CN103384045A - 基于偏振分离萨格纳克环的无调制激光稳频装置 - Google Patents

Abstract

一种基于偏振分离萨格纳克环无调制激光稳频装置，该装置包括：一个可调谐外腔半导体激光器、用于提取稳频用激光的半波片及偏振分束镜、由偏振分束镜及两个全反镜构成的萨格纳克环、铷参考气室、四分之一波片、由偏振分束镜及两个探测器构成的平衡偏振探测装置及反馈系统等。本发明具有结构简单、稳定性好、稳频精度高且成本低廉的特点。

Description

基于偏振分离萨格纳克环的无调制激光稳频装置

技术领域

本发明涉及半导体激光器的稳频，特别是一种基于偏振分离萨格纳克（Sagnac）环的无调制激光稳频装置，主要应用于高分辨率光谱、激光冷却、原子钟和高精度测量等领域。

背景技术

外腔半导体激光器具有窄线宽，大调谐范围及灵活的波长选择性等优点，目前在激光冷却与原子捕获等领域具有较为广泛的应用。虽然外腔半导体激光器由于外部选频原件的存在较普通的半导体二极管激光器具有较高的频率稳定性及较窄的线宽，但仍难以满足以上应用中对激光器频率稳定性的严格要求，故需要通过外部反馈控制将激光器的频率稳定在原子或分子的吸收线上。目前较为常用的稳频方法是对激光器的频率进行调制，通过锁相放大技术将原子或分子的饱和吸收峰附近产生的高次谐波信号提取得到用于稳频的误差信号，并反馈回激光器的调谐机制中，使激光器的频率锁定到需要的吸收峰上。但调制稳频的方法需要通过调制激光器的驱动电流或利用外部声光调制器来实现对激光的频率调制，这样会引起激光线宽的展宽并且调制速度受到成本的限制，并且需要复杂的处理电路，这些都限制了频率稳定度的提高。【Bjorklund,G.C.,Frequency-modulationspectroscopy:a new method for measuring weak absorptions and dispersions.OpticsLetters,Vol.5,15-17,1980.】【J.E.Debs,N.P.Robins,A.Lance,M.B.Kruger,andJ.D.Close,Modulation-free laser frequency stabilization and detuning.AppliedOptics,Vol.47,5163-5166,2008.】。所以能够克服上述缺点的无调制稳频的技术成为了近年来的发展趋势。

目前无调制稳频的方案主要有：

在先方案之一是原子双向色性稳频法（Dichroic-Atomic-Vapor Laser Lock，DAVLL）【Kristan L.Corwin,Zheng-Tian Lu,Carter F.Hand,Ryan J.Epstein,andCarl E.Wieman.Frequency-stabilized diode laser with the Zeeman shift in an atomicvapor.Applied Optics,vol.37,3295-3298,1998】。该方案利用外加磁场产生Zeeman效应，使得原子的能级发生分裂，不同方向的圆偏振光在吸收峰处发生频移。通过外加磁场的原子参考气室后的光由一个1/4波片将其中包含的相反方向的圆偏振光转化为互相垂直的线偏振光后经探测器探测，相减后产生类色散信号，这类方法对外加磁场的稳定性有一定的要求，并且对于双折射敏感，需要仔细选择波片、PBS及原子气室的窗口材料的材料。

在先方案之二是激光偏振光谱技术【Pearman C.P.,Adams C.S.,Cox S.G.,Griffin P.F.,Smith D.A.,Hughes I.G..Polarization spectroscopy of a closed atomictransition:applications to laser frequency locking.Journal of Physics B:Atomic,Molecular and Optical Physics,vol.35,5141-5151,2002】。该方案利用圆偏振光对参考气室内的原子样品进行泵浦，造成样品原子角动量在空间分布上的不均匀成为各向异性介质；同时，另一束线偏振的探测光以相反方向入射到参考气室上，而线偏振光可以看成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的叠加，原子对两者的吸收系数不同，并且对应的折射率也不同，最终使探测光的偏振发生变化，通过平衡探测技术便可得到饱和吸收峰附近的类色散信号并作为理想的鉴频信号用于激光器的稳频。该方案具有高灵敏、高分辨和高信噪比的特点，但需要注意避免地磁场以及周围环境中的杂散磁场导致的原子能级分裂及磁光效应的不利影响。

在先方案之三是基于萨格纳克干涉仪的无调制稳频方案【陈迪俊,方祖捷,魏芳,蔡海文,瞿荣辉.外腔半导体激光器的无调制稳频装置.2009.】。该方案基于泵浦光及探测光的吸收光谱在饱和吸收峰附近的差异导致两束光之间存在折射率差异，利用萨格纳克干涉仪将由折射率差异导致的相位差解调出来。该萨格纳克干涉仪利用分束镜作为干涉仪的输入输出端，并利用全内反射的偏振相关性在萨格纳克干涉仪内插入1/2波片及全内反射棱镜在干涉仪内沿相反方向传播的两束光之间引入一个40°的附加相位差(Δδ)，直接探测干涉仪的输出光强的变化便可以得到饱和吸收峰附近的色散曲线。该方案光路调节相对简单，抗干扰性好，但是所得到误差信号的强度受到附加相位差Δδ的限制。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于偏振分离萨格纳克（Sagnac）环的无调制激光稳频装置。该装置可以解决常用无调制稳频中需要强磁场、光路调节复杂、对外界环境敏感并且误差信号信噪比小的缺点，可用于提高稳频系统的稳频精度及抗扰性。

本发明的核心思想是：根据克喇末-克朗尼格（Kramers-Kronig）关系，由于铷原子对探测光与吸收光的吸收系数不同而导致两者之间存在一定的折射率差。通过检测偏振分离萨格纳克环输出光偏振态的变化，可获得饱和吸收峰附近的色散关系用于稳频。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于偏振分离萨格纳克环的无调制激光稳频装置，其特点在于：在可调谐外腔半导体激光器的输出光传播方向依次设置第一半波片、第一偏振分束镜，第一偏振分束镜将激光光束分为透射光和反射光，反射光作为输出光，透射光作为稳频光，在所述的透射光方向是第二半波片和偏振分离萨格纳克环，该偏振分离萨格纳克环由沿光路方向依次连接的第二偏振分束镜、铷参考气室、第一全反射镜、第二全反射镜和第二偏振分束镜组成，所述的第二偏振分束镜即是该萨格纳克环的输入口又是萨格纳克环循环光的输出口，由第二偏振分束镜的输出口输出的光束经四分之一波片被第三偏振分束镜分为反射光及透射光，该反射光及透射光分别由第一光电二极管和第二光电二极管探测，第一光电二极管和第二光电二极管的输出端分别与减法电路的第一输入端、第二输入端相连，减法电路的输出端经开关和反馈电路接所述的可调谐外腔半导体激光器的频率控制端。

该装置利用铷的饱和吸收峰附近存在的色散关系。所述的外腔半导体激光器输出的光被分为两部分：其中一部分作为输出光用作其他实验，另一部分作为稳频光用于激光器的稳频。稳频光的偏振态经由半波片旋转后再由第二偏振分束镜分为偏振态互相垂直且强度为1:10的两束线偏振光，两束光在偏振分离萨格纳环中传播一周，并作为泵浦光及探测光在环内的铷参考气室处发生饱和吸收效应后再次合束作为萨格纳克环的输出光。所述的平衡探测器由偏振分束镜及两个光电二极管构成，将萨格纳克环的输出光经过四分之一波片旋转后进入所述的平衡探测器中便可得到泵浦光及探测光的相位差，即饱和吸收峰附近的色散信号作为误差信号。该误差信号经过所述的反馈系统经所述的外腔半导体激光器的频率控制端实现外腔半导体激光器的稳频。

本发明的特点和优点是：

本发明所用的萨格纳克环结构是共光路结构，可提高系统对环境及振动的抗干扰能力，由于采用的是平衡探测技术可以有效地提高误差信号的信噪比，另外摒弃对激光器频率进行调制后产生谐波信号的方案，极大地简化了电路，这三者结合到一起使整个系统结构简单、稳定性好、稳频精度高且成本低廉。

附图说明

图1是本发明基于偏振分离萨格纳克环的无调制激光稳频装置实施例结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明基于偏振分离萨格纳克环的无调制激光稳频装置实施例结构示意图，由图可见，本发明本发明基于偏振分离萨格纳克环的无调制激光稳频装置，在单频窄线宽的外腔半导体激光器1的输出光传播方向依次是第一半波片2、第一偏振分束镜3，该第一偏振分束镜3将激光束分为透射光和反射光，反射光作为输出光，透射光作为稳频光，透射光的偏振态经过第二半波片4后发生旋转后进入偏振分离萨格纳克环，偏振分离萨格纳克环由依次连接的第二偏振分束镜5、参考气室6、第一全反射镜7和第二全反射镜8组成，所述的第二偏振分束镜5即是该萨格纳克环的输入口又是萨格纳克环循环光的输出口，由该输出口输出的光束经过四分之一波片9后由第三偏振分束镜10分为反射光及透射光，该反射光及透射光分别由第一光电二极管11和第二光电二极管12探测，该第一光电二极管11和第二光电二极管12的输出端同时与减法电路13的输入端相连，该减法电路13的输出端经开关14和反馈电路15后接所述的外腔半导体激光器1的频率控制端。

本发明装置的基本原理如下：

在原子的饱和吸收峰处，由克喇末-克朗尼格（Kramers-Kronig）关系可知，折射率会随频率发生变化，并且折射率变化的色散曲线形状与误差信号的形状相似，可以用来稳频。假定用于稳频的光为x方向的线偏振光，初始状态光场的振幅可以表示成：

$E_0=\left[\begin{array}{c}{E}_{0x}\\ 0\end{array}\right]---\left(1\right)$

当光经过主轴方向与x方向成θ的第二半波片4转换后，光场的偏振态发生改变，可表示为 $\left[\begin{array}{c}{E}_{0x}\cos 2\mathrm{\θ}\\ E_{0x}\sin 2\mathrm{\θ}\end{array}\right],$ 接着经过第二偏振分束镜5分成偏振方向互相垂直的两束线偏振光进入萨格纳克环中沿相反的方向传播，调整θ使两束光的光强比为1:10，光强较大的光束为泵浦光，而光强较弱的光束作为探测光。当探测光经过铷参考气室6时，发生饱和吸收现象，折射率将会相对于饱和吸收峰中心频率对称变化，而泵浦光只经历多普勒吸收折射率并不存在这种变化，所以泵浦光及探测光在铷参考气室6中传播时则会出现一个光程差，可表示为

Δφ(ω)＝φ₂-φ₁＝2π[n₂(ω)-n₁(ω)]Lλ                   (2)

式中n₁和n₂分别为泵浦光及探测光在参考气室6中的折射率。萨格纳克环中传播的两束光最后由第二偏振分束镜5合束后输出，萨格纳克环输出的光场振幅为：

$E=E_{0x}\left[\begin{array}{c}{e}^{-{\mathrm{\α}}_1\left(\mathrm{\ω}\right)L/2}\cos 2\mathrm{\θ}\\ e^{-{\mathrm{\α}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)L/2}{e}^{\mathrm{i\Δ\φ}}\sin 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(3\right)$

萨格纳克环的输出光经过快轴方向与x轴方向成22.5°的四分之一波片9后光场的振幅变为：

$E=\frac{1}{\sqrt{2}}{E}_{0x}\left[\begin{array}{c}{e}^{-{\mathrm{\α}}_1\left(\mathrm{\ω}\right)L/2}\cos 2\mathrm{\θ}+i{e}^{-{\mathrm{\α}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)L/2}{e}^{\mathrm{i\Δ\φ}}\sin 2\mathrm{\θ}\\ e^{-{\mathrm{\α}}_1\left(\mathrm{\ω}\right)L/2}\cos 2\mathrm{\θ}-i{e}^{-{\mathrm{\α}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)L/2}{e}^{\mathrm{i\Δ\φ}}\sin 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(4\right)$

第一光电二极管11和第二光电二极管12处的光强分别为

$I_1=\frac{E_{0x}^2}{2}\{e^{-{\mathrm{\α}}_1\left(\mathrm{\ω}\right)L}{\cos }^{2}2\mathrm{\θ}$

$+2\sin \mathrm{\Δ\φ}{e}^{-[{\mathrm{\α}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\α}}_1\left(\mathrm{\ω}\right)]L/2}\cos 2\mathrm{\θ}\sin 2\mathrm{\θ}+e^{-{\mathrm{\α}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)L}{\sin }^{2}2\mathrm{\θ}\}---\left(5\right)$

$I_2=\frac{E_{0x}^2}{2}\{e^{-{\mathrm{\α}}_1\left(\mathrm{\ω}\right)L}{\cos }^{2}2\mathrm{\θ}$

$-2\sin \mathrm{\Δ\φ}{e}^{-[{\mathrm{\α}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\α}}_1\left(\mathrm{\ω}\right)]L/2}\cos 2\mathrm{\θ}\sin 2\mathrm{\θ}+e^{-{\mathrm{\α}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)L}{\sin }^{2}2\mathrm{\θ}\}---\left(6\right)$

经过减法电路13后的信号为：

$I_{\mathrm{err}}=2E_{0x}^2{e}^{-[{\mathrm{\α}}_2\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\α}}_1\left(\mathrm{\ω}\right)]L/2}\sin \mathrm{\Δ\φ}\cos 2\mathrm{\θ}\sin 2\mathrm{\θ}---\left(7\right)$

可以看出(7)式中包含了由于铷参考气体的饱和吸收所引起的折射率变化而产生的相位变化，可以用来稳定激光器的频率输出。

本稳频装置使用的具体步骤为：

1.打开外腔半导体激光器1，调节激光器参数，使激光器输出功率满足输出要求，转动第一半波片2使得稳频光达到所需要的功率，开关14打开。

2.转动第二半波片4使得经过第二偏振分束镜5分束后透射光与反射光光强比为1:10，调整第一全反射镜7、第二全反射镜8使萨格纳克环内沿相反方向传播的两束光重合。

3.加一定的锯齿波扫描电压和偏置电压到激光器的频率控制端，同时用示波器观察第一光电二极管11及第二光电二极管12处的信号，使得示波器上出现铷参考气体的吸收峰，减小锯齿波扫描电压幅度，在吸收峰附近处扫描同时用示波器观察减法电路13的信号，仔细旋转四分之一波片9使误差信号在所需的饱和吸收峰处过零。

4.逐渐调节锯齿波扫描电压的偏置电压并减小扫描电压的幅度到所需的误差信号上来，最终把扫描电压幅度减小至零，这时误差信号位于零值附近并且有较大的正负变化，闭合开关14并调节反馈电路15的参数，使反馈处于稳定的闭环状态，稳频成功。

本发明可广泛应用于利用各种原子气体作为频率参考的可调谐半导体激光器的频率稳定上。

Claims (2)

1.一种基于偏振分离萨格纳克环的无调制激光稳频装置，其特征在于：在可调谐外腔半导体激光器（1）的输出光传播方向依次设置第一半波片（2）、第一偏振分束镜（3），第一偏振分束镜（3）将激光光束分为透射光和反射光，反射光作为输出光，透射光作为稳频光，在所述的透射光方向是第二半波片（4）和偏振分离萨格纳克环，该偏振分离萨格纳克环由沿光路方向依次连接的第二偏振分束镜(5)、铷参考气室(6)、第一全反射镜(7)、第二全反射镜(8)和第二偏振分束镜(5)组成，所述的第二偏振分束镜(5)即是该萨格纳克环的输入口又是萨格纳克环循环光的输出口，由第二偏振分束镜(5)的输出口输出的光束经四分之一波片(9)被第三偏振分束镜(10)分为反射光及透射光，该反射光及透射光分别由第一光电二极管(11)和第二光电二极管(12)探测，第一光电二极管(11)和第二光电二极管(12)的输出端分别与减法电路(13)的第一输入端、第二输入端相连，减法电路(13)的输出端经开关（14）和反馈电路（15）接所述的可调谐外腔半导体激光器（1）的频率控制端。

2.根据权利要求1所述的基于偏振分离萨格纳克环的无调制激光稳频装置，其特征在于：所述的萨格纳克环的输入输出口均为第二偏振分束镜（5），输入的光经过所述的萨格纳克环传播一周后全部由输出端输出，为全通结构，且萨格纳克环内存在的相位差只会引起输出光偏振态的改变。

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