CN104409960A - 一种自动激光稳频装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动激光稳频装置及方法。自动激光稳频装置包括自动锁腔功能装置，其由采样比较模块和逻辑功能模块组成，采样比较模块比较探测器的输出电压和参考电压的大小，在采样比较模块的终端输出高电平或者低电平；当采样比较模块的终端输出为低电平时，逻辑功能模块自动启动扫描功能、关闭积分器、关断锁腔功能；当采样比较模块的终端输出为高电平时，逻辑功能模块自动启动锁腔功能、打开积分器、关断扫描功能。本发明利用自动锁腔功能装置改进现有的鉴相稳频技术，实现自动激光稳频，保持激光频率失锁后能够自动恢复到稳频状态。

Description

一种自动激光稳频装置及方法
技术领域
本发明涉及激光稳频技术领域，具体是一种自动激光稳频装置及方法。
背景技术
全固态激光器和光纤激光器广泛应用在量子光学、量子信息以及冷原子物理的实验系统中。在这些系统中，为了减小激光器的频率漂移，科研工作者通常将激光器激光频率锁定在某一参考标准上，以期获得长期频率稳定的激光源。同时在一些光学系统中，人们选用一些特殊的光学腔实现激光频率变换、以及制备光子数态、压缩态和纠缠态等各种非经典态，在这些实验系统中，同样需要锁定各种光学腔，以实现信号光场的稳定输出。
常用的激光稳频的方法主要有Lock-in稳频和PDH稳频，也可以统称为鉴相稳频，这两种方法均是对激光加入一个小的调制信号，通过鉴相方式得到频率变化信息，并反馈到电信号处理系统中，从而实现激光频率稳定。但是，在现有的激光稳频系统中，往往要求工作人员手动调整各类参数完成激光频率的锁定，特别是在激光频率或光学腔失锁时，人们往往又需要再次手动调整参数，重新完成锁定工作。在复杂庞大实验系统中，需要激光稳频的地方常有多个，有时甚至达十个之多，如果有一处频率失锁，还会有连锁反应，后面稳频的地方均会失锁。这对于在这些系统中长期采集数据的科研人员来说，是非常大的挑战。
因此，在现有的基础上，研发一种能够实现自动激光稳频的方法及装置非常必要。对于自动激光稳频，研究工作者进行了大量的研究工作。目前，自动激光稳频多是采用数据采集卡和软件编程实现稳频Lock-in和PDH稳频中的运算功能，从而实现自动稳频[Review ofScientific Instruments,Vol-69,P-1934(1998)；Measurement Science and Technology,Vol-18,P-1447(2007)；CN102185251B]。这种方法摒弃了现有的实验仪器如锁相放大器、积分器、混频器以及低通滤波器等，造成资源浪费，并且购置数据采集卡和软件等材料，成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的成本较低的自动激光稳频装置及方法。
本发明提供的一种自动激光稳频装置，该装置由光路装置和电学反馈环路组成，光路装置由激光器、光学谐振腔和光电探测器组成；电学反馈环路由锁相放大器、积分器、信号发生器、自动锁腔功能装置、第一高压放大器和第二高压放大器组成；光电探测器探测透过光学谐振腔的激光，探测到的激光信号转换为电信号，将电信号分为两路，一路直接输入自动锁腔功能装置；另一路通过锁相放大器和积分器输入自动锁腔功能装置；信号发生器提供低频扫描信号输入自动锁腔功能装置；自动锁腔功能装置输出信号Ⅰ通过第一高压放大器连接到光学谐振腔；自动锁腔功能装置输出信号Ⅱ通过第二高压放大器反馈到激光器；锁相放大器提供调制信号输入第二高压放大器。
所述的自动锁腔功能装置由采样比较模块和逻辑功能模块组成；预设采样比较模块中的参考电压，采样比较模块比较光电探测器的输出电压和参考电压的大小，在采样比较模块的终端输出高电平或者低电平；当采样比较模块的终端输出为低电平时，逻辑功能模块自动启动扫描功能、关闭积分器、关断锁腔功能；当采样比较模块的终端输出为高电平时，逻辑功能模块自动启动锁腔功能、打开积分器、关断扫描功能。
所述的采样比较模块中预设的参考电压小于光电探测器最大输出电压。
所述的激光器为连续波全固态激光器或者连续波光纤激光器。
所述的光学谐振腔为由两个或者多个光学镜片构成的光学谐振腔。
一种自动激光稳频方法，步骤如下：
1)在上述自动激光稳频装置中，设置锁相放大器、积分器以及信号发生器的参数；
2)设置自动锁腔功能装置中采样比较模块的参考电压小于光电探测器最大输出电压，在采样比较模块的终端输出高电平或者低电平；
3)当采样比较模块的终端输出为低电平时，逻辑功能模块自动启动扫描功能、关闭积分器、关断锁腔功能；当采样比较模块的终端输出为高电平时，逻辑功能模块自动启动锁腔功能、打开积分器、关断扫描功能；实现自动激光稳频，保持激光频率失锁后能够自动回到稳频状态。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果：
(1)本发明可利用现有实验仪器设备，实现成本较低的自动激光稳频系统和方法。自动锁腔功能装置可作为小型仪器应用在所有的量子光学、量子信息以及冷原子物理的实验系统中。
(2)本发明自动激光稳频装置可在激光频率受外界干扰以致频率失锁的情况下，快速自动恢复到激光稳频状态，实现长期的激光稳频。
附图说明
图1为本发明自动激光稳频装置的结构示意图；
图2为自动锁腔功能装置的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示的一种自动激光稳频装置，包括全固态连续单频红外激光器1、光学谐振腔(由两个光学镜片构成的共焦法布里-珀罗谐振腔)2、光电探测器3、锁相放大器4、积分器5、信号发生器6、自动锁腔功能装置7、第一高压放大器81和第二高压放大器82；光电探测器3探测透过光学谐振腔2的激光，探测到的激光信号转换为电信号，该电信号分为两路，一路直接输入自动锁腔功能装置7；另一路通过锁相放大器4和积分器5输入自动锁腔功能装置7；信号发生器6提供低频扫描信号输入自动锁腔功能装置7；自动锁腔功能装置7输出信号通过第一高压放大器81连接到光学谐振腔2；自动锁腔功能装置7输出信号通过第二高压放大器82反馈到激光器1；锁相放大器4提供调制信号输入第二高压放大器82。
图2所示的自动锁腔功能装置7，由采样比较模块71和逻辑功能模块72组成；预设采样比较模块71中的参考电压，采样比较模块71比较光电探测器3的输出电压和参考电压的大小，在采样比较模块71的终端输出高电平或者低电平；当采样比较模块71的终端输出为低电平时，逻辑功能模块72自动启动扫描功能、关闭积分器、关断锁腔功能；当采样比较模块71的终端输出为高电平时，逻辑功能模块72自动启动锁腔功能、打开积分器、关断扫描功能。
本发明一种自动激光稳频方法，步骤如下：
1)在上述自动激光稳频装置中，设置锁相放大器4的时间和灵敏度参数、设置锁相放大器4提供的调制信号的频率、幅度和相位；设置积分器5的放大倍数和积分时间；设置信号发生器6提供的扫描信号的频率和幅度；
2)设置自动锁腔功能装置7中采样比较模块71的参考电压，参考电压的大小为光电探测器3最大输出电压的一半；检测采样比较模块71的终端输出，为高电平或者低电平；
3)当采样比较模块71的终端输出为低电平时，逻辑功能模块72自动启动扫描功能、关闭积分器、关断锁腔功能；当采样比较模块71的终端输出为高电平时，逻辑功能模块72自动启动锁腔功能、打开积分器、关断扫描功能；实现自动激光稳频，保持激光频率失锁后能够自动恢复到稳频状态。

Claims (6)

1.一种自动激光稳频装置，其特征在于，该装置由光路装置和电学反馈环路组成，光路装置由激光器(1)、光学谐振腔(2)和光电探测器(3)组成；电学反馈环路由锁相放大器(4)、积分器(5)、信号发生器(6)、自动锁腔功能装置(7)、第一高压放大器(81)和第二高压放大器(82)组成；光电探测器(3)探测透过光学谐振腔(2)的激光，探测到的激光信号转换为电信号，将电信号分为两路，一路直接输入自动锁腔功能装置(7)；另一路通过锁相放大器(4)和积分器(5)输入自动锁腔功能装置(7)；信号发生器(6)提供低频扫描信号输入自动锁腔功能装置(7)；自动锁腔功能装置(7)输出信号Ⅰ通过第一高压放大器(81)连接到光学谐振腔(2)；自动锁腔功能装置(7)输出信号Ⅱ通过第二高压放大器(82)反馈到激光器(1)；锁相放大器(4)提供调制信号输入第二高压放大器(82)。
2.根据权利要求1所述的一种自动激光稳频装置，其特征在于，所述的自动锁腔功能装置(7)由采样比较模块(71)和逻辑功能模块(72)组成；预设采样比较模块(71)中的参考电压，采样比较模块(71)比较光电探测器(3)的输出电压和参考电压的大小，在采样比较模块(71)的终端输出高电平或者低电平；当采样比较模块(71)的终端输出为低电平时，逻辑功能模块(72)自动启动扫描功能、关闭积分器、关断锁腔功能；当采样比较模块(71)的终端输出为高电平时，逻辑功能模块(72)自动启动锁腔功能、打开积分器、关断扫描功能。
3.根据权利要求1或2所述的一种自动激光稳频装置，其特征在于，所述的采样比较模块(71)中预设的参考电压小于光电探测器(3)最大输出电压。
4.根据权利要求1或2所述的一种自动激光稳频装置，其特征在于，所述的激光器(1)为连续波全固态激光器或者连续波光纤激光器。
5.根据权利要求1或2所述的一种自动激光稳频装置，其特征在于，所述的光学谐振腔(2)为由两个或者多个光学镜片构成的光学谐振腔。
6.一种使用如权利要求1或2所述装置的自动激光稳频方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
1)在自动激光稳频装置中，设置锁相放大器(4)、积分器(5)以及信号发生器(6)的参数；
2)设置自动锁腔功能装置(7)中采样比较模块(71)的参考电压小于光电探测器(3)最大输出电压，在采样比较模块(71)的终端输出高电平或者低电平；
3)当采样比较模块(71)的终端输出为低电平时，逻辑功能模块(72)自动启动扫描功能、关闭积分器、关断锁腔功能；当采样比较模块(71)的终端输出为高电平时，逻辑功能模块(72)自动启动锁腔功能、打开积分器、关断扫描功能；实现自动激光稳频，保持激光频率失锁后能够自动回到稳频状态。
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