CN103887700A

CN103887700A - 一种能同时进行多束激光稳频的传输腔稳频装置

Info

Publication number: CN103887700A
Application number: CN201410104386.0A
Authority: CN
Inventors: 商俊娟; 曹健; 崔凯枫; 舒华林; 黄学人
Original assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: CN103887700B

Abstract

本发明公开了一种能同时进行多束激光稳频的传输腔稳频装置，涉及激光稳频领域。其中：摘要附图是一种能同时进行4束激光稳频的传输腔稳频装置的结构示意图。该稳频装置由传输腔（11）、参考激光器（1）、4个不同波长的待稳激光器（2、3、16、17）、透镜（4、5、6、18、19）、反射镜（7、10、20、21）、分光镜（8、9、22、23）、压电控制器（12）、计算控制器（13）、温度控制器（14）和光电探测器（15）组成。本发明的优点是：能同时锁定多束激光的频率，抑制多束激光频率的长期漂移，使用方便，并且节省了空间，降低了成本。可广泛用于激光物理、频标、量子信息等需要激光频率稳定的领域。

Description

一种能同时进行多束激光稳频的传输腔稳频装置

技术领域

本发明涉及激光稳频技术，更具体涉及采用传输腔来稳定激光频率的装置。适用于激光物理、频标、量子信息等需要激光频率稳定的领域。

背景技术

在精密光谱实验中，需要多束频率稳定的激光，激光频率的长期漂移需要满足小于1MHz/h,实验室中由于温度的变化、振动的影响等自由运转的激光器长期漂移大于100MHz/h，因此需要对激光进行稳频。在技术上可以利用法布里珀罗腔和饱和吸收进行稳频但比较复杂，并且很难找到合适的原子分子谱线满足稳频的需求，利用传输腔稳频只需要一台稳定度很高的激光器作参考，容易实现。在文献“PreciseFrequency-DriftMeasurementofExtended-CavityDiodeLaserStabilizedwithScanningTransferCavity”[KensukeMatsubara,satoshiUetake,HiroyukiItoetal.Jpn.J.Appl,Phys.,2005,44(1A):229-230]和“传输腔稳频的397nm半导体激光器”【曲万成，黄垚，管桦，黄学人，高克林。中国激光，38.0802008（2011）】中指出利用一套传输腔和一束参考激光来锁定一束397nm或者一束866nm激光。由于传输腔的腔长会随着温度的变化而变化，需要将传输腔锁定在高稳定的参考激光上，再将待稳激光锁定到传输腔上。其装置由传输腔、透镜、反射镜、分光镜、压电控制器、计算控制器、温度控制器和光电探测器八部分组成。原理是将参考激光和待稳激光耦合进传输腔，利用光电探测器探测参考激光和待稳激光的透射峰信号，通过计算控制器对信号进行处理，得到反馈电压反馈给激光器，抑制激光器的长漂。用温度控制器来控制传输腔的温度，抑制传输腔腔长漂移。其中计算控制器对信号处理的步骤如下（以λ₁为参考激光，λ₂为待稳激光为例），

步骤1.利用数模转换器读取光电探测器的信号，同时读取传输腔的压电陶瓷三角波扫描电压信号。

步骤2，根据扫描电压信号和光电探测器的信号在时间上的对应关系，提取出对应不同扫描电压值的时刻的光电探测器的信号幅值，并排列成输入信号数组，作为计算信号。

步骤3，根据实验者需要，在上述输入信号数组中设定的参考激光的第一个峰的位置查询信号的峰值，并获得峰值的位置，用此位置同设定位置做差，得到传输腔的漂移误差信号。

步骤4，对传输腔的漂移误差信号进行比例积分(PI)计算，计算结果乘以转换系数后得到腔的反馈电压信号。

步骤5，利用数模转换卡将上述腔的反馈电压信号叠加到传输腔的压电陶瓷的扫描信号上,完成腔的锁定。

步骤6，在输入信号数组中，设定待稳激光的峰的位置查询信号的峰值，并获得峰值位置，并进行如下计算：

得到待稳激光器误差信号。

步骤7，对待稳激光器误差信号做比例积分（PI）计算，计算结果乘以转换系数后得到λ₂激光器的反馈电压信号。

步骤8，利用数模转换卡将上述待稳激光器的反馈电压信号输出到λ₂激光器的PZT上，完成对待稳激光器的稳频。

在传输腔稳频中，需要用到如下技术：

束腰变换。在“激光原理，陈钰清，王静环，浙江大学出版社，111-115。”中，高斯光束通过薄透镜可改变光束束腰的大小和位置。公式如下：

w₀'²/w₀ ²＝1/[(1-z/f)2+π²w₀ ⁴/λ²f²]

1-z'/f＝(1-z/f)w₀'²/w₀ ²

其中z和z'为激光在通过透镜变换之前和之后的束腰到透镜的距离，f为透镜的焦距，w0和w₀'为激光在通过透镜变换之前和之后的束腰的大小，λ激光波长，入射光束的z和w₀已知，再确定f或者z+z'的值就可以算出出射光束的w₀'和z'。因此，利用透镜对激光的束腰大小和位置如何进行变换是目前本领域的常规技术。

利用反射镜与分光镜将多束激光合光，既不同频率的多束激光在空间上合成一束激光，是目前本领域的常规技术。

镜子镀增透膜能够同时使得多束指定波长的激光具有很高的透过率，而其它波长激光的透过率很低，镜子镀增透膜目前有多家公司可以加工，因此该技术是本领域的常规技术。

激光器稳频。自由运转的激光器的频率会漂移，选择一种合适的稳频方法得到激光器自由漂移的误差信号反馈给激光器的电流端口或者压电陶瓷，补偿激光器的频率，从而抑制了激光器的频率漂移，实现激光器的稳频。

传统的传输腔稳频方法只能用一套传输腔和一束参考激光锁定一束待稳激光，浪费空间，且成本高，在实验中需要多束稳定的激光的情况下，需要同时观察多套传输腔上锁定的激光是否脱锁，用起来复杂。因此本发明提出了一种集成的传输腔稳频装置，可以用一套传输腔装置和一束参考激光同时锁定多束激光，这样节省空间，大大节省了成本且操作简单方便。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能同时进行多束激光稳频的传输腔稳频装置，该传输腔稳频装置包含传输腔，参考激光器，待稳激光器，透镜，反射镜，分光镜，压电控制器，计算控制器，温度控制器和光电探测器。采用本发明的传输腔稳频装置，能同时锁定多束激光的频率，抑制多束激光频率的长期漂移。可广泛用于激光物理、频标、量子信息等需要激光频率稳定的领域。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种能同时进行多束激光稳频的传输腔稳频装置，该稳频装置包含传输腔，参考激光器，待稳激光器，透镜，反射镜，分光镜，压电控制器，计算控制器，温度控制器和光电探测器；参考激光器和待稳激光器前分别放置透镜，使得参考激光器和待稳激光器发出的激光经透镜束腰变换，使其束腰的大小和位置与传输腔中的法布里-玻罗腔的束腰大小相等，位置相同，通过束腰变换的参考激光和待稳激光经反射镜与分光镜合光，合光通过法布里-玻罗腔中第一腔镜和第二腔镜，照射到光电探测器的感光面上，光电探测器的输出端与计算控制器的输入端连接，计算控制器的输出端分别连接压电控制器和待稳激光器压电陶瓷输入端，压电控制器的输出端与法布里-玻罗腔中的压电陶瓷连接，温度控制器连接到传输腔的保护罩；其特征在于，该稳频装置还包含1～4个不同波长的待稳激光器，每个待稳激光器前放置一个透镜，各待稳激光器发出的激光经透镜束腰变换，其束腰的大小和位置与传输腔中的法布里-玻罗腔的束腰大小相等，位置相同，并经反射镜与分光镜使得各待稳激光器发出的激光均与参考激光器发出的激光合光，在法布里-玻罗腔中第一腔镜和第二腔镜上镀增透膜，该增透膜对参考激光器和各待稳激光器发出的激光透过率大于99%，对其它波长的激光透过率小于1%。

一种能同时进行多束激光稳频的传输腔稳频装置的工作流程：

（a）测量每束激光的束腰的大小w和位置z，计算传输腔的束腰的位置和大小。利用束腰变换公式选择合适的透镜及z和z',对每束激光分别进行束腰变换改变激光的束腰的大小和位置，使激光的束腰和传输腔中的法布里-玻罗腔的束腰大小相等，位置相同，实现激光的模式和法布里-玻罗腔的模式匹配。

（b）将所有激光合光

（c）用计算控制器输出的三角波电压经压电控制器处理后驱动传输腔的压电陶瓷。

（d）将合光之后的激光耦合进传输腔，既在计算控制器中可看到光电探测器接收的激光的透射峰。

（e）调节计算控制器的比例积分参数把传输腔锁定在参考激光上，然后把待稳定的激光分别锁定在传输腔上。

（g）用温度控制器控制传输腔的温度，保持传输腔的温度恒定，使激光的频率更稳定。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

能同时锁定多束激光的频率，抑制多束激光频率的长期漂移，使用方便，并且节省了空间，降低了成本。可广泛用于激光物理、频标、量子信息等需要激光频率稳定的领域。

附图说明

图1为一种能同时进行2束激光频率的传输腔稳频装置的结构示意图。

其中：1为参考激光器，2为第一待稳激光器、3为第二待稳激光器，4为第一透镜，5为第二透镜，6为第三透镜，7为第一反射镜，8为第一分光镜，9为第二分光镜，10为第二反射镜，11为传输腔，12为压电控制器，13为计算控制器，14为温度控制器，15为光电探测器。

图2为传输腔的结构示意图。

其中：111为传输腔的保护罩；112为第一腔镜；113为法布里-玻罗腔，114为压电陶瓷，115为第二腔镜。

图3为一种能锁定4束激光频率的传输腔稳频装置的结构示意图。

其中：1为参考激光器，2为第一待稳激光器、3为第二待稳激光器，4为第一透镜，5为第二透镜，6为第三透镜，7为第一反射镜，8为第一分光镜，9为第二分光镜，10为第二反射镜，11为传输腔，12为压电控制器，13为计算控制器，14为温度控制器，15为光电探测器，16为第三待稳激光器，17为第四待稳激光器，18为第四透镜，19为第五透镜，20为第三反射镜，21为第四反射镜，22为第三分光镜，23第四分光镜。

图4传输腔的透射峰信号。

其中：A为触发到参考激光透射峰之间的距离，B和C为待稳激光1的透射峰和待稳激光2的透射峰分别与参考激光的透射峰之间的距离，D为参考激光两个透射峰之间的相对距离。

图5在相同的条件下，激光器自由运转和经传输腔稳频后激光的频率随时间的变化，1000s内自由运转的激光器的频率漂移了120MHz，经传输腔稳频后激光的长期漂移为0.短期漂移为5MHz。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

实施例一

一种能同时进行两束激光稳频的传输腔稳频装置，由图1和图2可知，该稳频装置由传输腔11、参考激光器1、两个不同波长的待稳激光器：第一待稳激光器2、第二待稳激光器3、第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6，第一反射镜7、第二反射镜10、第一分光镜8、第二分光镜9、压电控制器12、计算控制器13、温度控制器14和光电探测器15组成。

第一待稳激光器2、第二透镜5、第一分光镜8、第二分光镜9、传输腔11和光电探测器15的的感光面依次放置；第一待稳激光器2、第二透镜5、传输腔11和光电探测器15的的感光面同轴；在参考激光器1前放置第一透镜4，第一透镜4前放置第一反射镜7；在第二待稳激光器3前放置第三透镜6，第三透镜6前放置第二反射镜10；三个透镜4、5、6所处的位置使得其所对应的参考激光器1和两台待稳激光器2、3发出的激光分别经这三个透镜4、5、6束腰变换，每个激光束腰的大小和位置正好与传输腔11中的法布里-玻罗腔113的束腰大小相等，位置相同；参考激光器1发出的激光经第一反射镜7反射到第一分光镜8与第一待稳激光器2发出的激光合光，第二待稳激光器3发出的激光经第二反射镜10反射到第二分光镜9与上述合光再合光；光电探测器15的输出端与计算控制器13的输入端连接，计算控制器13的输出端分别与压电控制器12的输入端、第一待稳激光器2和第二待稳激光器的压电陶瓷输入端连接，压电控制器12的输出端与法布里-玻罗腔113中的压电陶瓷114连接；在法布里-玻罗腔113中的第一腔镜112和第二腔镜115上镀增透膜，该增透膜对参考激光器和各待稳激光器发出的激光透过率大于99%，对其它波长的激光透过率小于1%，温度控制14连接到传输腔的保护罩111。

实施例二

一种能锁定4束激光频率的传输腔稳频装置，由图3和图2可知，该稳频装置由传输腔11、参考激光器1、四个不同波长的待稳激光器：第一待稳激光器2、第二待稳激光器3、第三待稳激光器16、第四待稳激光器17、第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6，第四透镜18、第五透镜19、第一反射镜7、第二反射镜10、第三反射镜20、第四反射镜21第一分光镜8、第二分光镜9、第三分光镜22、第四分光镜23、压电控制器12、计算控制器13、温度控制器14和光电探测器15组成。

第一待稳激光器2、第二透镜5、第一分光镜8、第二分光镜9、第三分光镜22、第四分光镜23、传输腔11和光电探测器15的的感光面依次放置；第一待稳激光器2、第二透镜5、传输腔11和光电探测器15的的感光面同轴；在参考激光器1前放置第一透镜4，第一透镜4前放置第一反射镜7；在第二待稳激光器3前放置第三透镜6，第三透镜6前放置第二反射镜10；在第三待稳激光器16前放置第四透镜18，第四透镜18前放置第三反射镜20；在第四待稳激光器17前放置第五透镜19，第五透镜19前放置第四反射镜21；五个透镜4、5、6、18、19所处的位置使得其所对应的参考激光器1和四台两个不同波长的待稳激光器2、3、16、17发出的激光分别经这五个透镜4、5、6、16、17束腰变换，每个激光束腰的大小和位置正好与传输腔11中的法布里-玻罗腔113的束腰大小相等，位置相同；参考激光器1发出的激光经第一反射镜7反射到第一分光镜8上与第一待稳激光器2发出的激光合光，第二待稳激光器3发出的激光经第二反射镜10反射到第二分光镜9上与上述合光再合光；第三待稳激光器16发出的激光经第三反射镜20反射到第三分光镜22上与上述合光再合光；第四待稳激光器17发出的激光经第四反射镜21反射到第四分光镜23上与上述合光再合光；光电探测器15的输出端与计算控制器13的输入端连接，计算控制器13的输出端分别与压电控制器12的输入端、第一待稳激光器2、第二待稳激光器、第三待稳激光去和第四待稳激光器的压电陶瓷输入端连接，压电控制器12的输出端与法布里-玻罗腔113中的压电陶瓷114连接；在法布里-玻罗腔113中的第一腔镜112和第二腔镜115上镀增透膜，该增透膜对参考激光器和各待稳激光器发出的激光透过率大于99%，对其它波长的激光透过率小于1%，温度控制14连接到传输腔的保护罩111。

Claims

1.一种能同时进行多束激光稳频的传输腔稳频装置，该稳频装置包含传输腔(11)，参考激光器(1)，待稳激光器，透镜，反射镜，分光镜，压电控制器(12)，计算控制器(13)，温度控制器(14)和光电探测器(15)；参考激光器和待稳激光器前分别放置透镜，使得参考激光器和待稳激光器发出的激光经透镜束腰变换，使其束腰的大小和位置与传输腔中的法布里-玻罗腔(113)的束腰大小相等，位置相同，通过束腰变换的参考激光和待稳激光经反射镜与分光镜合光，合光通过法布里-玻罗腔中第一腔镜(112)和第二腔镜(115)，照射到光电探测器(15)的感光面上，光电探测器(15)的输出端与计算控制器(13)的输入端连接，计算控制器(13)的输出端分别连接压电控制器(12)和待稳激光器压电陶瓷输入端，压电控制器(12)的输出端与法布里-玻罗腔(113)中的压电陶瓷（114）连接，温度控制器(14)连接到传输腔(11)的保护罩(111)；其特征在于，该稳频装置还包含1~4个不同波长的待稳激光器，每个待稳激光器前放置一个透镜，各待稳激光器发出的激光经透镜束腰变换，其束腰的大小和位置与传输腔中的法布里-玻罗腔(113)的束腰大小相等，位置相同，并经反射镜与分光镜使得各待稳激光器发出的激光均与参考激光器发出的激光合光，在法布里-玻罗腔(113)中第一腔镜(112)和第二腔镜(115)上镀增透膜，该增透膜对参考激光器和各待稳激光器发出的激光透过率大于99%，对其它波长的激光透过率小于1%。