CN103326227A - 一种266nm紫外激光发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种266nm紫外激光发生器，以分子的振转跃迁中的超精细成分作为自然基准而实现的分子频标，解决了现有技术中将激光波长(频率)稳定在原子或离子的适当跃迁上，技术复杂、耗资巨大、研究周期长的问题。一种266nm紫外激光发生器，包括：单块双波长激光器、碘分子吸收稳频系统、第一倍频系统、第二倍频系统和伺服控制系统。本发明结合单块双波长激光器技术、碘分子吸收稳频技术和环形腔谐振倍频技术等多项关键技术，成功实现了266nm紫外标准波长激光的输出，其1s的频率稳定度优于

。

Description

一种266nm紫外激光发生器

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种266nm紫外激光发生器。

背景技术

在激光波长(频率)标准中，光学频率的稳定是将作为光源的激光器发出激光束的光学频率稳定在作为自然基准的特定粒子的适当跃迁上，这些特定粒子有原子、离子和分子。在这些可选的粒子中，相比较而言，原子或离子频标具有更高的频率稳定度，但技术复杂，耗资巨大，研究周期长。而以分子的振转跃迁中的超精细成分作为自然基准而实现的分子频标的激光频率(波长)稳定装置，尽管其长期频率稳定度低于原子或离子频标，但是结构相对简单，耗资较少，较易实现，并且具有极好的短期频率稳定度。

发明内容

本发明提出一种266nm紫外激光发生器，以分子的振转跃迁中的超精细成分作为自然基准而实现的分子频标，解决了现有技术中将激光波长(频率)稳定在原子或离子的适当跃迁上，技术复杂、耗资巨大、研究周期长的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种266nm紫外激光发生器，包括：单块双波长激光器、碘分子吸收稳频系统、第一倍频系统、第二倍频系统和伺服控制系统；

所述单块双波长激光器输出的其中一个波长是稳定的单频1064nm激光，另一个波长是将单频1064nm激光单次通过PPKTP倍频晶体而产生的532nm激光，所述532nm激光入射到所述碘分子吸收稳频系统，所述单频1064nm激光入射到第一倍频系统；

所述碘分子吸收稳频系统接收所述532nm激光，所述532nm激光经过λ/4波片和透镜，由偏振分束棱镜分为偏振方向相互垂直的两束激光，其中一束激光经过声光调制器和电光调制器进行调制，另一束激光未进行调制，两束激光反向进入碘室并产生非线性四波混频，未调制光束和新产生的边带经偏振合束棱镜导入光电差分探测器，通过双平衡混频器解调并与本振信号混频，得到误差信号，所述误差信号经过伺服控制系统分为快环路和慢环路两部分，快环路部分反馈控制单块双波长激光器单块谐振腔上的压电陶瓷，慢环路部分反馈在单块谐振腔的控温系统上；

所述第一倍频系统接收所述1064nm激光，所述1064nm激光经过λ/4波片和λ/2波片转换成线偏振光，匹配透镜将1064nm基频光耦合到第一倍频腔体内，所述第一倍频腔包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，第一探测器和第二探测器监视第一倍频腔激光波长与谐振腔共振波长之间的失调，失调时产生的误差信号经伺服控制系统处理，并反馈到第一倍频腔压电陶瓷的驱动器；

所述第二倍频系统接收532nm激光，所述532nm激光经过λ/4波片和λ/2波片转换成线偏振光，匹配透镜将532nm基频光耦合到第二倍频腔体内，第二倍频腔包括第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜和第八反射镜，第三探测器和第四探测器监视第二倍频腔激光波长与谐振腔共振波长之间的失调，失调时产生的误差信号经伺服控制系统处理，并反馈到第二倍频腔压电陶瓷的驱动器。

可选地，所述第一反射镜、第二反射镜、第五反射镜和第六反射镜为平面反射镜，所述第三反射镜、第四反射镜、第七反射镜和第八反射镜为凹面反射镜。

可选地，所述第一反射镜和第五反射镜为耦合镜。

可选地，所述第一倍频腔包括PPKTP倍频晶体。

可选地，所述第二倍频腔包括BBO倍频晶体。

本发明的有益效果是：

(1)紫外激光发生器性能稳定、结构紧凑、抗干扰能力强；

(2)1s的频率稳定度优于

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明266nm紫外激光发生器的控制框图；

图2为图1中单块双波长激光器的结构框图；

图3为图1中碘分子吸收稳频系统的结构框图；

图4为图1中第一倍频系统的结构框图；

图5为图1中第二倍频系统的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

原子或离子频标技术复杂，耗资巨大，研究周期长。532nm固体激光波长与碘分子吸收光谱相符合，在符合的光谱范围内，有着丰富的由基态起始跃迁的纯净谱线。本发明结合单块双波长激光器技术、碘分子吸收稳频技术和环形腔谐振倍频技术等多项关键技术，成功实现了266nm紫外标准波长激光的输出，其1s的频率稳定度优于

如图1所示，本发明的266nm紫外激光发生器包括：单块双波长激光器10、碘分子吸收稳频系统20、第一倍频系统30、第二倍频系统40及伺服控制系统50。

单块固体激光器集单向环形腔优良的单模特性与单块腔极好的稳定性于一身构造而成，该激光器的线宽或频率噪声小于几十千赫，具有几十个吉赫的大跨度频率调谐和(5▲10)GHz的单频不跳模连续频率调谐范围，其方向性和光束空间特征接近衍射极限，具有杰出的对音频或机械振动噪声的抑制能力，可产生瓦级的优质单频输出功率，特别是它具有优良的开环频率和功率稳定性。采用噪声压缩技术后，其强度噪声水平可降低到接近量子噪声极限，特别适合于光频标和对激光频谱质量及噪声、光束的时间和空间稳定性、频率控制和调谐范围等有较高要求的各种领域。

单块双波长激光器10为双波长输出，其中一个波长是稳定的单频1064nm红外激光，另一个波长是将单频1064nm激光单次通过PPKTP倍频晶体180而产生的532nm倍频光。单块双波长激光器的光路系统如图2所示，808nm半导体激光二极管111和808nm半导体激光二极管112发射的激光经偏振合束棱镜(PBS)150合光后入射到密封单块谐振腔170中，激励键合Nd:YAG单块晶体171，产生1064nm近红外激光。第一分束棱镜141对808nm泵浦光高透射，对1064nm激光高反射。1064nm激光经窗口161入射到第二分束棱镜142，经第二分束棱镜142透射的1064nm激光入射到噪声抑制单元190中，使用光电反馈噪声抑制单元实现激光强度噪声的有效抑制。经第二分束棱镜142反射的1064nm激光经过波片181作偏振态调整后，经过聚焦透镜123进入PPKTP倍频晶体180，倍频后的光束经过准直透镜124进行准直和调整光束的空间分布形状。第三分束棱镜143对1064nm的激光高透射，对532nm倍频光高反射，它用于将532nm倍频光和1064nm基频光在空间上分开，从而分别输出，其中532nm倍频光经反射镜132入射到碘分子吸收稳频系统20，用于将532nm激光频率锁定到碘分子R(56)32-0超精细结构中的a10分量频率上进行稳频；另外的单频1064nm红外激光入射到第一倍频系统30中，用于产生高稳定、高功率输出的532nm倍频谐振光。

在532nm波长附近，碘分子存在着下能级为基态的强吸收谱线，这种强吸收的存在使得有可能降低碘室冷指温度到低于零下10摄氏度，相当于碘分子的蒸汽压降到1Pa以下。对于激光频率的稳定和计量而言，这种低的压力意味着碰橦引入的压力加宽和位移的减小。在这种低的压力下，一方面有可能使用更小的激光功率，而更小功率的使用可以降低功率加宽和功率位移；另一方面，可以使用更长的吸收长度或采用折叠光路，这种有效吸收光路的延长可以获得更窄的吸收谱线，提高信噪比。对于调制转移光谱技术而言，随着碘蒸汽压力的降低，调制频率应作相应降低，这种降低实现的可能，要求在所用激光器的相应频谱范围内，应该具有极低的噪声，而单块固体环形激光器采用噪声抑制技术后，在该范围内的强度噪声可接近量子噪声极限。

对532nm激光进行稳频，常用的是饱和吸收稳频法，以碘元素的超精细谱线的频率作为参考频率进行稳频。稳频装置采用碘气体分子的超精细谱线中的吸收谱线的频率作为参考频率进行稳频，选择的吸收谱线应具有谱线纯、强度大等优点，a₁₀分量吸收谱线满足要求。

碘分子吸收稳频系统的结构框图如图3所示，532nm激光经过λ/4波片201和透镜202实现空间偏振态调整后，由偏振分束棱镜211分为偏振方向相互垂直的两束光，其中一束经过声光调制器220和电光调制器221对激光进行调制，另一束激光未进行调制，两束光反向进入碘室250，通过控温装置保持碘室温度稳定，在碘室250中，两束光产生非线性四波混频，实现边带由调制光束向未调制光束的转移。未调制光束和新产生的边带经偏振合束棱镜213导入光电差分探测器(DET)222，通过双平衡混频器223解调并与本振信号混频，得到误差信号。该误差信号经过伺服控制系统50，分为快慢环路两部分。快环路部分反馈控制单块双波长激光器10单块谐振腔上的压电陶瓷，通过改变应力从而改变激光器单块谐振腔的腔长，调整单块激光的输出频率，实现单块激光器快速小范围的跟踪与锁定。慢环路部分反馈在单块谐振腔的控温系统上，通过改变单块谐振腔的温度改变激光的谐振频率，从而实现激光频率的大范围的锁定。伺服控制系统50同时采用快环反馈的快速跟踪特性和慢环反馈的大范围锁定特性，最终实现将激光器的频率稳定在参考频率上。

固体激光波长都工作在近红外区，直接产生短波长的激光非常困难，采用非线性频率变换获得紫外激光是非常有效的方法。

激光倍频分为腔外倍频和腔内倍频，腔内倍频可以获得较高的能量转换效率，但腔外倍频易于实现。腔外倍频又分单次通过倍频晶体倍频和外腔增强倍频，其中单次通过倍频的能量转换效率较低，而外腔增强倍频可以获得比较高的能量转换效率，然而它需要对外腔仔细地调整和一套电子学锁腔系统，并且在随时对频率有调谐要求，特别是对快速频率调谐响应方面，不如单次通过倍频途径使用方便。在外腔增强倍频中常用的倍频腔有两镜腔(驻波腔)和环形腔(行波腔)。两镜腔调整容易，并且两镜腔可以获得比较高的转换效率，但是两镜腔具有固有的由镜面反射引起的光学反馈，必须加入光学隔离器以减小其影响。环形腔又可分为单块环形腔和分立元件环形腔。单块环形倍频腔加工困难，并且不易于大范围频率的连续调谐。相比之下，分离元件环形腔，尽管效率低于两镜腔和单块环形腔，但是它从根本上避免了直接光反馈，避免了加工困难，能够进行大范围调谐，又容易同时实现激光频率的锁定。近年来，利用准相位匹配途径获得高效倍频光的技术引起了人们越来越多的关注，例如PPKTP、PPLN、PPKN等晶体，特别引人注意的是PPKTP倍频晶体，它对1064nm至532nm的激光频率倍频而言，其工作温度接近室温，并且它的综合的光学、物理和化学特性，使得它成为一种人们非常感兴趣采用的倍频晶体。

此外，通过使用两个外腔环形谐振腔，可将激光二倍频扩展应用于激光四倍频。

第一倍频系统的结构框图如图4所示，1064nm基频椭圆偏振光经过λ/4波片301和λ/2波片302转换成线偏振光，实现空间偏振态匹配。匹配透镜303将1064nm基频光耦合到环形倍频腔310体内，实现空间模式匹配。倍频腔310由平面反射镜M1、平面反射镜M2和凹面反射镜M3、凹面反射镜M4组成、其中平面反射镜M1为耦合镜，用于实现基频光束从腔外到腔内的耦合，其透过率经过特殊选择，以实现“阻抗匹配”。反射镜M2、反射镜M3、反射镜M4对基频光具有高反射率，其中反射镜M4同时对倍频光具有高透过率，以便实现532nm倍频光的有效提取。图中的探测器1和探测器2用于监视倍频腔激光波长与谐振腔共振波长之间的失调。失调时产生的误差信号经伺服控制系统50处理，并反馈到倍频腔压电陶瓷的驱动器，通过压电陶瓷的伸缩调节腔长，实现倍频腔310与入射1064nm激光之间的跟踪与锁定。在激光频率与倍频腔310共振频率梳中的某一频率一致时，腔内光功率由于谐振作用而获得增强，产生远大于单次通过PPKTP倍频晶体时的532nm倍频光功率。

第二倍频系统的结构框图如图5所示，532nm基频椭圆偏振光经过λ/4波片401和λ/2波片402转换成线偏振光，实现空间偏振态匹配。匹配透镜403将532nm基频光耦合到环形倍频腔410体内，实现空间模式匹配。环形腔410由平面反射镜M5、平面反射镜M6和凹面反射镜M7、凹面反射镜M8组成、其中平面反射镜M5为耦合镜，用于实现基频光束从腔外到腔内的耦合，其透过率经过特殊选择，以实现“阻抗匹配”。反射镜M6、反射镜M7、反射镜M8对基频光具有高反射率，其中反射镜M8同时对倍频光具有高透过率，以便实现266nm倍频光的有效提取。图中的探测器3和探测器4用于监视倍频腔410激光波长与谐振腔共振波长之间的失调。失调时产生的误差信号经伺服控制系统50处理，并反馈到倍频腔410压电陶瓷的驱动器，通过压电陶瓷的伸缩调节腔长，实现倍频腔410与入射532nm激光之间的跟踪与锁定。在激光频率与倍频腔410共振频率梳中的某一频率一致时，腔内光功率由于谐振作用而获得增强，产生远大于单次通过BBO倍频晶体时的266nm倍频光功率。

本发明的266nm紫外激光发生器性能稳定、结构紧凑、抗干扰能力强，其1s的频率稳定度优于

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (5)

1.一种266nm紫外激光发生器，其特征在于，包括：单块双波长激光器、碘分子吸收稳频系统、第一倍频系统、第二倍频系统和伺服控制系统；

所述单块双波长激光器输出的其中一个波长是稳定的单频1064nm激光，另一个波长是将单频1064nm激光单次通过PPKTP倍频晶体而产生的532nm激光，所述532nm激光入射到所述碘分子吸收稳频系统，所述单频1064nm激光入射到第一倍频系统；

所述碘分子吸收稳频系统接收所述532nm激光，所述532nm激光经过λ/4波片和透镜，由偏振分束棱镜分为偏振方向相互垂直的两束激光，其中一束激光经过声光调制器和电光调制器进行调制，另一束激光未进行调制，两束激光反向进入碘室并产生非线性四波混频，未调制光束和新产生的边带经偏振合束棱镜导入光电差分探测器，通过双平衡混频器解调并与本振信号混频，得到误差信号，所述误差信号经过伺服控制系统分为快环路和慢环路两部分，快环路部分反馈控制单块双波长激光器单块谐振腔上的压电陶瓷，慢环路部分反馈在单块谐振腔的控温系统上；

所述第一倍频系统接收所述1064nm激光，所述1064nm激光经过λ/4波片和λ/2波片转换成线偏振光，匹配透镜将1064nm基频光耦合到第一倍频腔体内，所述第一倍频腔包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，第一探测器和第二探测器监视第一倍频腔激光波长与谐振腔共振波长之间的失调，失调时产生的误差信号经伺服控制系统处理，并反馈到第一倍频腔压电陶瓷的驱动器；

所述第二倍频系统接收532nm激光，所述532nm激光经过λ/4波片和λ/2波片转换成线偏振光，匹配透镜将532nm基频光耦合到第二倍频腔体内，第二倍频腔包括第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜和第八反射镜，第三探测器和第四探测器监视第二倍频腔激光波长与谐振腔共振波长之间的失调，失调时产生的误差信号经伺服控制系统处理，并反馈到第二倍频腔压电陶瓷的驱动器。

2.如权利要求1所述的266nm紫外激光发生器，其特征在于，所述第一反射镜、第二反射镜、第五反射镜和第六反射镜为平面反射镜，所述第三反射镜、第四反射镜、第七反射镜和第八反射镜为凹面反射镜。

3.如权利要求2所述的266nm紫外激光发生器，其特征在于，所述第一反射镜和第五反射镜为耦合镜。

4.如权利要求3所述的266nm紫外激光发生器，其特征在于，所述第一倍频腔包括PPKTP倍频晶体。

5.如权利要求3所述的266nm紫外激光发生器，其特征在于，所述第二倍频腔包括BBO倍频晶体。

Images