CN102684059A - 基于石英音叉增强气体光声光谱的可调谐激光稳频装置 - Google Patents

基于石英音叉增强气体光声光谱的可调谐激光稳频装置 Download PDF

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Abstract

一种基于石英音叉增强气体光声光谱的可调谐激光稳频装置，包括：一可调谐激光器；一调制电流源，其输出端与可调谐激光器的输入端连接；一温度控制器，其输出端与可调谐激光器的输入端连接；一光纤耦合器，其输入端与可调谐激光器的输出端连接；一密闭气室，其一侧壁安装光纤聚焦透镜，该光纤聚焦透镜伸入到密闭气室内；一石英音叉，位于密闭气室内；一前置放大器，其接收石英音叉输出的信号；一相敏检波器，其输入端与前置放大器的输出端连接；一控制箱，其输入端与相敏检波器的输出端连接，该控制箱的两个输出端控制调制电流源和温度控制器。其能够解决传统直接吸收法气体吸收光谱稳频技术中存在的背景噪声强、体积大、结构稳定性差等问题。

Description

基于石英音叉增强气体光声光谱的可调谐激光稳频装置
技术领域
本发明属于激光光源稳频技术领域，特别涉及一种基于石英音叉增强气体光声光谱的可调谐激光稳频装置。
背景技术
高稳定、窄线宽、波长可调谐激光器在超精细光谱探测、计量、相干光通讯、密集波分复用和量子频标等领域有着十分重要的应用。自由运转的可调谐激光器受注入电流和工作温度等因素影响，长时间频谱展宽和漂移可达上百MHz甚至数GHz，针对上述应用必须采取主动稳频措施。目前比较成熟的方法是基于气体吸收光谱的直接吸收法激光稳频，即让激光束穿过某些在光频范围内具有显著吸收峰的气体，调整激光器的工作温度和注入电流使激光频率在气体吸收峰附近扫描，通过检测激光透过率的变化，反馈控制激光出射光频率始终处在气体吸收频率峰值点。该方法原理简单、易于实现、频率可溯源。但背景噪声强，此外由于需要长气室，因此体积大、结构稳定性差。本发明提供了一种基于石英音叉增强气体光声光谱的可调谐激光器稳频装置。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于石英音叉增强气体光声光谱的可调谐激光稳频装置。其是采用石英音叉检测激光与吸收气体相互作用下产生的光声光谱信号，通过反馈控制激光器的工作温度和注入电流，将可调谐激光器的输出频率长期稳定在气体吸收峰中心。能够解决传统直接吸收法气体吸收光谱稳频技术中存在的背景噪声强、体积大、结构稳定性差等问题。
为达到上述目的，本发明提一种基于石英音叉增强气体光声光谱的可调谐激光稳频装置，包括：
一可调谐激光器；
一调制电流源，其输出端与可调谐激光器的输入端连接；
一温度控制器，其输出端与可调谐激光器的输入端连接；
一光纤耦合器，其输入端与可调谐激光器的输出端连接，该光纤耦合器包括两个输出端；
一光纤聚焦透镜，其输入端与光纤耦合器的一输出端连接，该光纤耦合器的另一输出端用于稳频激光输出；
一密闭气室，其一侧壁安装光纤聚焦透镜，该光纤聚焦透镜伸入到密闭气室内；
一石英音叉，位于密闭气室内，该石英音叉包括两个音叉臂和一输出端；
一前置放大器，其接收石英音叉输出的信号；
一相敏检波器，其输入端与前置放大器的输出端连接；
一控制箱，其输入端与相敏检波器的输出端连接，该控制箱的两个输出端控制调制电流源和温度控制器。
本发明的有益效果是：基于石英音叉增强气体光声光谱的可调谐激光器稳频装置不仅具有常规直接吸收法气体吸收光谱稳频原理简单、频率可溯源等优点，还具有体积小、结构紧凑、背景噪声小，精度高等优势。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图对本发明作进一步说明，其中：
图1是本发明“基于石英音叉增强气体光声光谱的可调谐激光稳频装置”的结构框图。
图2a是调制电流源输出的电流波形示意图。包含了直流分量I0和正弦分量Ia，正弦调制频率为f0。
图2b是可调谐激光器输出光频率示意图。中心频率为v，频率峰值为v+，频率谷值为v-，正弦调制频率为f0。
图3是光纤聚焦透镜产生的激光聚焦光斑照射在石英音叉9的两音叉臂的间隙示意图。
图4是激光处于不同频率时的相敏检波稳频原理图。
图4a是激光频率低于气体吸收峰中心频率时的相敏检波原理图。
图4b是激光频率等于气体吸收峰中心频率时的相敏检波原理图。
图4c是激光频率高于气体吸收峰中心频率时的相敏检波原理图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种基于石英音叉增强气体光声光谱的可调谐激光稳频装置，包括：
一可调谐激光器1，所述可调谐激光器1是通过改变工作温度和注入电流控制其输出光频率；
一调制电流源2，其输出端与可调谐激光器1的输入端连接；
一温度控制器3，其输出端与可调谐激光器1的输入端连接；
一光纤耦合器4，其输入端与可调谐激光器1的输出端连接，该光纤耦合器4包括两个输出端5；
一光纤聚焦透镜6，其输入端与光纤耦合器4的一输出端5连接，该光纤耦合器4的另一输出端5用于稳频激光输出；
一密闭气室7，其一侧壁安装光纤聚焦透镜6，该光纤聚焦透镜6伸入到密闭气室7内；
一吸收气体8，充入密闭气室7中，所述吸收气体8在可调谐激光器1通过温度和注入电流可调的输出光频率范围内，存在一根或多根吸收谱线；
一石英音叉9，位于密闭气室7内，该石英音叉9包括两个音叉臂91和一输出端。光纤聚焦透镜6输出的光束聚焦在石英音叉9的两个音叉臂91的间隙中，聚焦光束与吸收气体8相互作用产生的气体光声光谱信号被石英音叉9所检测；
一前置放大器10，其接收石英音叉9输出的信号；
一相敏检波器11，其输入端与前置放大器10的输出端连接；
一控制箱12，其输入端与相敏检波器11的输出端连接，该控制箱12的两个输出端控制调制电流源2和温度控制器3。
请参阅图2a所示，其是调制电流源2输出的电流波形示意图。调制电流源2输出直流偏置为I0，正弦调制幅度为Ia，正弦调制频率为f0的电流驱动可调谐激光器1发光。
请参阅图2b所示，其是可调谐激光器1输出光频率示意图。在调制电流源2的电流驱动下，可调谐激光器1的输出光频率以v为中心在v-和v+之间以频率f0周期摆动，f0与石英音叉9的共振频率相等。
可调谐激光器1的输出光被光纤分束器4分成两束，其中一束作为稳频激光输出端5，另一束接光纤聚焦透镜6引入充有吸收气体8的封闭气室7中。
请参阅图3所示，光纤聚焦透镜6输出光聚焦在石英音叉9的两音叉臂91的间隙中间。
请参阅图4a所示，其是激光频率低于气体吸收峰中心频率时的相敏检波原理图。气体吸收峰中心频率为v0，当可调谐激光1输出光中心频率v小于气体吸收峰频率v0时，石英音叉9输出频率为f0的正弦信号，相位较调制电流源2频率为f0的正弦调制电流相位反向，此时相位检波器11输出为负。
请参阅图4b所示，其是激光频率等于气体吸收峰中心频率时的相敏检波原理图。可调谐激光1输出光中心频率v小于气体吸收峰频率v0时，石英音叉9输出频率为2f0的正弦信号，此时相位检波器11输出为0。
请参阅图4c所示，其是激光频率高于气体吸收峰中心频率时的相敏检波原理图。可调谐激光1输出光中心频率v小于气体吸收峰频率v0时，石英音叉9输出频率为f0的正弦信号，但相位较调制电流源2频率为f0的正弦调制电流相位同向，此时相位检波器输出11为正。
相位检波器11输出信号进入控制箱12，控制箱反馈调整调制电流源2的输出直流偏置I0，使相位检波器11输出信号在任何情况下始终为0，此时可调谐激光器1的输出光频率v等于气体吸收峰中心频率v0，实现了可调谐激光器1的输出光稳频。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于石英音叉增强气体光声光谱的可调谐激光稳频装置，包括：
一可调谐激光器；
一调制电流源，其输出端与可调谐激光器的输入端连接；
一温度控制器，其输出端与可调谐激光器的输入端连接；
一光纤耦合器，其输入端与可调谐激光器的输出端连接，该光纤耦合器包括两个输出端；
一光纤聚焦透镜，其输入端与光纤耦合器的一输出端连接，该光纤耦合器的另一输出端用于稳频激光输出；
一密闭气室，其一侧壁安装光纤聚焦透镜，该光纤聚焦透镜伸入到密闭气室内；
一石英音叉，位于密闭气室内，该石英音叉包括两个音叉臂和一输出端；
一前置放大器，其接收石英音叉输出的信号；
一相敏检波器，其输入端与前置放大器的输出端连接；
一控制箱，其输入端与相敏检波器的输出端连接，该控制箱的两个输出端控制调制电流源和温度控制器。
2.根据权利要求1所述的基于石英音叉增强气体光声光谱的可调谐激光器稳频装置，其中可调谐激光器是通过改变工作温度和注入电流控制其输出光频率。
3.根据权利要求1所述的基于石英音叉增强气体光声光谱的可调谐激光稳频装置，其中密闭气室中填充有吸收气体，该吸收气体在可调谐激光器通过温度和注入电流可调的输出光频率范围内，存在一根或多根吸收谱线。
4.根据权利要求1所述的基于石英音叉增强气体光声光谱的可调谐激光器稳频装置，其中光纤聚焦透镜输出的光束聚焦在石英音叉的两个音叉臂的间隙中，聚焦光束与吸收气体相互作用产生的气体光声光谱信号被石英音叉所检测。
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