[发明专利]一种多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置，其特征在于：包括多纵模激光器、振动目标、滑块、滑轨、分束器、光衰减器、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元，所述振动目标能够发生振动，且振动面附着有反射膜或者反射平面镜；

所述多纵模激光器为待测激光光源，出射激光到振动目标上；

所述振动目标能够发生振动，接收多纵模激光器出射的激光并通过反射膜或者反射平面镜反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成自混合信号；

所述振动目标底部固定于滑块上；

所述滑块设置于滑轨上并且可沿滑轨水平移动，所述滑轨与出射激光处于同一直线上；

所述多纵模激光器与振动目标之间的光路上依次设置分束器和光衰减器；

所述分束器用于将自混合信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理至少包括整形、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得激光器谐振腔腔体温度变化测量结果。

2.根据权利要求1所述的多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置，其特征在于：所述振动目标为由信号发生器驱动的扬声器或者压电陶瓷。

3.根据权利要求1所述的多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置，其特征在于：所述多纵模激光器采用半导体激光器时，光电探测器集成于多纵模激光器内。

4.根据权利要求1所述的多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置，其特征在于：所述信号处理单元为计算机、示波器或者频谱仪。

5.基于权利要求1-4任意一项所述的多纵模激光器谐振腔腔体温度变化测量装置的激光器谐振腔腔体温度变化测量方法，其特征在于：振动目标发生振动，多纵模激光器作为待测激光光源，出射激光到振动目标上，出射激光经反射膜或者反射平面镜反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成自混合信号，上述过程中同时使滑块沿滑轨微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，同时利用光衰减器调节反馈光的强度，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出激光器谐振腔腔体温度的变化，具体分析方法如下：

基于多纵模激光器的激光自混合信号，认为激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，因此最终形成的激光器自混合信号可以认为是各自纵模形成的激光自混合信号的强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，可以进一步获得多纵模激光器自混合信号强度为：

式(2)中：I₀表示初始光强，β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示多纵模激光器中第j个纵模模式，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，k_0j表示真空中j模式的波数，n₀表示外腔折射率，L_ext(t)表示实时外腔长；

当外腔折射率n₀＝1时，

式(3)中：ω₀表示激光的角频率，c表示真空中的光速，FSR表示激光器谐振腔自由光谱区；

因此，可得

如果要使不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分裂或分立，则需要各个模式单独的波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍，外腔长度需满足条件：

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，L_ext表示外腔长度；因此激光器存在一系列的特殊位置点，保证激光器各个纵模的激光自混合信号始终保持相位相同或者相位延迟为2π整数倍，叠加后的激光自混合信号不产生分裂或分立，将这些特殊位置点称作等相位点；

在m级等相位点位置处，通过微调滑块位置来微调外腔的长度，跟踪温度变化，使波形保持稳定，通过测量外腔长的变化δL_ext，再根据m级等相位点位置变化δL_extm与谐振腔腔体温度变化δT的关系式，即可获得激光器谐振腔腔体温度的变化值，其中m级等相位点的位置变化与谐振腔腔体温度变化的关系式如下：

式(7)中：表示折射率温度系数，表示折射率色散系数，表示波长的温度系数，表示线性膨胀系数，L_in表示激光器谐振腔腔长，L_in0表示激光器谐振腔初始腔长，n_g表示激光器谐振腔内介质的群折射率，n_g0表示激光器谐振腔内介质的初始群折射率，m值通过式(5)计算获得；

因此，结合材料的相关系数、初始温度时激光器谐振腔腔长、激光器初始群折射率和m值，即可获得激光器的实时温度变化。