組成示意圖Fig.1 Scheme diagram of the composition of the high level frequency stabilized quantum laser source

根據圖1 所示內容,基于激光量子信號輸出系統與激光量子信號監測系統兩方面內容,對具體的設計結構進行描述。

2.1 激光量子信號輸出系統

激光量子信號輸出系統由激光光源,空間光衰減系統及光纖衰減系統組成。

1)激光光源為倍頻Nd:YAG 連續激光器,輸出532 nm 波長的連續激光。激光光源的波長被鎖定至碘原子的吸收峰(波數18 787.8 cm-1)處,以配合激光雷達接收系統的前置濾光光路。

2)空間光衰減系統由一組偏振元器件組成,用于對激光功率進行精確調節。根據馬呂斯定律,激光輸出功率與偏振元器件之間的關系由式(1)決定:

式中:η1,η2——偏振元器件1 對激光的最大透過率,以及偏振元器件2 對激光的最大透過率;P0——入射至空間光衰減系統前的激光功率。

通過調整偏振元器件偏振方向之間的夾角θ調諧激光的輸出功率P。

3)光纖衰減系統由光纖衰減器組成,采用空間濾波的方式對激光功率進行粗略調諧。

2.2 激光量子信號監測系統

激光量子信號監測系統由激光功率計及光電探測器組成。激光信號通過光纖分束器分成衰減路信號與監測路信號,衰減路信號用于輸出,監測路信號用于監測。激光功率計用于監測未經過衰減系統的激光功率,光電探測器用于監測經過衰減系統衰減后的激光功率。激光量子信號輸出系統衰減系統及監測系統均被安裝至機械結構內部,形成一套完整的高穩頻微弱激光量子源。

3 測量結果及分析

3.1 光量子信號波長及線寬測量結果

激光量子源輸出光量子信號的波長與線寬均采用波長計進行測量,波長計由專業計量機構進行標定,標定結果表現為測量波長與實際波長之間的測量偏差,根據這一偏差對波長進行修正。經過修正后的波長測量結果如圖2 所示。

圖2 激光量子信號波長測試結果圖Fig.2 Results of laser quantum signal wavelength

圖2 中,激光量子源輸出光量子信號的波長均值位于532.269 nm,對應波數為18 787.7 cm-1,與鎖定的碘原子譜線波數基本一致,表明輸出激光具備良好的穩頻特性。

光量子信號線寬測量結果如圖3 所示。測量結果表明激光量子源輸出光量子信號線寬優于0.013 nm,輸出光量子信號具有pm 量級的窄線寬,具備良好的窄線寬特性。

圖3 激光量子信號線寬測試結果圖Fig.3 Results of laser quantum signal linewidth

3.2 光量子信號強度測量結果

激光量子源輸出的光量子信號功率能夠覆蓋fW 量級至nW 量級。其中pW 量級以上的激光功率可采用制冷單片探測器直接測量,測量結果如圖4 所示。

圖4 制冷單片探測器測量輸出激光功率結果圖Fig.4 Output results of laser power measured by monolithic detector

如圖所示,制冷單片探測器測量得到的激光功率最高達到7.93×10-8W,即79.3 nW;最低達到1.41×10-13W,即141 fW。該結果表明本論文研制的量化分析裝置能夠輸出100 fW 量級的微弱信號激光。

激光功率P與平均光子數n之間的關系如式(2)所示:

式中:h——普朗克常數;c——光速;λ——激光波長。

根據式(2)可以計算得到制冷單片探測器測量得到的平均光子數位于(3.8×105～2.1×1011)s-1范圍內。對應141 fW 的激光功率,平均光子數為3.8×105s-1。該結果表明制冷單片探測器的測量范圍已經能夠滿足光子計數器的測量需求。

基于制冷單片探測器測量得到的微弱激光信號光強穩定度如表1 所示。對應平均光子數(2.1×1011～3.5×106)s-1,采用計算平均光子數的相對標準偏差方式計算得到微弱激光信號光強穩定度。

表1 制冷單片探測器測量光強穩定度Tab.1 Stability of output laser intensity measured by monolithic detector

表1 中,當平均光子數位于107量級時,微弱激光信號強度穩定度優于0.5 %。當平均光子數位于106量級時,測量得到的光強穩定度優于1.7 %。

為了驗證這一光強穩定度的變化情況是否由測量過程引起,本論文采用光子計數器對平均光子數106量級及以下的光強進行了測量。該量級的輸出激光平均光子數可由光子計數器直接測量得到,測量結果如圖5 所示。光子計數器測量得到的系統輸出平均光子數最高達到3.3×106s-1,最低達到9.1×102s-1,相當于平均每秒鐘輸出910 個光子。上述測試結果表明本量化分析裝置具備輸出平均光子數低于1 000 s-1光量子信號能力。

圖5 光子計數器測量平均光子數結果圖Fig.5 Output results of average photon numbers measured by single-photon counter

基于光子計數器測量得到的微弱激光信號光強穩定度如表2 所示。對應從3.3×106s-1至1.8×104s-1的平均光子數,采用相對標準偏差方式計算得到光強穩定度。如表2 所示,平均光子數在105量級時,光強穩定度優于0.6 %,平均光子數在104量級時,光強穩定度優于13.183 %。

表2 光子計數器測量光強穩定度Tab.2 Stability of output laser intensity measured by single-photon counter

4 結束語

設計研制了一種輸出激光波長穩定、輸出平均光子數覆蓋1011s-1量級至103s-1量級可調諧的高穩頻微弱激光量子源。該光量子源輸出的微弱信號光波長穩定于532.269 nm,功率覆蓋79.3 nW 至0.34 fW 范圍,輸出平均光子數覆蓋1011s-1量級至103s-1量級并且可連續調諧。該光量子源輸出的微弱信號光平均光子數位于106量級時光強穩定度優于0.5 %,位于105量級時光強穩定度優于0.6 %。上述輸出結果表明高穩頻微弱激光量子源能夠實現波長穩定、調諧范圍寬、輸出光強穩定的光量子級別微弱信號光輸出,對激光雷達系統的探測不確定度分析與性能評估等方面的應用具有重大意義。