高稳频微弱激光量子源测量标定技术研究

周志刚,王加朋,杜继东,白岩林,高振威,杨海生

(1.北京振兴计量测试研究所,北京 100074;2.火箭军装备部驻北京地区第六军事代表室,北京 100074)

1 引言

激光雷达为对中高层大气参数(温度、压力、密度、风场)进行测量的重要技术手段[1-3]。在激光雷达探测大气回波信号的过程中,天空背景光引入噪声,光电探测器存在暗电流噪声,光子计数产生泊松噪声,上述噪声共同引入探测光子数的测量不确定度[4,5]。探测光子数的测量不确定度决定激光雷达探测效率的不确定度。

激光雷达接收的信号为中高层大气的散射或荧光回波信号与天空背景光的复合信号,这一复合信号的强度难以被定量化测量,因此难以对激光雷达接收与探测系统的探测不确定度进行定量分析[6,7]。另一方面,光子计数器为激光雷达接收与探测系统中的关键测试设备[8-10]。然而目前国内研制的激光雷达所采用的光子计数器量子效率等指标取信光子计数器生产厂家的出厂测试报告,缺乏对于光子计数器量子效率等指标的定标测试。上述问题表明激光雷达探测系统需求稳定的定标单光子源,通过输出波长及功率可量化溯源的微弱光量子信号,实现对探测系统的测量不确定度进行分析,以及对激光雷达接收与探测系统进行性能评估的目标。

综上所述,本课题组针对上述需求,设计并研制了一种高稳频微弱激光量子源。该光量子源输出可定量化精确测量波长与功率的光量子级别微弱信号,以实现对激光雷达探测系统的量化分析。该光量子源输出的平均光子数覆盖103s-1量级至1011s-1量级,平均光子数在106s-1量级及以上时光强稳定度优于0.5 %。该光量子源输出的平均光子数最低达910 光子数每秒,能够实现对激光雷达探测系统的测量不确定度进行分析,以及对探测系统性能进行评估的目标。

2 实验方案设计

该高稳频微弱激光量子源的组成如图1 所示。该激光量子源由激光光源、空间光衰减系统、光纤衰减系统、激光功率计与光电探测器组成。其中激光光源、空间光衰减系统与光纤衰减系统共同组成激光量子信号输出系统;激光功率计与光电探测器组成激光量子信号监测系统。对输出激光功率进行实时监测。

图1 高稳频微弱激光量子源组成示意图Fig.1 Scheme diagram of the composition of the high level frequency stabilized quantum laser source

根据图1 所示内容,基于激光量子信号输出系统与激光量子信号监测系统两方面内容,对具体的设计结构进行描述。

2.1 激光量子信号输出系统

激光量子信号输出系统由激光光源,空间光衰减系统及光纤衰减系统组成。

1)激光光源为倍频Nd:YAG 连续激光器,输出532 nm 波长的连续激光。激光光源的波长被锁定至碘原子的吸收峰(波数18 787.8 cm-1)处,以配合激光雷达接收系统的前置滤光光路。

2)空间光衰减系统由一组偏振元器件组成,用于对激光功率进行精确调节。根据马吕斯定律,激光输出功率与偏振元器件之间的关系由式(1)决定:

式中:η1,η2——偏振元器件1 对激光的最大透过率,以及偏振元器件2 对激光的最大透过率;P0——入射至空间光衰减系统前的激光功率。

通过调整偏振元器件偏振方向之间的夹角θ调谐激光的输出功率P。

3)光纤衰减系统由光纤衰减器组成,采用空间滤波的方式对激光功率进行粗略调谐。

2.2 激光量子信号监测系统

激光量子信号监测系统由激光功率计及光电探测器组成。激光信号通过光纤分束器分成衰减路信号与监测路信号,衰减路信号用于输出,监测路信号用于监测。激光功率计用于监测未经过衰减系统的激光功率,光电探测器用于监测经过衰减系统衰减后的激光功率。激光量子信号输出系统衰减系统及监测系统均被安装至机械结构内部,形成一套完整的高稳频微弱激光量子源。

3 测量结果及分析

3.1 光量子信号波长及线宽测量结果

激光量子源输出光量子信号的波长与线宽均采用波长计进行测量,波长计由专业计量机构进行标定,标定结果表现为测量波长与实际波长之间的测量偏差,根据这一偏差对波长进行修正。经过修正后的波长测量结果如图2 所示。

图2 激光量子信号波长测试结果图Fig.2 Results of laser quantum signal wavelength

图2 中,激光量子源输出光量子信号的波长均值位于532.269 nm,对应波数为18 787.7 cm-1,与锁定的碘原子谱线波数基本一致,表明输出激光具备良好的稳频特性。

光量子信号线宽测量结果如图3 所示。测量结果表明激光量子源输出光量子信号线宽优于0.013 nm,输出光量子信号具有pm 量级的窄线宽,具备良好的窄线宽特性。

图3 激光量子信号线宽测试结果图Fig.3 Results of laser quantum signal linewidth

3.2 光量子信号强度测量结果

激光量子源输出的光量子信号功率能够覆盖fW 量级至nW 量级。其中pW 量级以上的激光功率可采用制冷单片探测器直接测量,测量结果如图4 所示。

图4 制冷单片探测器测量输出激光功率结果图Fig.4 Output results of laser power measured by monolithic detector

如图所示,制冷单片探测器测量得到的激光功率最高达到7.93×10-8W,即79.3 nW;最低达到1.41×10-13W,即141 fW。该结果表明本论文研制的量化分析装置能够输出100 fW 量级的微弱信号激光。

激光功率P与平均光子数n之间的关系如式(2)所示:

式中:h——普朗克常数;c——光速;λ——激光波长。

根据式(2)可以计算得到制冷单片探测器测量得到的平均光子数位于(3.8×105～2.1×1011)s-1范围内。对应141 fW 的激光功率,平均光子数为3.8×105s-1。该结果表明制冷单片探测器的测量范围已经能够满足光子计数器的测量需求。

基于制冷单片探测器测量得到的微弱激光信号光强稳定度如表1 所示。对应平均光子数(2.1×1011～3.5×106)s-1,采用计算平均光子数的相对标准偏差方式计算得到微弱激光信号光强稳定度。

表1 制冷单片探测器测量光强稳定度Tab.1 Stability of output laser intensity measured by monolithic detector

表1 中,当平均光子数位于107量级时,微弱激光信号强度稳定度优于0.5 %。当平均光子数位于106量级时,测量得到的光强稳定度优于1.7 %。

为了验证这一光强稳定度的变化情况是否由测量过程引起,本论文采用光子计数器对平均光子数106量级及以下的光强进行了测量。该量级的输出激光平均光子数可由光子计数器直接测量得到,测量结果如图5 所示。光子计数器测量得到的系统输出平均光子数最高达到3.3×106s-1,最低达到9.1×102s-1,相当于平均每秒钟输出910 个光子。上述测试结果表明本量化分析装置具备输出平均光子数低于1 000 s-1光量子信号能力。

图5 光子计数器测量平均光子数结果图Fig.5 Output results of average photon numbers measured by single-photon counter

基于光子计数器测量得到的微弱激光信号光强稳定度如表2 所示。对应从3.3×106s-1至1.8×104s-1的平均光子数,采用相对标准偏差方式计算得到光强稳定度。如表2 所示,平均光子数在105量级时,光强稳定度优于0.6 %,平均光子数在104量级时,光强稳定度优于13.183 %。

表2 光子计数器测量光强稳定度Tab.2 Stability of output laser intensity measured by single-photon counter

4 结束语

设计研制了一种输出激光波长稳定、输出平均光子数覆盖1011s-1量级至103s-1量级可调谐的高稳频微弱激光量子源。该光量子源输出的微弱信号光波长稳定于532.269 nm,功率覆盖79.3 nW 至0.34 fW 范围,输出平均光子数覆盖1011s-1量级至103s-1量级并且可连续调谐。该光量子源输出的微弱信号光平均光子数位于106量级时光强稳定度优于0.5 %,位于105量级时光强稳定度优于0.6 %。上述输出结果表明高稳频微弱激光量子源能够实现波长稳定、调谐范围宽、输出光强稳定的光量子级别微弱信号光输出,对激光雷达系统的探测不确定度分析与性能评估等方面的应用具有重大意义。