CN102520516B - 一种高精细度微光学腔的锁定装置及其锁定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高精细度微光学腔的锁定，具体为一种高精细度微光学腔的锁定锁定装置及其锁定方法。本发明解决了高精细度微光学腔的腔长由于外界环境的影响极不稳定从而影响测量结果的问题。一种高精细度微光学腔的锁定装置，微光学腔固定在三级微腔被动隔振底座上；快速探测器的信号输出端与混频器的第二信号输入端相连；混频器的第一信号输出端经低频陷波滤波器、低通滤波器、第一PI控制器、高压放大器与第二片状压电陶瓷相连，混频器的第二信号输出端经高频陷波滤波器、高通滤波器、第二PI控制器与第一片状压电陶瓷相连。本发明所述的锁定装置可将微光学腔腔长锁定1小时以上，可广泛适用于激光光谱学、以及基础量子物理实验中。

Description

一种高精细度微光学腔的锁定装置及其锁定方法
技术领域
本发明涉及高精细度微光学腔的锁定，具体为一种高精细度微光学腔的锁定装置及其锁定方法。
背景技术
随着激光技术和微纳米控制技术的发展，微光学谐振腔由于其腔内损耗小、精细度高、模体积小、耦合因子高以及探测灵敏等特点，使得其在灵敏测量、激光稳频、激光光谱学、原子物理以及腔量子电动力学实验等方面起到重要的作用。对于高精细度腔与一般低精细度腔相比而言由于其腔镜为“超镜”(super mirror)，透射率极低，所以腔内损耗也极低；同时腔的精细度会很高，可以达到10万以上。利用精细度在10万以上的高品质微光学腔的增强效应，能够大大提高光学测试和分析的灵敏度，对微弱吸收、损耗的测量可以低于0.1ppm，从而可应用于气体痕量测量、环境监测、材料分析、生物医药、食品卫生、安全生产以及信息技术领域，具有重要的实用意义。在原子（分子、离子等）的测量研究领域中希望获得微腔与原子的强耦合相互作用，就必需严格控制高品质微光学腔的腔长，使其谐振频率稳定在特定波长附近。一般的光学谐振腔可以利用调频光谱技术获得光学谐振腔的色散曲线作为鉴频曲线，将光学谐振腔的长度锁定在激光的频率上,实现对微光学谐振腔腔长的控制（参见文献 李健，吴令安 光学学报 15（12），1995）；但是高精细度微光学腔的腔长极短且精细度极高，对外部干扰非常敏感，难以锁定。目前稳腔时主要采用被动稳定或主动锁定技术；被动稳腔主要采用各种良好的机械稳定系统或者采取振动隔离设计，如多级隔振底座等来降低环境温度漂移、大气变化、机械振动以及磁场等对微光学谐振腔腔长的影响，但是由于被动稳定在精度方面的局限性使其只适用于低精细度的光学腔的稳定，而对于精细度高达10万的光学腔的稳定尚不够有效；主动锁腔是采用单路反馈（参见文献 李健，吴令安 光学学报 15（12），1995），但反馈回路共振产生的噪声很难消除；所以二者对于高精细度微光学腔都无法实现锁腔。
发明内容
本发明为了解决高精细度微光学腔的腔长由于外界环境的影响极不稳定从而影响测量结果的问题，提供了一种高精细度微光学腔的锁定装置及其锁定方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种高精细度微光学腔的锁定装置，包括腔长为10μm-500μm、精细度大于10万且小于50万的微光学腔；微光学腔由工作于剪切模式的第一片状压电陶瓷、粘结在第一片状压电陶瓷上的第一镜片、工作于剪切模式的第二片状压电陶瓷、以及粘结在第二片状压电陶瓷上的第二镜片构成，第一片状压电陶瓷与第二片状压电陶瓷之间的距离为5.8-7.2mm；微光学腔固定在三级微腔被动隔振底座上；微光学腔的一侧设有光电灵敏度为1×106-1×107V/W的快速光电探测器；微光学腔的另一侧依次设有透镜组合（所述透镜组合选用单个凸透镜、或两个凸透镜、或两个凸透镜和一个凹透镜的组合）、相位调制器、以及稳定于工作波长的光栅外腔反馈半导体激光器；相位调制器的射频端与功率放大器的输出端相连，功率放大器的输入端与射频发生器的射频输出端相连，射频发生器的信号输出端与混频器的第一信号输入端相连；快速探测器的信号输出端与混频器的第二信号输入端相连；混频器的第一信号输出端经中心频率为44.1KHz的低频陷波滤波器、带宽为1KHZ的低通滤波器、第一PI控制器、电压起伏峰峰值小于10mv且输出端与信号接地端之间并联有200μF电容的高压放大器与第二片状压电陶瓷相连，混频器的第二信号输出端经中心频率为51.5KHZ的高频陷波滤波器、低频截止频率为0.03KHz的高通滤波器、第二PI控制器与第一片状压电陶瓷相连；高压放大器的信号输入端与信号发生器相连。
采用上述的一种高精细度微光学腔的锁定装置的锁定方法，包括如下步骤：
（1）打开稳定于工作波长的光栅外腔反馈半导体激光器，光栅外腔反馈半导体激光器发出的激光射入相位调制器中进行相位调制后经透镜组合使出射光的空间模式与微光学腔的空间模式匹配后进入微光学腔；
（2）快速探测器探测从微光学腔透射出来的光产生电信号与射频发生器的本地振荡信号一起进入混频器进行混频；
（3）从混频器输出的信号分为两路：一路经低频陷波滤波器、低通滤波器、第一PI控制器、高压放大器作用于微光学腔的第二片状压电陶瓷；另一路经高频陷波滤波器、高通滤波器、第二PI控制器作用于微光学腔的第一片状压电陶瓷；
（4）关闭第一PI控制器、第二PI控制器，打开与高压放大器的信号输入端相连的信号发生器，用高压放大器对微光学腔的腔长进行扫描得到腔透射谱，腔透射谱的峰值处对应微光学腔的共振频率                                                
Figure 42320DEST_PATH_IMAGE001
，此时微光学腔的腔长为
Figure 390125DEST_PATH_IMAGE002
；关闭信号发生器，打开第一PI控制器、第二PI控制器，当外界环境使微光学腔的腔长发生偏离时，快速探测器探测到的电信号会发生变化，经混频器输出的两路电信号反馈到微光学腔的第一片状压电陶瓷、第二片状压电陶瓷对微光学腔中第一镜片、第二镜片之间的距离进行微调从而使微光学腔的腔长恢复到
Figure 127137DEST_PATH_IMAGE002
，从而将微光学腔的腔长锁定在处。
本发明所述的锁定方法采用主动锁定和被动稳定相结合来实现对微光学腔腔长的锁定，被动稳定技术主要采用将微光学腔固定于三级微腔被动隔振底座上的方法，大大降低了外界机械振动对光学微腔控制的影响；同时主动锁定采用快速与慢速两路反馈信号反馈到微光学腔的方法，根据实时探测到的误差信号来主动判断腔长的波动，从而实现腔长较长时间的锁定。本发明所述的锁定装置可实现微光学腔腔长锁定时间大于1小时，如图4所示为微光学腔锁定后腔长起伏随积分时间变化的曲线图，可知微光学腔腔长的起伏最小可达到2.8×米(最右边数据点)；即微光学腔腔长的稳定精度达到
Figure 790834DEST_PATH_IMAGE004
米。
本发明所述高压放大器的输出端与信号接地端之间并联了200μF的高压电容，使其输出噪声峰峰值小于0.1 mV，极大地降低了环路中的噪声；同时第一片状压电陶瓷、第二片状压电陶瓷在频率为44.1KHz与51.5KHz时会发生共振，本发明所述的锁定方法在两路反馈回路中分别采用中心频率为44.1KHz的低频陷波滤波器、中心频率为51.5KHZ的高频陷波滤波器消除共振，大大改善了微光学腔的锁定效果。如图2所示为腔前锁定光功率为50nW时反馈到微光学腔的鉴频信号图，可知信噪比达到3.8；如图3所示，曲线1为高压放大器与信号发射器相连时的透射谱而曲线2为腔前锁定光功率为100nW时的光强图，曲线2几乎为一条直线，说明微光学腔锁定效果较好。
本发明所述的锁腔装置可将微光学腔腔长锁定1小时以上，解决了高精细度微光学腔的腔长由于外界环境的影响极不稳定从而影响测量结果的问题，可广泛适用于灵敏测量、激光稳频、激光光谱学、原子物理以及基础量子物理试验中。
附图说明
图1是本发明的连接示意图；其中：实线为光连接，虚线为电连接。
图2是腔前锁定光功率为50nW时反馈到微光学腔的鉴频信号图。
图3是腔前锁定光功率为100nW时微光学腔的锁定效果图；其中：曲线1为高压放大器与信号发射器相连时的透射谱，曲线2为腔前锁定光功率为100nW时的光强图。
图4是微光学腔锁定后腔长起伏随积分时间变化的曲线图。
图中：1-第一片状压电陶瓷；2-第一镜片；3-第二片状压电陶瓷；4-第二镜片；5-三级微腔被动隔振底座；6-快速探测器；7-透镜组合；8-相位调制器；9-光栅外腔反馈半导体激光器；10-功率放大器；11-射频发生器；12-混频器；13-低频陷波滤波器；14-低通滤波器；15-第一PI控制器；16-高压放大器；17-高频陷波滤波器；18-高通滤波器；19-第二PI控制器；20-信号发生器。
具体实施方式
一种高精细度微光学腔的锁定装置，包括腔长为10μm-500μm、精细度大于10万且小于50万的微光学腔；微光学腔由工作于剪切模式的第一片状压电陶瓷1、粘结在第一片状压电陶瓷1上的第一镜片2、工作于剪切模式的第二片状压电陶瓷3、以及粘结在第二片状压电陶瓷3上的第二镜片4构成，第一片状压电陶瓷1与第二片状压电陶瓷3之间的距离为5.8-7.2mm；微光学腔固定在三级微腔被动隔振底座5上；微光学腔的一侧设有光电灵敏度为1×106-1×107V/W的快速光电探测器6，微光学腔的另一侧依次设有透镜组合7、相位调制器8、以及稳定于工作波长的光栅外腔反馈半导体激光器9；相位调制器8的射频端与功率放大器10的输出端相连，功率放大器10的输入端与射频发生器11的射频输出端相连，射频发生器11的信号输出端与混频器12的第一信号输入端相连；快速探测器6的信号输出端与混频器12的第二信号输入端相连；混频器12的第一信号输出端经中心频率为44.1KHz的低频陷波滤波器13、带宽为1KHZ的低通滤波器14、第一PI控制器15、电压起伏峰峰值小于10mv且输出端与信号接地端之间并联有200μF电容的高压放大器16与第二片状压电陶瓷3相连，混频器12的第二信号输出端经中心频率为51.5KHZ的高频陷波滤波器17、低频截止频率为0.03KHz的高通滤波器18、第二PI控制器19与第一片状压电陶瓷1相连；高压放大器16的信号输入端与信号发生器20相连。所述透镜组合7选用单个凸透镜、或两个凸透镜、或两个凸透镜和一个凹透镜的组合。
采用上述的一种高精细度微光学腔的锁定装置的锁定方法，包括如下步骤：
（1）打开稳定于工作波长的光栅外腔反馈半导体激光器9，光栅外腔反馈半导体激光器9发出的激光射入相位调制器8中进行相位调制后经透镜组合7使出射光的空间模式与微光学腔的空间模式匹配后进入微光学腔；
（2）快速探测器6探测从微光学腔透射出来的光产生电信号与射频发生器11的本地振荡信号一起进入混频器12进行混频；
（3）从混频器12输出的信号分为两路：一路经低频陷波滤波器13、低通滤波器14、第一PI控制器15、高压放大器16作用于第二片状压电陶瓷3；另一路经高频陷波滤波器17、高通滤波器18、第二PI控制器19作用于第一片状压电陶瓷1；
（4）关闭第一PI控制器15、第二PI控制器19，打开与高压放大器16的信号输入端相连的信号发生器20，用高压放大器16对微光学腔的腔长进行扫描得到腔透射谱，腔透射谱的峰值处对应微光学腔的共振频率
Figure 659432DEST_PATH_IMAGE005
，此时微光学腔的腔长为
Figure 302903DEST_PATH_IMAGE002
；关闭信号发生器20，打开第一PI控制器15、第二PI控制器19，当外界环境使微光学腔的腔长发生偏离时，快速探测器6探测到的电信号会发生变化，经混频器12输出的两路电信号反馈到微光学腔的第一片状压电陶瓷1、第二片状压电陶瓷3对微光学腔中第一镜片2、第二镜片4之间的距离进行微调从而使微光学腔的腔长恢复到
Figure 106911DEST_PATH_IMAGE003
，从而将微光学腔的腔长锁定在
Figure 835833DEST_PATH_IMAGE006
处。

Claims (3)

1.一种高精细度微光学腔的锁定装置，包括腔长为10μm-500μm、精细度大于10万且小于50万的微光学腔；微光学腔由工作于剪切模式的第一片状压电陶瓷（1）、粘结在第一片状压电陶瓷（1）上的第一镜片（2）、工作于剪切模式的第二片状压电陶瓷（3）、以及粘结在第二片状压电陶瓷（3）上的第二镜片（4）构成，第一片状压电陶瓷（1）与第二片状压电陶瓷（3）之间的距离为5.8-7.2mm；其特征在于：微光学腔固定在三级微腔被动隔振底座（5）上；微光学腔的一侧设有光电灵敏度为1×106-1×107V/W的快速光电探测器（6），微光学腔的另一侧依次设有透镜组合（7）、相位调制器（8）、以及稳定于工作波长的光栅外腔反馈半导体激光器（9）；相位调制器（8）的射频端与功率放大器（10）的输出端相连，功率放大器（10）的输入端与射频发生器（11）的射频输出端相连，射频发生器（11）的信号输出端与混频器（12）的第一信号输入端相连；快速探测器（6）的信号输出端与混频器（12）的第二信号输入端相连；混频器（12）的第一信号输出端经中心频率为44.1KHz的低频陷波滤波器（13）、带宽为1KHZ的低通滤波器（14）、第一PI控制器（15）、电压起伏峰峰值小于10mV且输出端与信号接地端之间并联有200μF电容的高压放大器（16）与第二片状压电陶瓷（3）相连，混频器（12）的第二信号输出端经中心频率为51.5KHZ的高频陷波滤波器（17）、低频截止频率为0.03KHz的高通滤波器（18）、第二PI控制器（19）与第一片状压电陶瓷（1）相连；高压放大器（16）的信号输入端与信号发生器（20）相连。
2.根据权利要求1所述的一种高精细度微光学腔的锁定装置，其特征在于：所述透镜组合（7）选用单个凸透镜、或两个凸透镜、或两个凸透镜和一个凹透镜的组合。
3.采用如权利要求1所述的一种高精细度微光学腔的锁定装置的锁定方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）打开稳定于工作波长的光栅外腔反馈半导体激光器（9），光栅外腔反馈半导体激光器（9）发出的激光射入相位调制器（8）中进行相位调制后经透镜组合（7）使出射光的空间模式与微光学腔的空间模式匹配后进入微光学腔；
（2）快速探测器（6）探测从微光学腔透射出来的光产生电信号与射频发生器（11）的本地振荡信号信号一起进入混频器（12）进行混频；
（3）从混频器（12）输出的信号分为两路：一路经低频陷波滤波器（13）、低通滤波器（14）、第一PI控制器（15）、高压放大器（16）作用于第二片状压电陶瓷（3）；另一路经高频陷波滤波器（17）、高通滤波器（18）、第二PI控制器（19）作用于第一片状压电陶瓷（1）；
（4）关闭第一PI控制器（15）、第二PI控制器（19），打开与高压放大器（16）的信号输入端相连的信号发生器（20），用高压放大器（16）对微光学腔的腔长进行扫描得到腔的透射谱，腔透射谱的峰值处对应微光学腔的共振频率                                                
Figure 271017DEST_PATH_IMAGE001
，此时微光学腔的腔长为
Figure 538050DEST_PATH_IMAGE002
；关闭信号发生器（20），打开第一PI控制器（15）、第二PI控制器（19），当外界环境使微光学腔的腔长发生偏离时，快速探测器（6）探测到的电信号会发生变化，经混频器（12）输出的两路电信号反馈到微光学腔的第一片状压电陶瓷（1）、第二片状压电陶瓷（3）上对微光学腔中第一镜片（2）、第二镜片（4）之间的距离进行微调从而使微光学腔的腔长恢复到
Figure 736950DEST_PATH_IMAGE003
，从而将微光学腔的腔长锁定在
Figure 999304DEST_PATH_IMAGE004
处。
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