CN112542757B - 利用谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种利用谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器及其制备方法，通过对激光器出射功率进行探测，判断得到谐振腔腔模与增益谱线中心的对应关系；采用调制解调技术，将腔模与增益谱线中心锁定，从而达到激光频率与原子谱线的精准对应，进一步提高法拉第激光器的功率及频率稳定性；包括：激光二级管、准直透镜、第一格兰泰勒棱镜、原子气室、第二格兰泰勒棱镜、压电陶瓷、腔镜、分光棱镜、光电探测器、信号发生器、混频器、伺服反馈电路；第二格兰泰勒棱镜与第一格兰泰勒棱镜完全正交；反射光束用于谐振腔腔膜锁定；得到谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器。

Description

利用谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器及其制备方法
技术领域
本发明属于激光稳频技术领域，涉及一种利用谐振腔腔膜锁定的技术，尤其涉及一种利用谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器及其制备方法，该方法通过扫描出法拉第激光器的腔膜信号并通过调制解调的方法得到误差信号并结合反馈环路锁定的方法实现一种功率频率稳定的法拉第激光器。
背景技术
自从1956年发现FADOF(法拉第反常色散原子滤光器,Faraday AnomalousDispersion Optical Filter)以来，它就被用作激光稳频。搭建半导体激光器有常见几种选频件，例如光栅，珐珀腔，干涉滤光片。然而，使用这些选频元件的半导体激光器存在对激光管的电流和温度敏感的缺点，从而导致激光器的频率容易漂移。而使用FADOF搭建的半导体激光器可以克服激光器频率易漂移的缺陷，但也存在新的问题，由于法拉第激光器的腔膜抖动所造成的功率抖动比使用其他选频元件的激光器都大，造成法拉第激光器的功率稳定性较差，会对使用法拉第激光器的系统引入噪声，限制了法拉第激光器的应用范围。
发明内容
为了克服法拉第激光器的腔膜抖动所造成的功率噪声抖动，本发明提出一种利用谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器及其制备方法，能够提高法拉第激光器的功率稳定性和频率稳定性，以提升应用法拉第激光器系统的整体稳定度。
本发明提出的利用谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器包括：激光二级管、准直透镜、第一格兰泰勒棱镜、第一永磁铁、原子气室、第二永磁铁、第二格兰泰勒棱镜、压电陶瓷、腔镜、分光棱镜、光电探测器、信号发生器、混频器、伺服反馈电路。第二格兰泰勒棱镜与第一格兰泰勒棱镜完全正交；
由激光二极管发出激光，首先激光管发出的激光由准直透镜将发散的激光准直，再依次经过第一格兰泰勒棱镜、第一永磁铁、原子气室、第二永磁铁、第二格兰泰勒棱镜、压电陶瓷、腔镜。此时只有对应原子跃迁谱线的激光才会发生法拉第效应从而通过第二格兰泰勒棱镜，随后激光通过压电陶瓷，最终打到腔镜上。之后通过腔镜的激光被分光棱镜分为两束，其中透射光束为应用光束，用于后续应用；反射光束则用于谐振腔腔膜锁定，以上是法拉第激光的设计方法，即得到法拉第激光器。谐振腔腔膜锁定是本发明的核心，包括：首先由信号发生器产生调制信号输给压电陶瓷或直接输给激光二级管，此时得到的法拉第激光器发出的激光带有调制信息，同时信号发生器产生解调信号输入混频器；光电探测器探测到带有调制信息的激光，此时光电探测器所检测到信号的谱线是向上的突峰，其中最高点是透过光功率最大的点。随后把光电探测器探测到的信号输给混频器。混频器的输入两端分别是信号发生器产生解调信号和光电探测器探测到的信号，由此混频器输出端输出误差信号。最后把误差信号经过伺服反馈电路反馈给压电陶瓷，从而得到谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器。
具体实施时，第一永磁铁器和第二永磁铁采用电磁铁线圈为原子气室提供磁场。激光二极管可采用各种波段的激光二极管。原子气室中充入的原子为对应激光二极管波段的原子，以发生法拉第效应。信号发生器、混频器和伺服反馈电路是分立电路或集成化电路。
本发明还提供一种谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器的制备方法，通过对激光器出射功率进行探测，判断得到谐振腔腔模与增益谱线中心的对应关系；采用调制解调技术，将腔模与增益谱线中心锁定，从而达到激光频率与原子谱线的精准对应，进一步提高法拉第激光器的功率及频率稳定性。具体包括以下步骤。
1)由激光二级管发出激光，首先使用准直透镜进行准直，再通过完全正交的格兰泰勒棱镜，两个完全正交的格兰泰勒棱镜中间放置原子气室，并在原子气室两端加上永磁铁为法拉第效应的产生提供磁场，这样只有与原子发生法拉第效应的激光可以透过；
2)之后使用腔镜用于激光反馈，同时将腔镜固定在压电陶瓷上用于改变腔长，以此改变激光频率，此时即得到法拉第激光器，之后使用分光棱镜将光分为两束，透射光束(应用光束)用于后续的实验研究，反射光束用于谐振腔腔膜锁定；
3)首先使用信号发生器产生调制信号输给法拉第激光器，同时产生解调信号输给混频器。其中调制信号可以直接输给激光二级管，也可输给压电陶瓷。随后使用光电调制器探测到携带调制信息的激光，也输给混频器，至此得到误差信号。
4)把误差信号输给伺服反馈电路，伺服反馈控制电路反馈给压电陶瓷，即完成对法拉第激光器的谐振腔腔膜锁定。
与现有技术相比，本发明的技术和性能优点包括：
本发明创新地将谐振腔腔膜锁定应用于法拉第激光器，克服了法拉第激光器功率波动大的缺点，并进一步减小法拉第激光器所带来的功率噪声和频率噪声。采用本发明提供的技术方案，能够进一步提升应用法拉第激光器的整体系统的稳定性，例如光抽运原子微波钟，在经过谐振腔腔膜锁定后能够提升法拉第激光器的整体稳定度，以此提升应用法拉第激光器系统的整体稳定性并且能够减小功率波动，以获得更好指标的原子钟。此外，现有传统的激光器频率稳定常用方法为采用外部量子体系作为参考，探测激光与原子相互作用产生的功率变化形成原子探测谱线从而锁定激光频率。然而对于法拉第激光器而言并不适用，由于法拉第激光器中原子谱线本身为激光增益谱线，出射功率会随频率变化导致无法通过激光器外腔扫描的方式探测外部原子谱线而进行激光锁定。本发明提出的方法通过对激光器出射功率的探测，判断谐振腔腔模与增益谱线中心的对应关系，结合调制解调技术，将腔模与增益谱线中心锁定，从而达到激光频率与原子谱线的精准对应，进一步提高法拉第激光器的功率及频率稳定性。
附图说明
图1为本发明利用谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器实施例的结构示意图；
其中：1—激光二级管、2—准直透镜、3—第一格兰泰勒棱镜、4—第一永磁铁、5—原子器室、6—第二永磁铁、7—第二格兰泰勒棱镜、8—压电陶瓷、9—腔镜、10—分光棱镜、11—光电探测器、12—信号发生器、13—混频器、14—伺服反馈电路。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
本发明提供一种利用谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器及其制备方法，图1所示为本发明利用谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器实施例的结构。
如图1，本实施例的利用谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器包括：激光二极管1、准直透镜2、第一格兰泰勒棱镜3、第一永磁铁4、原子气室5、第二永磁铁6、第二格兰泰勒棱镜7、压电陶瓷8、腔镜9、分光棱镜10、光电探测器11、信号发生器12、混频器13、伺服反馈电路14。由激光二极管1发出激光，经准直透镜2准直后，再依次经过第一格兰泰勒3、第一永磁铁4、原子气室5、第二永磁铁6、与第一格兰泰勒棱镜完全正交的第二格兰泰勒棱镜7、压电陶瓷8、腔镜9。此时只有对应原子跃迁谱线的激光才会发生法拉第效应，从而透过第二格兰泰勒棱镜7、压电陶瓷8，最终打到腔镜9上。此时即得到法拉第激光器。之后通过分光棱镜分为两束激光束，其中透射激光用于后续应用，反射激光则用于谐振腔腔膜锁定。谐振腔腔膜锁定具体是：首先信号发生器12产生调制信号，输给压电陶瓷8，或者直接输给激光二级管1，同时产生解调信号输给混频器13，由光电探测探测到由法拉第激光器发出的带有调制信息的激光，也输给混频器13，由此混频器输出端产生误差信号。最后把误差信号输给伺服反馈电路14，伺服反馈控制电路14反馈给压电陶瓷8，达到对法拉第激光器的锁定从而得到谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器。
上述谐振腔腔膜锁定的法拉第激光器的制备具体包括以下步骤：
1)由激光二级管发出激光，使用准直透镜进行准直。再通过使用完全正交的格兰泰勒棱镜，保证只有发生法拉第效应的光可以通过。在原子器室的两端加上永磁铁提供磁场，为法拉第效应的产生提供磁场；
2)之后使用腔镜用于激光反馈，同时将腔镜固定在压电陶瓷上用于改变腔长，以此改变激光频率，此时完成法拉第激光器，之后使用分光棱镜将激光分为两束，透射光用作后续应用，反射光用于谐振腔腔膜锁定；
3)首先使用信号发生器产生调制信号输给激光二级管或是压电陶瓷，同时产生解调信号输给混频器。随后使用电光调制器探测到携带调制信息的激光，输给混频器，至此得到误差信号。
4)把误差信号输给伺服反馈电路，反馈给压电陶瓷，完成对法拉第激光器的谐振腔腔膜锁定。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种利用谐振腔腔模锁定的法拉第激光器，包括：激光二极管、准直透镜、第一格兰泰勒棱镜、原子气室、第二格兰泰勒棱镜、压电陶瓷、腔镜、分光棱镜、光电探测器、信号发生器、混频器、伺服反馈电路；第二格兰泰勒棱镜与第一格兰泰勒棱镜完全正交；由激光二极管发出激光，激光由准直透镜将发散的激光准直，再依次经过第一格兰泰勒棱镜、原子气室、第二格兰泰勒棱镜、压电陶瓷、腔镜；只有对应原子跃迁谱线的激光会发生法拉第效应，从而通过第二格兰泰勒棱镜，随后激光通过压电陶瓷，最终打到腔镜上；之后通过腔镜的激光被分光棱镜分为两束，其中透射光束为用于后续应用的光束；反射光束用于谐振腔腔模锁定；
谐振腔腔模锁定包括：首先由信号发生器产生调制信号，将调制信号直接输给激光二极管；所述激光二极管可采用各种波段的激光二极管；此时激光器发出的激光带有调制信息，同时信号发生器产生解调信号输入混频器；光电探测器探测到带有调制信息的激光，此时光电探测器所检测到信号的谱线是向上的突峰，其中最高点是透过光功率最大的点；随后将光电探测器探测到的信号输给混频器；混频器的输入两端分别是信号发生器产生解调信号和光电探测器探测到的信号，由此混频器输出端输出误差信号；最后将误差信号经过伺服反馈电路反馈给压电陶瓷，从而得到谐振腔腔模锁定的法拉第激光器。
2.如权利要求1所述利用谐振腔腔模锁定的法拉第激光器，其特征是，在第一格兰泰勒棱镜与第二格兰泰勒棱镜中间的原子气室的两端分别设置第一永磁铁和第二永磁铁。
3.如权利要求2所述利用谐振腔腔模锁定的法拉第激光器，其特征是，所述第一永磁铁和第二永磁铁采用电磁铁线圈为原子气室提供磁场。
4.如权利要求1所述利用谐振腔腔模锁定的法拉第激光器，其特征是，原子气室中充入的原子为对应激光二极管波段的原子，以发生法拉第效应。
5.如权利要求1所述利用谐振腔腔模锁定的法拉第激光器，其特征是，所述信号发生器、混频器和伺服反馈电路是分立电路或集成化电路。
6.如权利要求1所述利用谐振腔腔模锁定的法拉第激光器，其特征是，所述谐振腔腔模锁定的法拉第激光器的制备方法包括，通过对激光器出射功率进行探测，判断得到谐振腔腔模与增益谱线中心的对应关系；采用调制解调技术，将腔模与增益谱线中心锁定，从而达到激光频率与原子谱线的精准对应，进一步提高法拉第激光器的功率及频率稳定性；包括以下步骤：
1) 由激光二极管发出激光，首先使用准直透镜进行准直，再通过完全正交的格兰泰勒棱镜，两个完全正交的格兰泰勒棱镜中间放置原子气室；
2) 使用腔镜用于激光反馈，同时将腔镜固定在压电陶瓷上用于改变腔长，以此改变激光频率，此时即得到法拉第激光器；之后使用分光棱镜将光分为两束，将反射光束用于谐振腔腔模锁定；
3) 谐振腔腔模锁定包括：
首先使用信号发生器产生调制信号输给法拉第激光器，同时产生解调信号输给混频器；其中调制信号直接输给激光管；
随后使用光电探测器探测到携带调制信息的激光；
将探测到携带调制信息的激光也输给混频器，得到误差信号；
4）把误差信号输给伺服反馈电路，伺服反馈控制电路反馈给压电陶瓷，即完成对法拉第激光器的谐振腔腔模锁定，
通过上述步骤，制备得到谐振腔腔模锁定的法拉第激光器。
7.如权利要求6所述利用谐振腔腔模锁定的法拉第激光器，其特征是，在原子气室两端设置永磁铁，用于为法拉第效应的产生提供磁场，使得只有与原子发生法拉第效应的激光透过该磁场。
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Frequency-stable and ultranarrow-linewidth semiconductor laser locked directly to an atomic-cesium transition;Yaakov Shevy等;《Optics Letters》;19980315;第23卷(第6期);第472-474页 *
James Keaveney等.A single-mode external cavity diode laser using an intra-cavity atomic Faraday filter.《Review of Scientific Instruments》.2016,第87卷第095111-1至4页. *

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