CN101958505B - 双波长外腔共振系统的频率锁定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光频率锁定技术，具体是一种双波长外腔共振系统的频率锁定装置。本发明解决了目前尚无一种利用HC锁频技术对双波长外腔共振系统进行频率锁定的装置的问题。双波长外腔共振系统的频率锁定装置包括第一激光器、第二激光器、第一二分之一波片、第二二分之一波片、非线性晶体、以及“8”字环形腔；所述“8”字环形腔包括第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、以及压电陶瓷。本发明解决了目前尚无一种利用HC锁频技术对双波长外腔共振系统进行频率锁定的装置的问题，其不仅适用于非线性光学频率变换，还可以应用到量子光学、微量气体检测等领域。

Description

双波长外腔共振系统的频率锁定装置

技术领域

本发明涉及激光频率锁定技术，具体是一种双波长外腔共振系统的频率锁定装置。

背景技术

双波长外腔共振是实现非线性光学频率转换的重要技术之一。一般来说，非线性光学频率转换是通过将两束激光经过聚焦后在晶体内重叠，实现两波长光的频率转换，然而通常晶体的转换效率与光功率密度平方成正比，因此两激光直接转换效率非常低。双波长外腔共振作为一种可以提高非线性光学频率转换效率的技术被广泛应用到相关领域，其主要是通过选择合适的腔结构参数如：腔长、腔镜曲率半径以及腔镜反射率等来搭建外部谐振腔，当两激光频率与外部谐振腔同时共振时，两个基频光功率就会在腔内放大十倍、百倍甚至更高。同时，两基频光在晶体处的腰斑也可以通过腔长、腔镜曲率半径的设置来控制。基于双波长外腔共振的非线性光学频率变换过程中，两个基频光源输出频率会在外界条件扰动下发生改变，同时外部谐振腔内空气的流动和机械振动也会使腔长发生微小改变，造成腔模频率的不稳定。这两个不稳定因素会导致非线性频率转换不能连续、高效地进行。因此在实际应用中，需要对双波长外腔共振系统进行频率锁定，使两基频光与腔模三者的频率相对稳定。

频率锁定的实质是选取一个参考频率作为标准值，当激光频率偏离标准值时对其进行鉴别，产生一个反映这一偏差的误差信号，该误差信号不仅能够指明偏离标准值的量，而且还能指明偏离方向，然后将误差信号转变为执行信号反馈回来，通过控制系统自动调节腔长、激光控制电流或温度，就可以使激光工作频率锁定在特定的频率上，频率锁定的关键是获得稳定且信噪比高的误差信号。目前，频率锁定的方法主要有Pound-Drever-Hall（PDH）锁频技术、Hansch-Couillaud（HC）锁频技术等。其中，PDH锁频技术是通过对激光进行频率调制（调制频率约MHz量级）后与外腔相互作用，将入射腔镜的反射信号进行解调，从而获得腔模频率调制光谱的色散信号，这一信号对于锁频位置具有奇函数特征，可以用来作为误差信号。目前针对双波长外腔共振系统的频率锁定的方法主要是PDH锁频技术。Emmanuel等人于2009年在Physics Optics上发表了题为“Solid-state laser system for laser cooling of Sodium”的论文，该工作就是利用PDH锁频技术对双波长外腔共振系统进行频率锁定。PDH锁频技术的优点是具有高的灵敏度和信噪比，缺点则是需要对激光频率进行高频调制，对基频光损耗较大，且需要对信号进行高频探测，过程比较复杂。HC锁频技术是一项基于偏振态检测的误差信号产生技术，主要是通过在腔内放置一个双折射晶体，输入的线偏振光入射到晶体后会沿竖直方向和水平方向进行分解，由于两个方向对应的晶体折射率不同，两者不会同时共振，当竖直偏振方向的光与腔发生共振时，水平方向的光会完全反射，这样反射信号由于腔对两个偏振方向的相移不同，使其偏振态随激光与腔模失谐频率而变化，因此通过对偏振态的检测就可以获得具有奇函数特征的误差信号。HC锁频技术所需的光路比较简单，且可直接产生误差信号，无需加调制等优点使它特别适合双波长外腔共振系统的频率锁定，然而目前并没有一种利用HC锁频技术对双波长外腔共振系统进行频率锁定的装置。

发明内容

本发明为了解决目前尚无一种利用HC锁频技术对双波长外腔共振系统进行频率锁定的装置的问题，提供了一种双波长外腔共振系统的频率锁定装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：双波长外腔共振系统的频率锁定装置，包括第一激光器、第二激光器、第一二分之一波片、第二二分之一波片、非线性晶体、以及“8”字环形腔；所述“8”字环形腔包括第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、以及压电陶瓷；其中，第一腔镜、第二腔镜位于同一直线上；第三腔镜、第四腔镜、非线性晶体位于同一直线上；非线性晶体位于第三腔镜和第四腔镜之间；压电陶瓷固定于第二腔镜外表面；第一二分之一波片位于位于第一激光器的出射端与第一腔镜之间，第二二分之一波片位于第二激光器的出射端与第三腔镜之间；第一腔镜的反射端设有第一HC锁频系统；所述第一HC锁频系统包括第一四分之一波片、第一偏振分束器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一减法器；其中，第一四分之一波片位于第一腔镜的反射端，第一偏振分束器位于第一四分之一波片的透射端，第一光电探测器、第二光电探测器分别位于第一偏振分束器的两输出端，第一减法器的两输入端分别连接第一光电探测器的输出端和第二光电探测器的输出端；第三腔镜的反射端设有第二HC锁频系统；所述第二HC锁频系统包括第二四分之一波片、第二偏振分束器、第三光电探测器、第四光电探测器、第二减法器；其中，第二四分之一波片位于第三腔镜的反射端，第二偏振分束器位于第二四分之一波片的透射端，第三光电探测器、第四光电探测器分别位于第二偏振分束器的两输出端，第二减法器的两输入端分别连接第三光电探测器的输出端和第四光电探测器的输出端；第一减法器的输出端连接有第一PID控制器，第一PID控制器的输出端连接有第一高压放大器，第一高压放大器的输出端与压电陶瓷的输入端相连；第二减法器的输出端连接有第二PID控制器，第二PID控制器的输出端与第二激光器的电压调制端口相连。

工作时，从第一激光器出射的激光经过第一二分之一波片后从第一腔镜入射耦合到“8”字环形腔内，先后经过第二腔镜、第三腔镜、非线性晶体、第四腔镜后行进一周返回到第一腔镜与入射光束重合。

由于非线性晶体具有双折射效应，通过调节第一二分之一波片可使得入射到“8”字环形腔的激光的偏振方向与非线性晶体非寻常光轴（e轴）的方向成一个角度，从而使入射到“8”字环形腔内的激光在非线性晶体内分为沿寻常光轴（o轴）偏振的光和沿非寻常光轴（e轴）偏振的光，沿寻常光轴偏振的光称为o光，沿非寻常光轴偏振的光称为e光。由于第一腔镜对第一激光器出射的激光具有一定的透射率，这时第一腔镜后的反射光包含三部分：被第一腔镜直接反射的光、往返一周后透射的o光、往返一周后透射的e光；

由于o光和e光在“8”字环形腔内的相移不同，使得两模不能同时共振，因此不管是o光共振还是e光共振，共振位置处都存在一个不共振的与之垂直的偏振光，满足HC频率锁定的条件，因此会在e和o共振模式处都存在一个误差信号，可以分别选择锁定激光频率到e共振模或o共振模频率处。以o光共振为例，具体分析如下：e光由于不共振而完全由第一腔镜反射，其相移为零，而o光经过在腔内往返相干叠加之后产生了与“8”字环形腔腔模频率失谐相关联的相移，即当o光完全共振时，其相移也为零，o光和e光叠加后的反射光为线偏振光；而当失谐为正负时，o光不完全共振，“8”字环形腔对其产生了一定的正负相移，使得反射光变成了左旋或右旋椭圆偏振光。

第一腔镜后的反射光通过由第一四分之一波片和第一偏振分束器组成的偏振检测机制后分成两束相互垂直的线偏振光，并分别进入第一光电探测器和第二光电探测器中，两光电探测器将探测到的光信号转变为电信号，并将两电信号输入第一减法器中相减产生误差信号。当第一腔镜后的反射光为线偏振光时，误差信号为零，而当第一腔镜后的反射光为左旋或右旋椭圆偏振光时，误差信号为正或负。如图3（c）所示，在一个周期内，一个过零信号代表e光共振模式处的误差信号，另一个过零信号代表o光共振模式处的误差信号。采用这样的误差信号进行频率锁定，可以将激光分别锁定到e共振模或o共振模。将所得误差信号输入到第一PID控制器中，对其比例增益以及积分带宽进行设置后反馈到第一高压放大器上，第一高压放大器把反馈信号进行放大并控制压电陶瓷，使其沿其长度方向发生微小的伸缩变化，从而使“8”字环形腔的腔长发生微小改变，对腔模频率进行改变，以此实现“8”字环形腔腔模频率到第一激光器输出频率的锁定。

从第二激光器出射的激光经过第二二分之一波片后从第三腔镜入射耦合到“8”字环形腔内，先后经过非线性晶体、第四腔镜、第一腔镜、第二腔镜后行进一周返回到第三腔镜与入射光束重合。

同样，由于第三腔镜对第二激光器出射的激光具有一定的透射率，第三腔镜后的反射光通过由第二四分之一波片和第二偏振分束器组成的偏振检测机制后分成两束相互垂直的线偏振光，并分别进入第三光电探测器和第四光电探测器中，两光电探测器将探测到的光信号转变为电信号，并将两电信号输入第二减法器中相减产生误差信号。所得误差信号输入到第二PID控制器中，对其比例增益以及积分带宽进行设置后反馈到第二激光器上，通过对第二激光器的频率扫描实现第二激光器输出频率到“8”字环形腔腔模频率的锁定。

这样，“8”字环形腔腔模频率锁定到第一激光器的输出频率上，第二激光器的输出频率锁定到“8”字环形腔腔模频率上，从而实现了三者之间的相位关联锁定，使三者之间的频率相对稳定。

第四腔镜的透射端可作为“8”字环形腔的输出端连接光电探测器和示波器，如图2所示，通过示波器输出的曲线图可以获知三者之间的频率锁定情况。

本发明所述的双波长外腔共振系统的频率锁定装置首次采用HC锁频技术对双波长外腔共振系统进行频率锁定，实现了两激光器与环形腔腔模频率之间的级联锁定，即将环形腔腔模频率锁定到第一激光器的输出频率上，将第二激光器的输出频率锁定到环形腔腔模频率上；本发明所述的双波长外腔共振系统的频率锁定装置可以应用于非线性频率转换过程的和频、差频过程中，其便于频率转换光的扫描调谐，即通过对第一激光器的扫描就可以实现频率转换光的扫描；与采用PDH锁频技术进行双波长外腔共振系统的频率锁定相比，本发明所述的双波长外腔共振系统的频率锁定装置具有所需光路比较简单、可直接产生误差信号、无需加调制等优点。

本发明解决了目前尚无一种利用HC锁频技术对双波长外腔共振系统进行频率锁定的装置的问题，其不仅适用于非线性光学频率变换，还可以应用到量子光学、微量气体检测等领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的示波器所输出的透射曲线图。

图3是本发明的示波器所输出的误差信号曲线图。

图1中：1-第一激光器，2-第二激光器，3-第一二分之一波片，4-第二二分之一波片，5-第一腔镜，6-第二腔镜，7-第三腔镜，8-第四腔镜，9-非线性晶体，10-压电陶瓷，11-第一四分之一波片，12-第二四分之一波片，13-第一偏振分束器，14-第二偏振分束器，15-第一光电探测器，16-第二光电探测器，17-第三光电探测器，18-第四光电探测器，20-第一减法器，21-第二减法器，22-第一PID控制器，23-第二PID控制器，24-第一高压放大器；

图2中：（a）为第一激光器和第二激光器的“8”字环形腔透射曲线，（b）为“8”字环形腔腔模频率锁定到第一激光器的输出频率后第二激光器的透射曲线，（c）为第二激光器的输出频率锁定到“8”字环形腔腔模频率后的透射曲线；

图3中：（a）为第一光电探测器接收到的反射光强曲线，（b）为第二光电探测器接收到的反射光强曲线，（c）为误差信号曲线，（d）为“8”字环形腔透射曲线。

具体实施方式

双波长外腔共振系统的频率锁定装置，包括第一激光器1、第二激光器2、第一二分之一波片3、第二二分之一波片4、非线性晶体9、以及“8”字环形腔；所述“8”字环形腔包括第一腔镜5、第二腔镜6、第三腔镜7、第四腔镜8、以及压电陶瓷10；其中，第一腔镜5、第二腔镜6位于同一直线上；第三腔镜7、第四腔镜8、非线性晶体9位于同一直线上；非线性晶体位于第三腔镜和第四腔镜之间；压电陶瓷10固定于第二腔镜6外表面；第一二分之一波片3位于位于第一激光器1的出射端与第一腔镜5之间，第二二分之一波片4位于第二激光器2的出射端与第三腔镜7之间；第一腔镜5的反射端设有第一HC锁频系统；所述第一HC锁频系统包括第一四分之一波片11、第一偏振分束器13、第一光电探测器15、第二光电探测器16、第一减法器20；其中，第一四分之一波片11位于第一腔镜5的反射端，第一偏振分束器13位于第一四分之一波片11的透射端，第一光电探测器15、第二光电探测器16分别位于第一偏振分束器13的两输出端，第一减法器20的两输入端分别连接第一光电探测器15的输出端和第二光电探测器16的输出端；第三腔镜7的反射端设有第二HC锁频系统；所述第二HC锁频系统包括第二四分之一波片12、第二偏振分束器14、第三光电探测器17、第四光电探测器18、第二减法器21；其中，第二四分之一波片12位于第三腔镜7的反射端，第二偏振分束器14位于第二四分之一波片12的透射端，第三光电探测器17、第四光电探测器18分别位于第二偏振分束器14的两输出端，第二减法器21的两输入端分别连接第三光电探测器17的输出端和第四光电探测器18的输出端；第一减法器20的输出端连接有第一PID控制器22，第一PID控制器22的输出端连接有第一高压放大器24，第一高压放大器24的输出端与压电陶瓷10的输入端相连；第二减法器21的输出端连接有第二PID控制器23，第二PID控制器23的输出端与第二激光器2的电压调制端口相连；

第一四分之一波片11的快轴方向与非线性晶体9的非寻常光方向夹角为45度，第一偏振分束器13的两个特征轴方向与非线性晶体9相同；第二四分之一波片12的快轴方向与非线性晶体9的非寻常光方向夹角为45度，第二偏振分束器14的两个特征轴方向与非线性晶体9相同；

具体实施时，所述第一激光器1和第二激光器2均为任何波长可调谐激光器，所述“8”字环形腔中第一腔镜5、第二腔镜6均为平面高反镜，第三腔镜7、第四腔镜8均为高反凹面镜，“8”字环形腔也可由三角环形腔或四方环形腔或六镜环形腔等所代替。所述非线性晶体9可以是KTP晶体、LBO晶体、PPKTP晶体、PPLN晶体等。在频率转换过程中，可以采用I类温度匹配或者II类角度匹配来实现准相位匹配。对于II类角度匹配，由于晶体的双折射效应使得光通过晶体时o光和e光发生走离，在外腔共振方案中会使得只有一个偏振方向的光共振，就达不到对o光和e光光强同时增强的目的，使得转换效率很难提高；为了克服这一缺陷，一种是将两个切割完全相同的晶体反向串接健合后来克服离散效应，如KTP晶体、LBO晶体等都可以反向串接健合，具体串接方式可以参考山西大学刘晶等人于1991年在光学学报上发表的题为“双KTP晶体倍频过程的实验研究”的论文；另一种是利用非线性极化率的周期跃变来获得近完全的相位匹配来实现频率转化效率的提高，如PPKTP晶体、PPLN晶体等。

Claims (2)

1.一种双波长外腔共振系统的频率锁定装置，其特征在于：包括第一激光器（1）、第二激光器（2）、第一二分之一波片（3）、第二二分之一波片（4）、非线性晶体（9）、以及“8”字环形腔；

所述“8”字环形腔包括第一腔镜（5）、第二腔镜（6）、第三腔镜（7）、第四腔镜（8）、以及压电陶瓷（10）；其中，第一腔镜（5）、第二腔镜（6）位于同一直线上；第三腔镜（7）、第四腔镜（8）、非线性晶体（9）位于同一直线上；非线性晶体（9）位于第三腔镜（7）和第四腔镜（8）之间；压电陶瓷（10）固定于第二腔镜（6）外表面；第一二分之一波片（3）位于位于第一激光器（1）的出射端与第一腔镜（5）之间，第二二分之一波片（4）位于第二激光器（2）的出射端与第三腔镜（7）之间；

第一腔镜（5）的反射端设有第一HC锁频系统；所述第一HC锁频系统包括第一四分之一波片（11）、第一偏振分束器（13）、第一光电探测器（15）、第二光电探测器（16）、第一减法器（20）；其中，第一四分之一波片（11）位于第一腔镜（5）的反射端，第一偏振分束器（13）位于第一四分之一波片（11）的透射端，第一光电探测器（15）、第二光电探测器（16）分别位于第一偏振分束器（13）的两输出端，第一减法器（20）的两输入端分别连接第一光电探测器（15）的输出端和第二光电探测器（16）的输出端；

第三腔镜（7）的反射端设有第二HC锁频系统；所述第二HC锁频系统包括第二四分之一波片（12）、第二偏振分束器（14）、第三光电探测器（17）、第四光电探测器（18）、第二减法器（21）；其中，第二四分之一波片（12）位于第三腔镜（7）的反射端，第二偏振分束器（14）位于第二四分之一波片（12）的透射端，第三光电探测器（17）、第四光电探测器（18）分别位于第二偏振分束器（14）的两输出端，第二减法器（21）的两输入端分别连接第三光电探测器（17）的输出端和第四光电探测器（18）的输出端；

第一减法器（20）的输出端连接有第一PID控制器（22），第一PID控制器（22）的输出端连接有第一高压放大器（24），第一高压放大器（24）的输出端与压电陶瓷（10）的输入端相连；第二减法器（21）的输出端连接有第二PID控制器（23），第二PID控制器（23）的输出端与第二激光器（2）的电压调制端口相连。

2.根据权利要求1所述的双波长外腔共振系统的频率锁定装置，其特征在于：第一四分之一波片（11）的快轴方向与非线性晶体（9）的非寻常光方向夹角为45度，第一偏振分束器（13）的两个特征轴方向与非线性晶体（9）相同；第二四分之一波片（12）的快轴方向与非线性晶体（9）的非寻常光方向夹角为45度，第二偏振分束器（14）的两个特征轴方向与非线性晶体（9）相同。

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