CN114498277A - 一种窄线宽脉冲激光器稳频装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于稳频装置，具体涉及一种窄线宽脉冲激光器稳频装置。一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其中，包括泵浦光源、在泵浦光源的输出光路上设置激光组件；该装置还包括电子控制组件，其中电子控制组件从激光组件进行激光采样，经过处理器的处理后，控制激光组件的输出，使得输出符合预设要求。本发明的显著效果是：除法电路输出的信号强度与光学滤波器的透过率或反射率相关，光学滤波器的透过率又由激光频率决定，这样就将激光频率与模拟电路输出信号关联在一起，间接测量了激光频率。
Description
技术领域
本发明属于稳频装置，具体涉及一种窄线宽脉冲激光器稳频装置。
背景技术
窄线宽脉冲激光器具有长相干长度、窄光谱宽度、高峰值功率等优势，在激光雷达、高分辨率光谱学、非线性光学等方面有广泛的应用，其频率稳定性在实际应用中至关重要。
目前国内外采用的频率稳定性控制技术主要分为主动控制及被动控制技术。被动控制如通过稳定泵浦源电流、温度控制等方式提高激光器的稳定度[Zhang Jing,etal..Suppression of intensity noise of a laser-diode-pumped single-frequencyNd:YVO4 laser by optoelectronic control.Applied Optics,2003,42(6):1068-1074.]。主动控制方法主要是通过鉴别激光频率的漂移获得误差信号，将误差信号作为控制依据，经伺服控制系统来稳定激光的频率。
通常在主动频率稳定性控制的窄线宽激光器中，激光的频率由激光谐振腔的长度和腔内光学滤波器决定，谐振腔长度对应的纵模频率需要与腔内光学滤波器相互匹配。激光强度通常与激光频率相关，通过采集与激光频率相关的激光强度信号，计算误差信号，电路主动控制谐振腔的长度，即可实现窄线宽激光器的稳定运转。为了保证反馈系统运算的准确性和控制的有效性，窄线宽激光器主动频率稳定性控制器需要采集一个与激光频率相关的连续变化信号[Drever,et al..Laser phase and frequency stabilization usingan optical resonator.Applied Physics B,1983,31:97-105.]。
目前窄线宽激光器主动频率稳定性控制技术通常以原子分子谱线或者光学滤波器的滤波特征函数为频率基准，多数是应用在连续激光器。
脉冲激光的形成机制是大量积累的上能级粒子的集中释放，各个激光脉冲相互独立，激光脉冲能量存在起伏，激光脉冲能量的数值具有突变性。其次，脉冲激光采样也是离散形式，采样频率也限制了激光脉冲强度的采样精度，同样导致了采样信号的突变。
可见，相比于连续激光的信号采样和运算反馈，脉冲激光的能量本身具有突变性，同时脉冲激光强度采样数据也存在不连续性，这为窄线宽脉冲激光器的稳频反馈控制带来了一定的困难。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供一种窄线宽脉冲激光器稳频装置。
本发明是这样实现的：一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其中，包括泵浦光源、在泵浦光源的输出光路上设置激光组件；该装置还包括电子控制组件，其中电子控制组件从激光组件进行激光采样，经过处理器的处理后，控制激光组件的输出，使得输出符合预设要求。
如上所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其中，所述的激光组件包括顺次设置在光路上的泵浦光耦合透镜组2、泵浦输入镜、激光晶体、光学滤波路、光开关、输出镜、压电陶瓷镜架、分束镜。
如上所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其中，所述的电子控制组件包括两组光电二极管信号采集电路，其中一组光电二极管信号采集电路从分束镜的输出光路中采集信号，另一组光电二极管信号采集电路从光学滤波路的输出信号中采集信号，两组光电二极管信号采集电路分别设有与自身匹配的积分器电路，积分后的信号被发送给除法器电路，除法器电路处理后的信号被发送给FPGA控制器，该信号经过FPGA控制器的处理后，经过压电陶瓷控制电路的处理，用于对压电陶瓷镜架的控制。
如上所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其中，泵浦光源是为激光器提供能量的泵浦光源，为808nm半导体激光器。
如上所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其中，泵浦输入镜镀制激光波长高反射、泵浦光波长高透射膜系，与输出镜构成激光器的谐振腔。
如上所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其中，激光晶体是激光器的增益材料，为Nd:YAG晶体。
如上所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其中，压电陶瓷镜架装载固定输出镜，通过加载不同电压，产生不同位移，改变激光谐振腔的长度，从而改变激光频率。
如上所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其中，除法器电路将两路积分器电路输出的信号做除法，消去了与激光强度或激光脉冲能量有关的部分，获得与激光强度或激光脉冲能量无关、只与激光频率和光学滤波路的滤波特征函数有关的信号。
如上所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其中，FPGA控制器根据除法器电路输出的与激光频率有关的信号，计算激光频率的变化量。
本发明的显著效果是：除法电路输出的信号强度与光学滤波器的透过率或反射率相关，光学滤波器的透过率又由激光频率决定，这样就将激光频率与模拟电路输出信号关联在一起，间接测量了激光频率。
针对激光脉冲起伏和脉冲激光采样的问题，利用积分电路和除法电路，从电路中获得与激光频率相关、与激光强度无关的采样信号。因为该信号只与激光频率和滤波特征函数有关，是一个连续变化量。这使得反馈运算不受激光能量起伏干扰，反馈算法更为简单快捷，从而提高了反馈控制的有效性和准确性。
附图说明
图1窄线宽脉冲激光器稳频装置示意图。
图中：1.泵浦光源、2.泵浦光耦合透镜组、3.泵浦输入镜、4.激光晶体、5.光学滤波器、6.光开关、7.输出镜、8.压电陶瓷镜架、9.分束镜、10.光电二极管信号采集电路、11.光电二极管信号采集电路、12.积分器电路、13.积分器电路、14.除法器电路、15.FPGA控制器、16.压电陶瓷控制电路。
具体实施方式
本发明一种窄线宽脉冲激光器稳频装置的组成如图1所示，包括：泵浦光源1、泵浦光耦合透镜组2、泵浦输入镜3、激光晶体4、光学滤波器5(以标准具为例)、光开关6(以声光调制器为例)、输出镜7、压电陶瓷镜架8、分束镜9、光电二极管信号采集电路10、光电二极管信号采集电路11、积分器电路12、积分器电路13、除法器电路14、FPGA控制器15、压电陶瓷控制电路16等组成。
泵浦光源1是为激光器提供能量的泵浦光源，可以是808nm半导体激光器。
泵浦光耦合透镜组2是对泵浦光源1发射的泵浦光进行准直聚焦。
泵浦输入镜3镀制激光波长高反射、泵浦光波长高透射膜系，与输出镜7构成激光器的谐振腔。
激光晶体4是激光器的增益材料，可以是Nd:YAG晶体。
光学滤波器5对不同波长的光具有不同的透过率，对特定频率的激光纵模具有较小的损耗，通过增大各纵模间损耗差异，起到纵模选择、降低谱线宽度的作用。滤波器透过率和激光频率的关系可以用滤波特征函数表示。光学滤波器可以是标准具，即对某个特定频率的纵模频率具有较小的损耗，能够透过标准具在腔内往返传播，其它频率的光因为具有较大的损耗不满足阈值条件，不能起振，即通过增大各纵模间净增益差异从而达到纵模选择的目的。
光开关6使激光器实现脉冲运作，获得激光脉冲输出，可以是声光调制器。
输出镜7具有一定激光透过率，与泵浦输入镜3构成激光谐振腔，使激光谐振腔内激光输出到谐振腔外。
压电陶瓷镜架8装载固定输出镜7，通过加载不同电压，产生不同位移，改变激光谐振腔的长度，从而改变激光频率。
分束镜9具有一定激光透过率，将激光谐振腔输出镜7输出的激光的一部分提供给光电二极管信号采集电路10，用于激光谐振腔长度的反馈控制。
光电二极管信号采集电路10采集激光谐振腔输出的激光光强的一部分，输出信号强度正比于谐振腔内激光强度。
光电二极管信号采集电路11采集光学滤波器5反射输出的激光光强，输出信号强度正比于谐振腔内激光强度和滤波器反射率的乘积，该反射率由滤波器的滤波特征函数和激光频率决定。
积分器电路12将光电二极管信号采集电路11采集的激光强度信号在时间域上进行积分，得到与进入光电二极管信号采集电路11的激光单脉冲能量成正比的信号。
积分器电路13将光电二极管信号采集电路10采集的激光强度信号在时间域上进行积分，得到与进入光电二极管信号采集电路10的激光单脉冲能量成正比的信号。
除法器电路14将积分器电路12和积分器电路13输出的信号做除法，消去了与激光强度或激光脉冲能量有关的部分，获得与激光强度或激光脉冲能量无关、只与激光频率和光学滤波器5的滤波特征函数有关的信号。由于光学滤波器5特性确定，该信号强度随激光频率而变化。该信号与激光能量起伏无关，更加接近连续变化量。
FPGA控制器15根据除法器电路14输出的与激光频率有关的信号，计算激光频率的变化量。激光频率由激光谐振腔的长度决定，通过激光频率的变化量计算激光谐振腔长度所需要的变化量。FPGA控制器15控制压电陶瓷控制电路16输出的电压，改变压电陶瓷镜架8的位置，控制激光谐振腔的长度，达到稳定激光频率的目的
本系统工作时，激光器输出激光脉冲，FPGA控制器15通过压电陶瓷控制电路16，对压电陶瓷镜架8加载线性变化电压，使激光谐振腔的长度线性连续变化，激光频率随之连续变化。除法器电路14输出的与频率相关的信号也随之变化。将压电陶瓷镜架8的电压设置为一固定值，激光谐振腔的长度和激光频率也随之确定。选择压电陶瓷镜架8电压的设定值，要求此时激光谐振腔的长度和激光频率接近线性变化关系。当激光频率变化时，除法器电路14输出的信号也发生变化，FPGA控制器15通过输入信号变化的方向和大小，计算激光谐振腔长度所需的变化量。控制压电陶瓷控制电路16输出的电压，改变压电陶瓷镜架8的位置，反馈控制激光谐振腔的长度，实现激光频率稳定。
Claims (9)
1.一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其特征在于：包括泵浦光源(1)、在泵浦光源(1)的输出光路上设置激光组件；该装置还包括电子控制组件，其中电子控制组件从激光组件进行激光采样，经过处理器的处理后，控制激光组件的输出，使得输出符合预设要求。
2.如权利要求1所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其特征在于：所述的激光组件包括顺次设置在光路上的泵浦光耦合透镜组2、泵浦输入镜(3)、激光晶体(4)、光学滤波路(5)、光开关(6)、输出镜(7)、压电陶瓷镜架(8)、分束镜(9)。
3.如权利要求2所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其特征在于：所述的电子控制组件包括两组光电二极管信号采集电路，其中一组光电二极管信号采集电路从分束镜(9)的输出光路中采集信号，另一组光电二极管信号采集电路从光学滤波路(5)的输出信号中采集信号，两组光电二极管信号采集电路分别设有与自身匹配的积分器电路，积分后的信号被发送给除法器电路(14)，除法器电路(14)处理后的信号被发送给FPGA控制器(15)，该信号经过FPGA控制器(15)的处理后，经过压电陶瓷控制电路(16)的处理，用于对压电陶瓷镜架(8)的控制。
4.如权利要求3所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其特征在于：泵浦光源(1)是为激光器提供能量的泵浦光源，为808nm半导体激光器。
5.如权利要求4所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其特征在于：泵浦输入镜(3)镀制激光波长高反射、泵浦光波长高透射膜系，与输出镜(7)构成激光器的谐振腔。
6.如权利要求5所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其特征在于：激光晶体(4)是激光器的增益材料，为Nd:YAG晶体。
7.如权利要求6所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其特征在于：压电陶瓷镜架(8)装载固定输出镜(7)，通过加载不同电压，产生不同位移，改变激光谐振腔的长度，从而改变激光频率。
8.如权利要求7所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其特征在于：除法器电路(14)将两路积分器电路输出的信号做除法，消去了与激光强度或激光脉冲能量有关的部分，获得与激光强度或激光脉冲能量无关、只与激光频率和光学滤波路(5)的滤波特征函数有关的信号。
9.如权利要求8所述的一种窄线宽脉冲激光器稳频装置，其特征在于：FPGA控制器(15)根据除法器电路(14)输出的与激光频率有关的信号，计算激光频率的变化量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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