CN101924320A - 基于法布里-珀罗腔的非调制2μm激光稳频方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是基于法布里-珀罗腔的非调制2μm激光稳频方法和装置。本发明由2μm单块非平面环形腔激光器、光隔离器、偏振分光棱镜、1/2波片、反射镜、共焦法布里-珀罗腔、光电探测器、P-I控制电路、驱动电压器、压电陶瓷和LD泵浦源组成。本发明利用共焦法布里-珀罗腔对不同频率的两束2μm激光的透过率不同，经光电转换后产生电流差，激光频率的波动使得电流差增大，P-I控制电路处理增大的电流差信号后，输出反馈控制信号，控制驱动电压器驱动压电陶瓷，压动激光器的腔镜，使激光频率回归，达到稳频的效果。本发明在激光雷达、激光计量标准等领域有应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及基于法布里-珀罗腔的非调制2μm激光稳频方法和装置，属于激光应用技术领域。
背景技术
2μm位于大气传输窗口，处于人眼安全波段，是激光雷达探测大气污染，测量空气中CO2、水蒸气分子的含量和测量风速的重要波长。激光雷达的激光频率稳定性是其重要的技术指标，它直接影响测量的精度，采用激光稳频技术的多普勒相干测风激光雷达，其测量精度将大大提高。目前，2μm激光稳频主要采用的方法是使用法布里-珀罗腔(F-P腔)的透射谱线作为参考来稳定激光频率的边带调制稳频法(PDH)，该方法首先利用光电相位调制器对激光频率进行调制，产生分布在激光频率两侧、幅度相等但位相相反的两个边带。当激光频率发生变化偏离标准频率时，两个边带经过法布里-珀罗腔反射后振幅和位相的变化是不相同的，则差拍信号不能完全抵消，探测器上会输出一个频率为调制频率的信号，此信号可以用来产生鉴频信号，从而将激光器的频率锁定在法布里-珀罗腔上，达到稳频的效果。基于法布里-珀罗腔的边带调制稳频法的主要缺点是2μm电光相位调制器价格昂贵，在2μm波段附近调制效果差，调制深度小，很难获得频率偏差信号，因此无法得到很好的稳频效果。
发明内容
本发明克服了基于法布里-珀罗腔的2μm激光边带调制稳频法中对电光相位调制器性能的依赖，从而无需对激光频率进行调制，即可实现2μm激光频率的稳定。
本发明提供了一种基于共焦法布里-珀罗腔的非调制2μm激光稳频方法，技术方案如下：
本发明的装置包括：2μm单块非平面环形腔激光器(1)、光隔离器(2)、第一偏振分光棱镜(3)、1/2波片(4)、第二偏振分光棱镜(5)、第一反射镜(6)、第二反射镜(7)、第三反射镜(8)、共焦法布里-珀罗腔(9)、第一光电探测器(10)、第二光电探测器(11)、P-I控制电路(12)、驱动电压器(13)、压电陶瓷(14)和LD泵浦源(15)。
所述2μm单块非平面环形腔激光器(1)输出的光束为波长为2μm的单频光束；所述第一偏振分光棱镜(3)、第二偏振分光棱镜(5)、第一反射镜(6)、第二反射镜(7)与入射光夹角均为π/4并固定于支架上；所述1/2波片(4)与入射光夹角为π/2并固定于支架上；所述第三反射镜(8)可绕中心轴旋转，其旋转角度可通过螺丝固定；所述共焦法布里-珀罗腔(9)内两光线L1与L2夹角为θ。
本发明是这样实现的：第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)与P-I控制电路(12)连接，P-I控制电路(12)与驱动电压器(13)连接，驱动电压器(13)连接压电陶瓷(14)，压电陶瓷(14)粘着于2μm单块非平面环形腔激光器(1)的一个面上。2μm单块非平面环形腔激光器(1)发出的激光经光隔离器(2)后，由第一偏振分光镜(3)分束，一路光沿原传播方向继续传播，用作检测光，另一路光沿与原传播方向垂直的方向传播，经1/2波片(4)、第二偏振分光镜(5)，旋转1/2波片(4)使得第二偏振分光镜(5)分出的两路光的光功率相等，其中沿共焦法布里-珀罗腔(9)轴线方向传播的为L2，旋转第三反射镜(8)使得另一路光L1沿与共焦法布里-珀罗腔(9)轴线呈θ夹角的方向传播。
L1与L2在共焦法布里-珀罗腔(9)内光程不同，光程差使得透射的L1、L2存在频率差Δv，由于共焦法布里-珀罗腔(9)对不同的频率光透射率也不同，因此透射后的L1和L2光功率不同，经第一光电探测器(9)和第二光电探测器(11)转换成的电流值也不同，两者作差，得到电流差ΔI。若此时激光的波长为2μm，则L1具有最大透过率(可通过设计共焦法布里-珀罗腔(9)的腔长来实现)，通过选定特定夹角θ，可使此ΔI得到较小且趋近0的值。在θ角固定的情况下，激光频率的变化会使Δv增大，从而导致ΔI增大，将电流差信号传递给P-I控制电路(12)，P-I控制电路(12)处理增大的ΔI信号，并控制驱动电压器(13)，驱动压电陶瓷(14)使2μm单块非平面环形腔激光器(1)的腔长发生变化，使变化了的激光频率回归到之前的状态，达到稳频的效果。
本发明结构简单，成本低廉，工作可靠，可以获得良好的2μm激光稳频效果。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图中，1-2μm单块非平面环形腔激光器，2-光隔离器，3-第一偏振分光棱镜，4-1/2波片，5-第二偏振分光棱镜，6-第一反射镜，7-第二反射镜，8-第三反射镜，9-共焦法布里-珀罗腔，10-第一光电探测器，11-第二光电探测器，12-P-I控制电路，13-驱动电压器，14-压电陶瓷，15-LD泵浦源。
具体实施方式
如图1所示，本发明装置由激光光路(粗实线部分)和控制电路(细实线部分)构成。本发明的装置包括2μm单块非平面环形腔激光器(1)、光隔离器(2)、第一偏振分光棱镜(3)、第二偏振分光棱镜(5)、1/2波片(4)、第一反射镜(6)、第二反射镜(7)、第三反射镜(8)、共焦法布里-珀罗腔(9)、第一光电探测器(10)、第二光电探测器(11)、P-I控制电路(12)、驱动电压器(13)、压电陶瓷(14)和泵浦的LD激光器(15)。
将压电陶瓷(14)粘着于2μm单块非平面环形腔激光器(1)的一个面上，2μm单块非平面环形腔激光器(1)输出的光束为波长为2μm的单频光束；旋转1/2波片(4)，同时用第一光电探测器(10)、第二光电探测器(11)探测偏振分光棱镜(5)分出的两路光，并用示波器观测两路光对应电流的差值，当1/2波片(4)旋转到一定角度时，差值为0，停止旋转1/2波片，认为此时两路光的光功率相等；第一偏振分光棱镜(3)、第二偏振分光棱镜(5)、第一反射镜(6)、第二反射镜(7)与入射光夹角均为π/4并固定于支架上；所述1/2波片(4)与入射光夹角为π/2并固定于支架上；旋转第三反射镜(8)使得L1与L2呈θ的夹角，旋紧螺丝固定第三反射镜(8)的角度。
θ夹角的确定依据如下：L1与L2光的频率差Δv与θ夹角以及激光频率v存在一等式关系，在已知Δv和v的情况下，可以确定θ值。经分析计算，当Δv取法布里-珀罗腔的自由光谱区的值时，有最佳的稳频效果，依据Δv值和2μm激光对应的激光频率v求出θ值，以供实验操作。
光路部分调节完毕，将第一光电探测器(10)、第二光电探测器(11)对准L1，L2的透射方向，并连接到P-I控制电路(12)上，P-I控制电路(12)连接驱动电压器(13)，驱动电压器(12)连接压电陶瓷(14)。启动2μm单块非平面环形腔激光器(1)及开启P-I控制电路(12)和驱动电压器(13)，开始稳频，使用光波长计探测检测光L3，可观测稳频效果。
Claims (3)
1.基于法布里-珀罗腔的非调制2μm激光稳频方法和装置，包括2μm单块非平面环形腔激光器(1)、2μm光隔离器(2)、第一偏振分光棱镜(3)、1/2波片(4)、第二偏振分光棱镜(5)、第一反射镜(6)、第二反射镜(7)、第三反射镜(8)、共焦法布里-珀罗腔(9)、第一光电探测器(10)、第二光电探测器(11)、P-I控制电路(12)、驱动电压器(13)、压电陶瓷(14)、LD泵浦源(15)；2μm单块非平面环形腔激光器(1)输出的光束为波长为2μm的单频光束，该光束透过垂直入射进入第一偏振分光棱镜(3)，其出射光分成两路光束，其中一路光束沿原方向传播，作为检测光；另一路光束垂直入射1/2波片(4)后经第二偏振分光棱镜(5)再次分为两路光束，其中的一路光束经第一反射镜(6)、第二反射镜(7)、第三反射镜(8)后入射进入共焦法布里-珀罗腔(9)，该光束的光轴与共焦法布里-珀罗腔(9)的轴线呈θ角，该光束经共焦法布里-珀罗腔(9)后被第一光电探测器(10)探测；另一路光束沿共焦法布里-珀罗腔(9)的轴线方向传播，经共焦法布里-珀罗腔(9)后被第二光电探测器(11)探测。
2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，激光器为单块非平面环形腔的结构形式，其输出激光波长为2μm波段的单频光束。
3.如权利要求1所述的2μm法布里-珀罗腔，采用的是共焦法布里-珀罗腔，其腔长的选择可使入射的2μm激光沿其轴线方向具有最大的透过率。
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