周志剛,王加朋,杜繼東,白巖林,高振威,楊海生

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

1 引言

激光雷達(dá)為對(duì)中高層大氣參數(shù)(溫度、壓力、密度、風(fēng)場(chǎng))進(jìn)行測(cè)量的重要技術(shù)手段[1-3]。在激光雷達(dá)探測(cè)大氣回波信號(hào)的過(guò)程中,天空背景光引入噪聲,光電探測(cè)器存在暗電流噪聲,光子計(jì)數(shù)產(chǎn)生泊松噪聲,上述噪聲共同引入探測(cè)光子數(shù)的測(cè)量不確定度[4,5]。探測(cè)光子數(shù)的測(cè)量不確定度決定激光雷達(dá)探測(cè)效率的不確定度。

激光雷達(dá)接收的信號(hào)為中高層大氣的散射或熒光回波信號(hào)與天空背景光的復(fù)合信號(hào),這一復(fù)合信號(hào)的強(qiáng)度難以被定量化測(cè)量,因此難以對(duì)激光雷達(dá)接收與探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)不確定度進(jìn)行定量分析[6,7]。另一方面,光子計(jì)數(shù)器為激光雷達(dá)接收與探測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵測(cè)試設(shè)備[8-10]。然而目前國(guó)內(nèi)研制的激光雷達(dá)所采用的光子計(jì)數(shù)器量子效率等指標(biāo)取信光子計(jì)數(shù)器生產(chǎn)廠家的出廠測(cè)試報(bào)告,缺乏對(duì)于光子計(jì)數(shù)器量子效率等指標(biāo)的定標(biāo)測(cè)試。上述問(wèn)題表明激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)需求穩(wěn)定的定標(biāo)單光子源,通過(guò)輸出波長(zhǎng)及功率可量化溯源的微弱光量子信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量不確定度進(jìn)行分析,以及對(duì)激光雷達(dá)接收與探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估的目標(biāo)。

綜上所述,本課題組針對(duì)上述需求,設(shè)計(jì)并研制了一種高穩(wěn)頻微弱激光量子源。該光量子源輸出可定量化精確測(cè)量波長(zhǎng)與功率的光量子級(jí)別微弱信號(hào),以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的量化分析。該光量子源輸出的平均光子數(shù)覆蓋103s-1量級(jí)至1011s-1量級(jí),平均光子數(shù)在106s-1量級(jí)及以上時(shí)光強(qiáng)穩(wěn)定度優(yōu)于0.5 %。該光量子源輸出的平均光子數(shù)最低達(dá)910 光子數(shù)每秒,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量不確定度進(jìn)行分析,以及對(duì)探測(cè)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估的目標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

該高穩(wěn)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(tǒng)、光纖衰減系統(tǒng)、激光功率計(jì)與光電探測(cè)器組成。其中激光光源、空間光衰減系統(tǒng)與光纖衰減系統(tǒng)共同組成激光量子信號(hào)輸出系統(tǒng);激光功率計(jì)與光電探測(cè)器組成激光量子信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)輸出激光功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 高穩(wěn)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(jù)圖1 所示內(nèi)容,基于激光量子信號(hào)輸出系統(tǒng)與激光量子信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩方面內(nèi)容,對(duì)具體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。

2.1 激光量子信號(hào)輸出系統(tǒng)

激光量子信號(hào)輸出系統(tǒng)由激光光源,空間光衰減系統(tǒng)及光纖衰減系統(tǒng)組成。

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

2)空間光衰減系統(tǒng)由一組偏振元器件組成,用于對(duì)激光功率進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。根據(jù)馬呂斯定律,激光輸出功率與偏振元器件之間的關(guān)系由式(1)決定:

式中:η1,η2——偏振元器件1 對(duì)激光的最大透過(guò)率,以及偏振元器件2 對(duì)激光的最大透過(guò)率;P0——入射至空間光衰減系統(tǒng)前的激光功率。

通過(guò)調(diào)整偏振元器件偏振方向之間的夾角θ調(diào)諧激光的輸出功率P。

3)光纖衰減系統(tǒng)由光纖衰減器組成,采用空間濾波的方式對(duì)激光功率進(jìn)行粗略調(diào)諧。

2.2 激光量子信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

激光量子信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由激光功率計(jì)及光電探測(cè)器組成。激光信號(hào)通過(guò)光纖分束器分成衰減路信號(hào)與監(jiān)測(cè)路信號(hào),衰減路信號(hào)用于輸出,監(jiān)測(cè)路信號(hào)用于監(jiān)測(cè)。激光功率計(jì)用于監(jiān)測(cè)未經(jīng)過(guò)衰減系統(tǒng)的激光功率,光電探測(cè)器用于監(jiān)測(cè)經(jīng)過(guò)衰減系統(tǒng)衰減后的激光功率。激光量子信號(hào)輸出系統(tǒng)衰減系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均被安裝至機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部,形成一套完整的高穩(wěn)頻微弱激光量子源。

3 測(cè)量結(jié)果及分析

3.1 光量子信號(hào)波長(zhǎng)及線寬測(cè)量結(jié)果

激光量子源輸出光量子信號(hào)的波長(zhǎng)與線寬均采用波長(zhǎng)計(jì)進(jìn)行測(cè)量,波長(zhǎng)計(jì)由專業(yè)計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果表現(xiàn)為測(cè)量波長(zhǎng)與實(shí)際波長(zhǎng)之間的測(cè)量偏差,根據(jù)這一偏差對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行修正。經(jīng)過(guò)修正后的波長(zhǎng)測(cè)量結(jié)果如圖2 所示。

圖2 激光量子信號(hào)波長(zhǎng)測(cè)試結(jié)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(hào)的波長(zhǎng)均值位于532.269 nm,對(duì)應(yīng)波數(shù)為18 787.7 cm-1,與鎖定的碘原子譜線波數(shù)基本一致,表明輸出激光具備良好的穩(wěn)頻特性。

光量子信號(hào)線寬測(cè)量結(jié)果如圖3 所示。測(cè)量結(jié)果表明激光量子源輸出光量子信號(hào)線寬優(yōu)于0.013 nm,輸出光量子信號(hào)具有pm 量級(jí)的窄線寬,具備良好的窄線寬特性。

圖3 激光量子信號(hào)線寬測(cè)試結(jié)果圖Fig.3 Results of laser quantum signal linewidth

3.2 光量子信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果

激光量子源輸出的光量子信號(hào)功率能夠覆蓋fW 量級(jí)至nW 量級(jí)。其中pW 量級(jí)以上的激光功率可采用制冷單片探測(cè)器直接測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如圖4 所示。

圖4 制冷單片探測(cè)器測(cè)量輸出激光功率結(jié)果圖Fig.4 Output results of laser power measured by monolithic detector

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

激光功率P與平均光子數(shù)n之間的關(guān)系如式(2)所示:

式中:h——普朗克常數(shù);c——光速;λ——激光波長(zhǎng)。

根據(jù)式(2)可以計(jì)算得到制冷單片探測(cè)器測(cè)量得到的平均光子數(shù)位于(3.8×105～2.1×1011)s-1范圍內(nèi)。對(duì)應(yīng)141 fW 的激光功率,平均光子數(shù)為3.8×105s-1。該結(jié)果表明制冷單片探測(cè)器的測(cè)量范圍已經(jīng)能夠滿足光子計(jì)數(shù)器的測(cè)量需求。

基于制冷單片探測(cè)器測(cè)量得到的微弱激光信號(hào)光強(qiáng)穩(wěn)定度如表1 所示。對(duì)應(yīng)平均光子數(shù)(2.1×1011～3.5×106)s-1,采用計(jì)算平均光子數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差方式計(jì)算得到微弱激光信號(hào)光強(qiáng)穩(wěn)定度。

表1 制冷單片探測(cè)器測(cè)量光強(qiáng)穩(wěn)定度Tab.1 Stability of output laser intensity measured by monolithic detector

表1 中,當(dāng)平均光子數(shù)位于107量級(jí)時(shí),微弱激光信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定度優(yōu)于0.5 %。當(dāng)平均光子數(shù)位于106量級(jí)時(shí),測(cè)量得到的光強(qiáng)穩(wěn)定度優(yōu)于1.7 %。

為了驗(yàn)證這一光強(qiáng)穩(wěn)定度的變化情況是否由測(cè)量過(guò)程引起,本論文采用光子計(jì)數(shù)器對(duì)平均光子數(shù)106量級(jí)及以下的光強(qiáng)進(jìn)行了測(cè)量。該量級(jí)的輸出激光平均光子數(shù)可由光子計(jì)數(shù)器直接測(cè)量得到,測(cè)量結(jié)果如圖5 所示。光子計(jì)數(shù)器測(cè)量得到的系統(tǒng)輸出平均光子數(shù)最高達(dá)到3.3×106s-1,最低達(dá)到9.1×102s-1,相當(dāng)于平均每秒鐘輸出910 個(gè)光子。上述測(cè)試結(jié)果表明本量化分析裝置具備輸出平均光子數(shù)低于1 000 s-1光量子信號(hào)能力。

圖5 光子計(jì)數(shù)器測(cè)量平均光子數(shù)結(jié)果圖Fig.5 Output results of average photon numbers measured by single-photon counter

基于光子計(jì)數(shù)器測(cè)量得到的微弱激光信號(hào)光強(qiáng)穩(wěn)定度如表2 所示。對(duì)應(yīng)從3.3×106s-1至1.8×104s-1的平均光子數(shù),采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差方式計(jì)算得到光強(qiáng)穩(wěn)定度。如表2 所示,平均光子數(shù)在105量級(jí)時(shí),光強(qiáng)穩(wěn)定度優(yōu)于0.6 %,平均光子數(shù)在104量級(jí)時(shí),光強(qiáng)穩(wěn)定度優(yōu)于13.183 %。

表2 光子計(jì)數(shù)器測(cè)量光強(qiáng)穩(wěn)定度Tab.2 Stability of output laser intensity measured by single-photon counter

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)研制了一種輸出激光波長(zhǎng)穩(wěn)定、輸出平均光子數(shù)覆蓋1011s-1量級(jí)至103s-1量級(jí)可調(diào)諧的高穩(wěn)頻微弱激光量子源。該光量子源輸出的微弱信號(hào)光波長(zhǎng)穩(wěn)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(shù)覆蓋1011s-1量級(jí)至103s-1量級(jí)并且可連續(xù)調(diào)諧。該光量子源輸出的微弱信號(hào)光平均光子數(shù)位于106量級(jí)時(shí)光強(qiáng)穩(wěn)定度優(yōu)于0.5 %,位于105量級(jí)時(shí)光強(qiáng)穩(wěn)定度優(yōu)于0.6 %。上述輸出結(jié)果表明高穩(wěn)頻微弱激光量子源能夠?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)穩(wěn)定、調(diào)諧范圍寬、輸出光強(qiáng)穩(wěn)定的光量子級(jí)別微弱信號(hào)光輸出,對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)不確定度分析與性能評(píng)估等方面的應(yīng)用具有重大意義。