CN102801100A - 提高激光器输出频率稳定度的装置及具有该装置的激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高激光器输出频率稳定度的装置及具有该装置的激光器，属于激光器技术领域。该装置：用于从激光器的激光光束中选择出预定频率的激光信号的第一吸收室、用于对所述第一吸收室选择出的激光信号进行低频调制的频率调制模块、用于从调制后的激光信号选择出所述预定频率的激光信号的第二吸收室、用于探测所述第二吸收室选择出的激光信号强度并输出第一光检信号的第一光电检测模块、用于根据所述第一光检信号与预定信号之间的差值输出第一纠偏电压的第一伺服模块、以及用于根据所述第一纠偏电压调整所述激光光束的频率的压电晶体驱动器。激光器：激光管和前述装置。本发明提高了激光器输出频率的稳定度。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种提高激光器输出频率稳定度的装置及具有该装置的激光器。
背景技术
激光器，是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。由于激光光束细小、方向性好、以及带着巨大的功率，激光器广泛运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面。
随着激光器的应用范围越来越广泛，对激光器输出频率的稳定度要求越来越高。现有技术提供了一种提高激光器输出稳定度的装置。该装置包括热沉、温度控制器和观测模块。热沉托住置于激光器中的激光增益介质，并与激光增益介质热接触；温度控制器与热沉热接触，间接调节激光增益介质的温度；观测模块与温度控制器连接，用于测量激光输出频率，并根据激光输出频率调整温度控制器的温度。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
激光器本身对激光增益介质的环境温度有一定的精度限制，现有技术控制激光增益介质的温度仅在一定精度的范围内提高激光器输出稳定度。针对激光器频率稳定度精度要求很高的重力梯度仪等高精度设备而言，现有技术无法满足其高精度激光稳频的要求。
发明内容
为了进一步提高激光器输出频率的稳定度，本发明实施例提供了一种提高激光器输出频率稳定度的装置及具有该装置的激光器。所述技术方案如下：
一种提高激光器输出频率稳定度的装置，所述装置包括：
用于从所述激光器的激光光束中选择出预定频率的激光信号的第一吸收室、用于对所述第一吸收室选择出的激光信号进行低频调制的频率调制模块、用于从调制后的激光信号选择出所述预定频率的激光信号的第二吸收室、用于探测所述第二吸收室选择出的激光信号强度并输出第一光检信号的第一光电检测模块、用于根据所述第一光检信号与预定信号之间的差值输出第一纠偏电压的第一伺服模块、以及用于根据所述第一纠偏电压调整所述激光光束的频率的压电晶体驱动器。
其中，所述装置还包括：
用于供所述激光光束通过的第一无源腔、用于探测透过所述第一无源腔的激光光束的强度并输出第二光检信号的第二光电检测模块、用于探测所述激光器的激光光束的强度并输出第三光检信号的第三光电检测模块、以及用于根据所述第二光检信号和所述第三光检信号之间的差值产生第二纠偏电压并将所述第二纠偏电压作用于所述压电晶体驱动器的第二伺服模块。
进一步地，所述第二伺服模块包括：
用于产生预设的调节电平的电平产生单元；及
用于对所述第二光检信号和所述第三光检信号之间的差值实施差分放大，并采用所述调节电平对差分放大后的差值进行补偿，以输出所述第二纠偏电压的运算放大器。
其中，所述装置还包括：
用于供所述激光光束通过的第二无源腔、用于探测透过所述第二无源腔的激光光束的强度并输出第四光检信号的第四光电检测模块、用于产生同步参考信号和调制信号的调制信号发生器和用于采用所述同步参考信号对所述第四光检信号进行相位检测的相检波模块；所述相检波模块分别与所述第四光电检测模块和所述压电晶体驱动器电连接；所述调制信号发生器分别与所述相检波模块和所述压电晶体驱动器电连接。
进一步地，所述装置还包括：
用于将所述调制信号发生器输出的调制信号先进行三分频再施加于所述压电晶体驱动器分频器；所述分频器连接在所述调制信号发生器和所述压电晶体驱动器之间。
具体地，所述第一光电检测模块为光电倍增管。
一种激光器，所述激光器包括产生并输出激光光束的激光管和前述的提高激光器输出频率稳定度的装置。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过第一吸收室从所述激光光束中选择出预定频率的激光信号，通过第二吸收室从调制后的第一吸收室选择出的激光信号再次选择出预定频率的激光信号；经过两次吸收过滤使得过滤出的预定频率的激光信号较为准确，精度较高；第一光电检测模块探测第二吸收室选择出的激光信号强度并输出第一光检信号，第一伺服模块根据第一光检信号与预定信号之间的差值输出第一纠偏电压，压电晶体驱动器根据第一纠偏电压调整激光器输出激光的频率；能够主动基于激光器外围电路对激光器进行频率的稳定，不受激光器本身的精度限制，提高了激光器的输出频率稳定度，满足高精度设备的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中提供的一种提高激光器输出频率稳定度的装置的示意图；
图2是本发明实施例1中提供的一种提高激光器输出频率稳定度的装置的示意图；
图3是本发明实施例1中提供的激光管输出信号的频率与第二纠偏电压的关系示意图；
图4是本发明实施例1中提供的一种提高激光器输出频率稳定度的装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
参见图1，本发明实施例1提供了一种提高激光器输出频率稳定度的装置。该激光器包括产生并输出激光光束的激光管1。其中，该装置包括：
用于从激光器的激光光束中选择出预定频率的激光信号的第一吸收室2、用于对第一吸收室2选择出的激光信号进行低频调制的频率调制模块3、用于从调制后的激光信号选择出预定频率的激光信号的第二吸收室4、用于探测第二吸收室4选择出的激光信号强度并输出第一光检信号的第一光电检测模块5、用于根据第一光检信号与预定信号之间的差值输出第一纠偏电压的第一伺服模块6、以及用于根据第一纠偏电压调整该激光光束的频率的压电晶体驱动器7。
具体地，激光管1为传统意义上的激光光源，用以产生激光光束。一般地，激光管1包括用于在激励作用下实现粒子数反转以产生激光输出的激光增益介质、用于提供产生激励作用的能量的泵浦源和用于放大或振荡激光以控制激光输出方向与频率的腔镜。此为现有技术，不再详述。
其中，第一吸收室2内充有气体，以对激光器输出的激光光束进行过滤，输出预定频率的激光信号。该预定频率为该气体原子的吸收中心频率。具体地，当激光光束射入第一吸收室2内时，一方面，光束中频率不等于第一吸收室2内原子吸收中心频率的光，将被第一吸收室2吸收；另一方面，光束中频率等于第一吸收室2内原子吸收中心频率的光，将通过第一吸收室2，几乎不被吸收。这样，通过第一吸收室2，能够过滤掉激光光束中不需要的激光频率信号，而选出所需的激光频率信号。
其中，频率调制模块3用于产生一个低频调制信号至第一吸收室2选出的激光频率信号，以实现对第一吸收室2选出的激光频率信号进行相应的低频调制。
其中，第二吸收室4与第一吸收室2工作原理相同，不再详述。
其中，第一光电检测模块5可以为光电倍增管。
其中，第一伺服模块6采用现有激光鉴频技术。通过第一伺服模块6，可以得到激光管1输出激光频率与用户所需频率（前述预定信号的频率）之间的差别；如果激光频率偏小则第一伺服模块6得到正第一纠偏电压；反之，如果激光频率偏大则相反。
可选地，第一伺服模块6还用于，根据第一光检信号的频率设置频率调制模块3产生的低频信号的频率。
其中，压电晶体驱动器7可以是安装在激光管1中腔镜上的压电陶瓷片。由于它的电致伸缩特性，当在其被施加第一伺服模块6输出的不同纠偏电压时，会使激光管1中的腔长发生改变，从而引起激光光束输出频率的变化，最终实现激光管1输出频率信号的稳定。
进一步地，参见图2，该装置还包括：
用于供激光光束通过的第一无源腔8、用于探测透过第一无源腔8的激光光束的强度并输出第二光检信号的第二光电检测模块9、用于探测激光管1产生的激光光束的强度并输出第三光检信号的第三光电检测模块10、以及用于根据所述第二光检信号和所述第三光检信号之间的差值产生第二纠偏电压并将第二纠偏电压作用于压电晶体驱动器7的第二伺服模块11。
具体地，第一无源腔8为一个金属螺旋腔体，其工作原理同第一吸收室2，用于对射入的激光光束进行选频输出。假设激光管1输出的激光光束频率为f’；第一无源腔8的中心频率为f；则第一无源腔8将射入其中的频率符合f的激光信号输出。
具体地，激光管1发出的激光光束透过第一无源腔8后，第二光电检测模块9探测该透过第一无源腔8的激光的强度并输出第二光检信号。
具体地，第三光电检测模块10用于探测激光管1输出的激光光束的强度并输出第三光检信号。其中，第二光电检测模块9和第三光电检测模块10均可以采用光电倍增管。
具体地，其中，第二伺服模块11分别与第二光电检测模块9、第三光电检测模块10和压电晶体驱动器7电连接。第二伺服模块11采用现有激光鉴频技术，用于对第二光检信号和第三光检信号进行频率鉴频（比较f’与f的大小），并输出预设的调节电平补偿后的正或负的第二纠偏电压到压电晶体驱动器7。值得说明的是，第二伺服模块11与第一伺服模块6可为同一部件。
进一步地，该第二伺服模块11包括运算放大器11a和电平产生单元11b。
具体地，现有的伺服模块采用运算放大器11a，对第二光检信号和第三光检信号实施差分放大，并根据差分放大后的差值产生第二纠偏电压。本发明实施例1中的第二伺服模块11采用电平产生单元11b产生预设的调节电平对差分放大后的差值进行补偿；运算放大器11a再根据补偿后的差值产生第二纠偏电压。
具体地，参见图3，横坐标为激光管1输出激光信号的频率；纵坐标为第二伺服模块11输出的第二纠偏电压。在本发明实施例1中，通过选择合适的调节电平，可以将该激光管1输出的频率信号锁定在第一无源腔8的腔谐振频率曲线的斜率最大值（如图3中fk所示）处。也就是说，当激光管1输出的信号频率f’=fk时，运算放大器11a输出的第二纠偏电压为0，而当激光管1输出的信号频率f’>fk（f’<fk）时，第二纠偏电压为一反向的负（正）值直流电平，最终将激光管1输出频率锁定在f’=fk。由于该斜率最大值fk远离第一无源腔的中心频率，该处离中心频率较远，频率单一性好，所以将激光管1输出频率锁定在f’=fk处，可以进一步提高激光管1的输出信号频率的稳定度。
值得说明的是，电平产生单元11b产生的预设的调节电平的大小由f与第二纠偏电压之间的大小关系决定。现有激光鉴频技术中，当激光频率对准第一无源腔8中心频率时，经伺服电路后将获得0电平，不会引起压电晶体驱动器7变化。本发明实施例1中引入的调节电平由一个A/D产生，当激光频率对准第一无源腔8谱线斜率最大值点时，经第二伺服模块11后将获得一个不为0的电平，此时第二伺服模块11中加入一个高速运算放大器11a工作于差分模式，用刚才A/D产生的直流电平与伺服电路产生的不为0电平进行补偿，从而最终使第二伺服模块11输出为0电平。显然当激光频率位于第一无源腔8中心频率时，伺服电路输出为0，而本发明实施例1中第二伺服模块11输出并不为0。
更进一步地，参见图4，该装置还包括：
用于供激光光束通过的第二无源腔12、用于探测透过第二无源腔12的激光光束的强度并输出第四光检信号的第四光电检测模块13、用于产生同步参考信号和调制信号的调制信号发生器14和用于采用同步参考信号对第四光检信号进行相位检测的相检波模块15。其中，相检波模块15分别与第四光电检测模块13和压电晶体驱动器7电连接；调制信号发生器14分别与相检波模块15和压电晶体驱动器7电连接。
具体地，第二无源腔12和第四光电检测模块13分别同第一无源腔8和第二光电检测模块9，在此不再详述。值得说明的是，第一无源腔8与第二无源腔12可以为同一部件；第二光电检测模块9和第四光电检测模块13可以为同一部件。
具体地，调制信号发生器14用于产生低频信号分别至相检波模块15和压电晶体驱动器7。
具体地，相检波模块15为一个相位检测装置，用于将调制信号发生器14产生的低频信号作为同步参考信号，将第二光检信号作为鉴相信号，分别对两者进行相位检测，并输出第三纠偏电压至压电晶体驱动器7。从而引起激光管1的输出频率的变化，提高激光管1的输出信号频率的长期稳定度。
其中，该装置还包括分频器16，该分频器16连接在调制信号发生器14和压电晶体驱动器7之间，用于将调制信号发生器14输出的调制信号先进行三分频，再施加于压电晶体驱动器7。考虑到激光系统本身谱线中心点存在频率不单一的情况，加入了分频器16对输入压电晶体驱动器7的调制信号进行三分频，这样可以很好的消除激光本底的影响。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过第一吸收室从所述激光光束中选择出预定频率的激光信号，通过第二吸收室从调制后的第一吸收室选择出的激光信号再次选择出预定频率的激光信号；经过两次吸收过滤使得过滤出的预定频率的激光信号较为准确，精度较高；第一光电检测模块探测第二吸收室选择出的激光信号强度并输出第一光检信号，第一伺服模块根据第一光检信号与预定信号之间的差值输出第一纠偏电压，压电晶体驱动器根据第一纠偏电压调整激光器输出激光的频率；能够主动基于激光器外围电路对激光器进行频率的稳定，不受激光器本身的精度限制，提高了激光器的输出频率稳定度，满足高精度设备的需求。
实施例2
本发明实施例2提供了一种激光器，该激光器包括产生并输出激光光束的激光管1，该激光器还包括本发明实施例1中描述的提高激光器输出频率稳定度的装置。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过第一吸收室从所述激光光束中选择出预定频率的激光信号，通过第二吸收室从调制后的第一吸收室选择出的激光信号再次选择出预定频率的激光信号；经过两次吸收过滤使得过滤出的预定频率的激光信号较为准确，精度较高；第一光电检测模块探测第二吸收室选择出的激光信号强度并输出第一光检信号，第一伺服模块根据第一光检信号与预定信号之间的差值输出第一纠偏电压，压电晶体驱动器根据第一纠偏电压调整激光器输出激光的频率；能够主动基于激光器外围电路对激光器进行频率的稳定，不受激光器本身的精度限制，提高了激光器的输出频率稳定度，满足高精度设备的需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种提高激光器输出频率稳定度的装置，其特征在于，所述装置包括：
用于从激光器的激光光束中选择出预定频率的激光信号的第一吸收室、用于对所述第一吸收室选择出的激光信号进行低频调制的频率调制模块、用于从调制后的激光信号选择出所述预定频率的激光信号的第二吸收室、用于探测所述第二吸收室选择出的激光信号强度并输出第一光检信号的第一光电检测模块、用于根据所述第一光检信号与预定信号之间的差值输出第一纠偏电压的第一伺服模块、以及用于根据所述第一纠偏电压调整所述激光光束的频率的压电晶体驱动器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
用于供所述激光光束通过的第一无源腔、用于探测透过所述第一无源腔的激光光束的强度并输出第二光检信号的第二光电检测模块、用于探测所述激光器的激光光束的强度并输出第三光检信号的第三光电检测模块、以及用于根据所述第二光检信号和所述第三光检信号之间的差值产生第二纠偏电压并将所述第二纠偏电压作用于所述压电晶体驱动器的第二伺服模块。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二伺服模块包括：
用于产生预设的调节电平的电平产生单元；及
用于对所述第二光检信号和所述第三光检信号之间的差值实施差分放大，并采用所述调节电平对差分放大后的差值进行补偿，以输出所述第二纠偏电压的运算放大器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
用于供所述激光光束通过的第二无源腔、用于探测透过所述第二无源腔的激光光束的强度并输出第四光检信号的第四光电检测模块、用于产生同步参考信号和调制信号的调制信号发生器和用于采用所述同步参考信号对所述第四光检信号进行相位检测的相检波模块；所述相检波模块分别与所述第四光电检测模块和所述压电晶体驱动器电连接；所述调制信号发生器分别与所述相检波模块和所述压电晶体驱动器电连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
用于将所述调制信号发生器输出的调制信号先进行三分频再施加于所述压电晶体驱动器分频器；所述分频器连接在所述调制信号发生器和所述压电晶体驱动器之间。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光电检测模块为光电倍增管。
7.一种激光器，所述激光器包括产生并输出激光光束的激光管，其特征在于，所述激光器还包括如权利要求1～6任一项所述的提高激光器输出频率稳定度的装置。
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