CN103855599A - 利用扫描共焦腔f-p干涉仪实现激光偏频锁定的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用F-P干涉仪进行激光偏频锁定的方法，该方法利用一采用传统绝对频率稳定方法锁定的主激光器作为参考，主从激光器激光共同经过F-P腔的出射信号的峰值时间差作为频率误差信号，实现主从激光器的偏频锁定。该方法无需射频器件就能实现大范围的偏频锁定，具有结构简单，稳定性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光频率锁定技术，具体涉及一种利用扫描共焦腔F-P干涉仪实现两个或者多个激光之间的偏频锁定方法，其主要用于需要精确控制多个激光器波长的系统，如差分吸收激光雷达系统。
背景技术
差分吸收激光雷达系统中往往需要多个频率稳定的激光光源，一些激光波长处于分子或者原子吸收谱线内，另外一些处于原子吸收谱线外。处于吸收谱线内的激光我们可以通过PDH（Pound-Drever-Hall）等现有成熟方法进行锁定，但是处于吸收谱线外的激光锁定比较困难。常规方法通过声光或者电光等激光移频设备把频率移到吸收谱线内进行锁定，这种方法的缺点为移频范围有限，而且需要非常多的射频元件（频率大于1GHz），成本高，技术复杂。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供了一种利用扫描共焦腔F-P干涉仪及时间测量技术的偏频锁定方法，原理如下：
首先主激光器利用目前成熟的绝对频率稳定技术进行稳频。稳频后的激光入射至一被压电扫描的F-P腔内，从F-P腔输出的信号作为绝对频率参考；然后把从激光器（被偏频锁定激光器）出射光也入射进F-P腔，此时出射信号和主激光器的出射信号之间有时间先后关系，通过测量这个时间变化来监控从激光器频率变化，并反馈给控制系统，对从激光器进行稳频。同理，可以可得，多台从激光器也可以用一样的方法进行锁定。
信号波形如图1所示，t0为波长为λ1的激光峰值出现时间，R0为波长为λ1的激光峰值出现时对应的F-P腔长，t1为波长为λ2的激光峰值出现时间，R1为波长为λ2的激光峰值出现时对应的F-P腔长变化，设压电陶瓷的扫描速度为Vs，则：
kλ1＝2R0 （1）
kλ2＝2R1 （2）
R1-R0＝Vs(t1-t0) （3）
（2）式减去（1），（3）带入（1）式得
Vs已知，t1-t0可以通过测量得到，则还需知道k才能求出波长的变化，由于对于一个特定的F-P腔，k为定值，我们可以用两束已知波长的激光入射F-P干涉仪，这样λ2-λ1已知，t1-t0可以测量得到，k值就能通过计算得到，之后就能测量其它波长激光的波长变化量。
所述主激光器采用常规绝对频率稳定方法。如利用分子或原子的吸收谱线以及其它频率参考作为绝对参考源，利用PDH技术对主激光器进行频率稳定。
所述F-P腔的输出信号由一光电探测器接收，并由TDC时间测量芯片进行时间测量。
所述主激光器激光经过F-P腔后输出信号中包含两个尖峰。两个尖峰出现的时间作为绝对频率参考。
所述F-P腔内包含可扫描腔长的PZT（压电陶瓷），压电陶瓷上加一锯齿波扫描信号，对F-P腔进行扫描。
所述F-P腔包含入射光阑和出射光阑，用于抑制杂光和激光器本身的高阶模激光。
所述从激光器为需要偏频锁定的激光器，其频率可调谐，从激光器可以是一个或者多个。
所述从激光器出射信号同样包含两个尖峰。
所述从激光器出射信号和主激光器的出射信号之间有时间先后关系是指主激光器出射信号峰值与从激光器出射信号峰值之间有时间差。
所述控制系统为常规PID控制系统。
本发明的有益效果是，由于偏频测定是由纯光学器件完成，因此不需要任何射频器件和射频设备就能使从激光器和主激光器之间的偏频到GHz甚至更高的频率，而且就一套设备就可以对多个激光进行偏频锁定，极大的减少了元件数量，降低了系统的复杂性，并且本方案可以应用在几乎所有的光学频率。
附图说明
图1为主、从激光器激光同时经过F-P干涉仪输出的信号。
图2为本发明的装置示意图。
图3为主激光器激光经过F-P干涉仪输出的信号。
具体实施方式
具体实施方式如图2所示，包括：主激光器、分光镜（BS2）、声光调制器（EOM）、气体池、光电探测器、本地振荡器、混频器（Mixer）、低通滤波器、PID控制器、分光镜（BS1）、聚焦透镜（L1）、带压电（PZT）的F-P干涉仪、比较器（C）、锯齿波发生器、放大器（A）、时间测量（TDC）单元、微处理器（MCU），可通过改变电流、温度或者内部压电陶瓷调整波长的从激光器。
主激光器可以通过改变电流和温度或者内部压电陶瓷调整波长，并采用常规方法，如PDH方法进行绝对频率稳定，具体如下：主激光器激光通过分束镜BS2，一部分光进入F-P腔，另外一部分进入EOM，EOM由一本地振荡器驱动，激光经过EOM后被移频，然后进入气体池，后面探测器接收从气体池出射的信号，该信号和本地振荡器的信号进行混频，得到的信号经过一低通滤波器，低通滤波器出来的信号即能反应主激光器的稳定性，PID控制器接收到此误差信号，对主激光器进行频率稳定。
锯齿波信号发射器发出一锯齿波，经过功率放大器后驱动F-P干涉仪内的压电陶瓷，从而实现对F-P干涉仪行腔长扫描。
主激光器出射激光经过BS2进入F-P腔，出射信号如图3所示。两个信号峰值之间的时间间隔为T1，如果扫描锯齿波恒定且主激光器已经锁定，该时间间隔为固定值。
从激光器出射激光经过BS1进入F-P干涉仪，此时光电探测器接收到两个波长的出射信号，如图1。出射信号经过TDC单元，即可得到两个激光出射信号峰值的时间差。T2即为主激光器信号峰值和从激光器信号峰值的时间差，该时间差反应的就是主激光器和从激光器之间的频率差。
Claims (4)
1.一种利用扫描共焦腔F-P干涉仪实现激光偏频锁定的方法，其特征是：用传统绝对频率锁定方法锁定主激光器，主激光器激光注入扫描共焦腔F-P干涉仪中，其出射信号出现的峰值时间作为参考，同时把一台或者多台从激光器激光注入到扫描共焦腔F-P干涉仪中，其出射信号和主激光器出射信号有时间差异，通过该差异能算出频率偏移，从而对从激光器进行偏频锁定。
2.根据权利要求1所述的一种利用扫描共焦腔F-P干涉仪实现激光偏频锁定的方法，其特征在于：所述的扫描共焦腔F-P干涉仪为腔长可扫描的共焦腔F-P干涉仪。
3.根据权利要求1所述的一种利用扫描共焦腔F-P干涉仪实现激光偏频锁定的方法，其特征在于：所述的主激光器通过调整其电流和温度或者压电来改变波长。
4.根据权利要求1所述的一种利用扫描共焦腔F-P干涉仪实现激光偏频锁定的方法,其特征在于：所述的从激光器通过调整其电流和温度或者压电来改变波长。
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