CN103986053B - 连续可调谐激光的频率锁定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光频率锁定技术，具体是一种利用调制解调把激光器锁定到透射峰可调谐的光纤光栅上，获得激光的高频率稳定性和锁定波长可调谐的方法。解决了激光器锁定后不能连续调谐的问题。对通过光栅的激光进行波长调制，使用锁相放大器解调获得鉴频信号，把反馈信号加载到激光器调制端口，实现激光器的频率锁定到光栅的透射峰上。改变环境温度调节光纤光栅透射波长获得锁定激光的波长可调谐输出。本发明压缩了激光器的频率起伏，实现了连续可调谐的高频率稳定性的激光输出。

Description

连续可调谐激光的频率锁定系统及方法

技术领域

本发明属于光学领域，涉及激光稳频技术，具体是一种连续可调谐激光的频率锁定系统，利用调制解调技术把激光器频率锁定到窄带可调谐光栅的透射峰上，获得激光的高频率稳定性和锁定波长可调谐的方法。

背景技术

频率稳定的可调谐激光器在原子分子光谱、精密测量和光通信领域中具有重要的应用，因此人们发展了许多方法用于锁定激光频率。锁定激光频率需要一个稳定的参考源作为频率标准，利用反馈系统把激光频率实时锁定到参考源上。通常的参考源是原子或者分子的吸收谱线或者荧光光谱，这种方法能把激光器锁定在与吸收线或荧光对应的固定的频率附近，然而激光器锁定后不能连续调谐。另外一种常用的激光器锁定的方法采用光学谐振腔（FP腔）作为参考源，FP腔具有可调谐、稳定性高等特性，改变FP腔的长度能够实现激光器锁定后的连续调谐。由于直接锁定在FP腔的方法没有对应吸收线作为参考源，也有人把两种方法组合，首先把参考激光锁定在原子或分子吸收线上，再把FP腔锁在参考激光上，最后把激光锁定到FP腔上，但是高精细度FP腔结构复杂，易受到外界环境干扰，同时存在成本高，难以维护的问题。

发明内容

本发明为了解决存在的上述问题，提供了一种连续可调谐激光的频率锁定系统及方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种连续可调谐激光的频率锁定系统，包括单频窄线宽光纤激光器，所述单频窄线宽光纤激光器输出激光依次经过衰减器、电偏振控制器、光纤布拉格光栅和光电探测器，所述光电探测器输出端分别与数字示波器和锁相放大器的输入端连接，所述锁相放大器的调制端口与第一加法器的一输入端连接，所述锁相放大器的解调端口分别与比例积分微分器和数字示波器的输入端连接，所述比例积分微分器输出端与第一加法器的另一输入端连接，所述第一加法器的输出端与第二加法器的一输入端连接，所述第二加法器的另一输入端与信号发生器的输出端连接；所述第二加法器的输出端与单频窄线宽光纤激光器的调制端口连接。

利用上述系统进行连续可调谐激光的频率锁定方法，包括如下步骤：单频窄线宽光纤激光器输出线偏振激光，经过衰减器衰减到弱光，之后经过偏振控制器和光纤布拉格光栅，透射光被光电探测器探测，光电探测器输出电信号进入数字示波器观察透射结果，锁相放大器调制端口输出的正弦波调制信号通过第一加法器输入到第二加法器，与信号发生器输出的锯齿波扫频信号通过第二加法器叠加后，一起输入到单频窄线宽光纤激光器的调制端口，扫描激光器输出频率，同时改变光纤布拉格光栅环境温度使得透射峰进入激光器的频率扫描范围内，可以得到光纤布拉格光栅的透射谱线；调节偏振控制器使入射光的偏振对准光纤布拉格光栅的慢轴，从而使光栅有最大的透射效率，之后光电探测器输出电信号进入锁相放大器进行解调，调节锁相放大器使得其解调端口输出信噪比最大的鉴频信号，经过比例积分微分器后，鉴频信号通过第一加法器、第二加法器也加载到激光器的调制端口，之后，逐渐减小信号发生器的扫频电压至最小，同时调节信号发生器的扫频偏置，使得在数字示波器上观察到光纤布拉格光栅的透射峰进入鉴频信号的反馈范围内，实现激光器的频率锁定，即激光器频率锁定到光纤布拉格光栅的透射峰上；最后，调节比例积分微分器，使得在数字示波器上观察到锁定后的激光器频率的起伏最小。

上述方法采用锯齿波扫频信号和正弦波调制信号通过加法器加在一起调制激光器频率，探测器探测到的透射信号进入锁相放大器解调，得到对应于调制频率处的鉴频信号，选择合适的积分时间，灵敏度使鉴频信号信噪比最大，之后鉴频信号送入PID改变鉴频信号的强度和响应时间，把鉴频信号通过加法器一起加到激光器的PZT调制端口，逐渐减小扫频电压至最小，同时调节扫频偏置使透射峰进入鉴频信号曲线的反馈范围内，实现激光器的频率锁定。实现激光频率锁定后调谐光纤布拉格光栅到不同的频率，均可实现激光频率的可调谐锁定。

作为参考源的是窄带移相光纤布拉格光栅，利用紫外光束干涉并将干涉图样刻蚀在光纤的芯径上，导致光纤芯径的折射率发生周期性变化，形成了空间相位光栅，再利用UV光照射光纤光栅，使光栅中心折射率发生变化，相对于光纤其它位置有固定相位差，从而在阻带中形成超窄带透射峰。由于玻璃的热光效应，光栅对温度变化很敏感，温度变化会改变透射峰中心频率，从而实现频率调谐。利用宽带光源和光谱仪测量得到窄带移相光纤布拉格光栅的整个透射光谱如图2所示，由于保偏光纤的双折射效应，在阻带中心位置有两个超窄带的透射峰，阻带带宽约为200GHz，中间对应于慢轴处有约为65MHz的超窄线宽的透射通带。

本发明设计合理，对通过光栅的激光进行波长调制，使用锁相放大器解调获得鉴频信号，把反馈信号加载到激光器调制端口，利用调制解调把激光器锁定到透射峰可调谐的光纤光栅上，获得激光的高频率稳定性和锁定波长可调谐的方法，同时解决了激光器锁定后不能连续调谐的问题。

本发明压缩了激光器的频率起伏，实现了连续可调谐的高频率稳定性的激光输出。

附图说明

图1是本发明所述系统的结构示意图。

图2是光纤布拉格光栅的透射谱线。

图3是光纤布拉格光栅阻带中心位置对应于慢轴的透射曲线和与光栅透射峰对应的鉴频信号对比图，其中，图中上半部分为光栅阻带中心位置对应于慢轴的透射曲线，图中下半部分为透射峰对应的鉴频信号。

图4是自由运转与锁定后的频率起伏。

图5是与图4对应的阿伦方差。

图6是激光锁定后调谐过程中的调谐范围和频率起伏。

图中：1-单频窄线宽光纤激光器，2-衰减器，3-电偏振控制器，4-光纤布拉格光栅，5-光电探测器，6-数字示波器，7-锁相放大器，8-第一加法器，9-第二加法器，10-信号发生器，11-比例积分微分器PID。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种连续可调谐激光的频率锁定系统，包括单频窄线宽光纤激光器1（OrbitsLightwave，ETH-30-1550.00-2-I-PZ10B-TT30），所述单频窄线宽光纤激光器1输出激光依次经过衰减器2（Thorlabs，M-VA/90005196）、电偏振控制器3(OZ Optics，EPC-400)、光纤布拉格光栅4（Teraxion，TFN-193.414-0.5-15-B1）和光电探测器5（New Focus，1611），所述光电探测器5输出端分别与数字示波器6(YOKOGAWA，DLM2054)和锁相放大器7(SRS，SR830)的输入端连接，所述锁相放大器7的调制端口与第一加法器8的一输入端连接，所述锁相放大器7的解调端口分别与比例积分微分器11（SRS，SIM960）和数字示波器6的输入端连接，所述比例积分微分器11输出端与第一加法器8的另一输入端连接，所述第一加法器8的输出端与第二加法器9的一输入端连接，所述第二加法器9的另一输入端与信号发生器10（Tektronix，AFG3102）的输出端连接；所述第二加法器9的输出端与单频窄线宽光纤激光器1的调制端口连接，如图1所示。

上述系统进行连续可调谐激光的频率锁定方法，包括如下步骤：单频窄线宽光纤激光器1输出线偏振激光，经过衰减器2衰减到弱光（小于1mW，避免对光纤布拉格光栅产生加热效应），之后经过偏振控制器3进入光纤布拉格光栅4，透射光被光电探测器5探测，光电探测器5输出电信号进入数字示波器6观察透射结果，把锁相放大器7调制端口输出的正弦波调制信号（9kHz，100mV）通过第一加法器8输入到第二加法器9，与信号发生器10输出的锯齿波扫频信号（10Vpp，10Hz）通过第二加法器9叠加后，一起输入到单频窄线宽光纤激光器1的调制端口，扫描激光器输出频率，同时改变光纤布拉格光栅环境温度使得透射峰进入激光的频率扫描范围内，可以得到光纤布拉格光栅的透射谱线；调节偏振控制器3，使入射光的偏振对准光纤布拉格光栅4的慢轴，从而使光纤布拉格光栅有最大的透射效率，最终光纤布拉格光栅的透射谱线如图3中上半部分所示，之后光电探测器5输出电信号进入锁相放大器7进行解调，调节锁相放大器7，即选择合适的积分时间和灵敏度，使得其解调端口输出信噪比最大的鉴频信号，锁相放大器7解调得到与调制信号相对应的鉴频信号，如图3中下半部分所示，经过比例积分微分器11优化，改变鉴频信号的强度与响应时间后，鉴频信号通过第一加法器8和第二加法器9最终输入到单频窄线宽光纤激光器1的调制端口；之后，逐渐减小信号发生器10的扫频电压至最小，同时调节信号发生器10的扫频偏置，使得在数字示波器6上观察到光纤布拉格光栅4的透射峰进入鉴频信号的反馈范围内，实现激光器的频率锁定，即激光器频率锁定到光纤布拉格光栅4的透射峰上，如图4所示；最后，调节比例积分微分器11，使得在数字示波器6上观察到锁定后的激光器频率的起伏最小。

图2中，利用宽带光源和光谱仪测量得到光栅整个透射曲线，阻带带宽约为200GHz，中间对应于慢轴有约65MHz超窄线宽的透射通带。谱中两个透射峰是由于保偏光纤的双折射效应引起的。

图3中上半部分所示为扫描激光器频率时得到光栅阻带中心位置对应于慢轴的透射谱，根据激光器的扫频范围推算得到光栅透射峰线宽约为65MHz，当加载正弦波调制信号（9kHz，100mV）到激光器上时，调制的透射信号进入锁相放大器被同频率的正弦波解调，解调一次谐波得到鉴频信号，如图3中下半部分所示。选择合适的锁相放大器参数，积分时间为3ms，滤波斜率为18dB（等效噪声带宽为31.25Hz），灵敏度100mV，使鉴频信号信噪比最大达到40。鉴频信号的幅度为360mV，幅度频率对应关系约为5.5mV/MHz。

本实施例中，光栅透射中心频率利用拍频法来标定，即使用一台参考激光（NPPhotonics，RFLS-25-1-1550.00-UNL）和频谱仪（ATTEN，AT6030DM）通过和光栅透射光测干涉拍频来标定，参考激光线宽<1kHz。

图4为激光器频率锁定到光栅透射峰上和自由运转时的频率起伏，光栅透射中心波长为1550.0022nm。未锁定时激光器频率漂移大于65MHz。当锁定激光器到光栅上后根据计算得到锁定带宽仅为1.9MHz，此时频率稳定度为。

图5为图4对应的阿伦方差。这里是从误差信号得来的，在s时，最小为3.4*10^-11，使用了反馈回路，降低了温度，机械振动等因素的影响，在长时间内降低了。

图6为在实现激光频率锁定后调谐光栅到不同的频率，改变环境温度调节光纤布拉格光栅透射波长，获得锁定激光的波长可调谐输出，均可实现激光频率的可调谐锁定，这里锁定后激光频率的连续调谐范围达到140MHz，频率起伏仅为1.9MHz。

Claims (2)

1.一种连续可调谐激光的频率锁定系统，其特征在于：包括单频窄线宽光纤激光器（1），所述单频窄线宽光纤激光器（1）输出激光依次经过衰减器（2）、电偏振控制器（3）、光纤布拉格光栅（4）和光电探测器（5），所述光电探测器（5）输出端分别与数字示波器（6）和锁相放大器（7）的输入端连接，所述锁相放大器（7）的调制端口与第一加法器（8）的一输入端连接，所述锁相放大器（7）的解调端口分别与比例积分微分器（11）和数字示波器（6）的输入端连接，所述比例积分微分器（11）输出端与第一加法器（8）的另一输入端连接，所述第一加法器（8）的输出端与第二加法器（9）的一输入端连接，所述第二加法器（9）的另一输入端与信号发生器（10）的输出端连接；所述第二加法器（9）的输出端与单频窄线宽光纤激光器（1）的调制端口连接。

2.一种利用权利要求1所述系统进行连续可调谐激光的频率锁定方法，其特征在于：包括如下步骤：单频窄线宽光纤激光器（1）输出线偏振激光，经过衰减器（2）衰减到弱光，之后经过偏振控制器（3）和光纤布拉格光栅（4），透射光被光电探测器（5）探测，光电探测器（5）输出电信号进入数字示波器（6）观察透射结果，锁相放大器（7）调制端口输出的正弦波调制信号通过第一加法器（8）输入到第二加法器（9），与信号发生器（10）输出的锯齿波扫频信号通过第二加法器（9）叠加后，一起输入到单频窄线宽光纤激光器（1）的调制端口，扫描激光器输出频率，同时改变光纤布拉格光栅环境温度使得透射峰进入激光的频率扫描范围内，得到光纤布拉格光栅的透射谱线；调节偏振控制器（3），使入射光的偏振对准光纤布拉格光栅（4）的慢轴，从而使光纤布拉格光栅有最大的透射效率，之后光电探测器（5）输出电信号进入锁相放大器（7）进行解调，调节锁相放大器（7）使得其解调端口输出信噪比最大的鉴频信号，经过比例积分微分器（11）后，鉴频信号通过第一加法器（8）、第二加法器（9）后最终输入到单频窄线宽激光器（1）的调制端口，之后，逐渐减小信号发生器（10）的扫频电压至最小，同时调节信号发生器（10）的扫频偏置，使得在数字示波器（6）上观察到光纤布拉格光栅（4）的透射峰进入鉴频信号的反馈范围内，实现激光器的频率锁定，即激光器频率锁定到光纤布拉格光栅（4）的透射峰上；最后，调节比例积分微分器（11），使得在数字示波器（6）上观察到锁定后的激光器频率的起伏最小。