CN104733996B - 基于碘分子滤波器的激光锁相稳频装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于碘分子滤波器的激光锁相稳频装置，包括单频激光源、微波驱动器、相位调制器、碘分子滤波器、正透镜、光电探测器和数据处理机。本发明单频激光器输出的532nm光经过电光相位调制经过碘分子滤波器在数据处理机上形成频率误差信号，数据处理机反馈电压信号通过改变单频激光源的腔长从而将激光的频率稳定在碘分子吸收谷底或者峰值频率处，具有结构紧凑、光路简单、光功率需求小、稳频精度高的特点。

Description

基于碘分子滤波器的激光锁相稳频装置和方法

技术领域

本发明属于激光稳频技术领域，尤其涉及一种基于碘分子滤波器的激光锁相稳频装置和方法。

背景技术

PDH技术是1983年Ronald Drever及Johh L.Hall等人受到Pound的微波稳频技术的启发，提出以FPI作为频率参考，利用相位调制光谱技术进行激光稳频的一种装置。

高光谱测量气溶胶过程中需要将激光频率稳定在碘分子吸收线中心，从而确保对气溶胶信号高抑制比。一般在碘分子吸收谷底其透过率随着频率变化小，直接稳频精度在百兆赫兹量级不满足需求。有同行采用饱和吸收方式稳频，虽然其稳频精度达到要求，但是稳频所需的输入光功率较大，需要分出一部分激光功率以保证吸收线的饱和度，因此系统复杂，浪费了探测光功率。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提出一种基于碘分子滤波器的激光锁相稳频装置和方法。首先单频激光源使用单纵模可调谐的激光器，该激光器输出的单频光经过相位调制器，实现激光的相位调制，然后依次进入碘分子滤波器，正透镜和光电探测器，最后光电探测器将光信号转化为电信号进入数据处理机。数据处理机将电信号处理后得到随着频率而变化的频率误差信号，此时频率误差信号与激光频率一一对应。根据频率误差信号，可以确定激光频率值，通过数据处理机输出一个反馈电压值将激光器的频率稳定在所需频率值上。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于碘分子滤波器的激光锁相稳频装置，其特点在于，该装置包括：单频激光源、微波驱动器、相位调制器、碘分子滤波器、正透镜、光电探测器和数据处理机；

沿所述的单频激光源的输出光依次经所述的相位调制器、碘分子滤波器和正透镜由所述的光电探测器接收；该光电探测器的输出端经所述的数据处理机与所述的单频激光源的控制端相连；

所述的微波驱动器的输出端与所述的相位调制器相连。

所述的单频激光源的输出波长为532nm或者其它具有碘分子吸收谱线的波段且波长可调谐；一般调谐范围不小于±15GHz，调谐方式是通过温度、压电陶瓷等调谐腔长达到波长调谐目的。

所述的微波驱动器的工作频率在100MHz至300MHz之间。

利用所述的基于碘分子滤波器的激光锁相稳频装置进行激光锁相稳频方法，其点征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1、找到需要锁定的碘分子参考谱线位置：

微波驱动器和相位调制器不工作，单频激光源的输出光依次通过相位调制器、碘分子滤波器和正透镜被光电探测器接收，光电探测器将光信号转化为电信号传输到数据处理机；数据处理机逐步输出电压信号到单频激光源，使其频率随之调谐，由此，数据处理机上出现碘分子滤波器的吸收光谱电信号，通过已知所需波长附近的谱线强度数据结合光电探测器输出的谱线强度数据进行对比找出标准误差最小的那条谱线即可，此时数据处理机记录该输出电压信号，并保持该电压信号，等待锁频指令；

步骤2、单频激光源锁相稳频：

微波驱动器开始工作，为相位调制器提供微波驱动电磁场，激光通过相位调制器后产生多阶边频，各阶边频的幅度相等、相位相反且分布在激光中心频率两侧；

当激光聚焦到光电探测器后，光电探测器将光信号转化为电信号，其输出的电信号含有频率误差信号值A；

设当激光频率位于参考频率点f₀时，光电探测器输出的电信号含有参考频率误差信号值A₀，数据处理机根据频率误差信号值A与参考频率误差信号值A0的比较，不断输出锁频指令，使得频率误差信号值A逐步接近参考频率误差信号值A0。

本发明的有益效果是：

1)与FP稳频装置相比，激光频率为绝对频率稳定；对光的发散角要求低，锁频光路结构简单，无遮挡即可。

2)与碘分子饱和吸收稳频相比，对激光功率要求低，只需一束激光，无光路折转，减小了饱和吸收稳频中的输入功率高的问题。

附图说明

图1为本发明基于碘分子滤波器的激光锁相稳频装置的结构图；

图2为碘分子吸收光谱和频率误差信号，其中，碘分子吸收光谱(带圆圈曲线表示)，顶部和右侧的坐标为其横坐标和纵坐标；频率误差信号(细实线表示)，其横坐标和纵坐标为底部和左侧坐标标注。

图中：1单频激光源，2微波驱动器，3相位调制器，4碘分子滤波器，5正透镜，6光电探测器，7数据处理机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1为本发明基于碘分子滤波器的激光锁相稳频装置的结构图，粗实线表示光信号，细实线表示电信号。如图所示，一种基于碘分子滤波器的激光锁相稳频装置，包括：单频激光源1、微波驱动器2、相位调制器3、碘分子滤波器4、正透镜5、光电探测器6和数据处理机7。

系统各个部分说明如下：

单频激光源1：输出单纵模激光，且激光频率可以调谐。

微波驱动器2：用于驱动相位调制器。

相位调制器3：将单纵模激光进行相位调制。

碘分子滤波器4：产生绝对频率参考点和误差信号。

正透镜5：将激光会聚以匹配光电探测器光敏面尺寸。

光电探测器6：用于将光信号转换为电信号。

数据处理机7：解析频率误差信号，并输出频率控制电压信号。

所述的单频激光源1输出532nm绿光经过相位调制器3，实现激光的相位调制，然后依次进入碘分子滤波器4，正透镜5到达光电探测器6，由光电探测器6将光信号转化为电信号进入数据处理机7形成频率误差信号，数据处理机7根据频率误差信号输出反馈电压值控制单频激光源1腔长将激光的频率稳定在设定频率点。该点设定在碘吸收池的吸收谷底或者峰值，其半高全宽一般不大于3GHz。频率误差信号主要由相位调制后的±1阶，±2阶等边频信号和载波信号组成，在碘分子吸收或者透过带宽内该频率误差信号随着1单频激光源的输出激光频率改变而改变。

单频激光源为单纵模运行激光器且具备频率调谐能力用于稳频(一般通过谐振腔的腔长调谐)。一种基于碘分子滤波器的激光锁相稳频装置实施过程分为两步：第一步为找到需要锁定的碘分子参考谱线位置，第二步为启动锁相稳频电路将激光频率稳定在吸收线上。具体工作方式如下：

第一步找到需要锁定的碘分子参考谱线位置。首先微波驱动器好相位调制器不工作，数据处理机逐步输出电压信号给单频激光源，单频激光源的频率随之调谐并通过相位调制器、碘分子滤波器和正透镜被光电探测器接收。光电探测器产生的电信号进入数据处理机。随着频率的调谐，数据处理机上出现碘分子滤波器的吸收光谱电信号，通过已知所需波长附近的谱线强度数据结合光电探测器输出的谱线强度数据进行对比找出标准误差最小的那条谱线，此时单频激光源停止调谐并保持该输入电压信号幅值，等待锁频指令。

第二步单频激光源锁相稳频。微波驱动器开始工作，为相位调制器提供微波驱动电磁场。激光通过相位调制器，产生多阶边频，各阶边频幅度相等、相位相反且分布在激光中心频率两侧。此时激光聚焦到光电探测器上，其输出含有频率误差信号值A,当激光频率位于参考频率点f₀时，光电探测器输出的误差信号为定值，即参考频率误差信号值A₀，反之当激光频率不在参考频率点时，频率误差信号偏离参考频率误差信号值A₀，正向偏离，频率误差信号值A变大，反之变小。数据处理机根据频率误差值A与参考频率误差信号值A₀的比较不断输出频率锁定指令，使得激光频率误差信号A逐步接近参考频率误差信号值A₀，最终满足频率稳定性的需求。一般应用上将激光的频率稳定在碘分子吸收峰谷底频率处，此时的频率误差信号斜率最大，锁频最灵敏。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于碘分子滤波器的激光锁相稳频装置，其特征在于，该装置由单频激光源(1)、微波驱动器(2)、相位调制器(3)、碘分子滤波器(4)、正透镜(5)、光电探测器(6)和数据处理机(7)构成；

所述的单频激光源的输出光依次经所述的相位调制器(3)、碘分子滤波器(4)和正透镜(5)由所述的光电探测器(6)接收；该光电探测器(6)的输出端经所述的数据处理机(7)与所述的单频激光源(1)的控制端相连；

所述的微波驱动器(2)的输出端与所述的相位调制器(3)相连。

2.根据权利要求1所述的基于碘分子滤波器的激光锁相稳频装置，其特征在于，所述的单频激光源的输出波长为532nm或者其它具有碘分子吸收谱线的波段且波长可调谐；一般调谐范围不小于±15GHz，调谐方式是通过温度或压电陶瓷调谐腔长达到波长调谐目的。

3.根据权利要求1所述的基于碘分子滤波器的激光锁相稳频装置，其特征在于，所述的微波驱动器的工作频率在100MHz至300MHz之间。

4.利用权利要求1所述的基于碘分子滤波器的激光锁相稳频装置进行激光锁相稳频方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1、找到需要锁定的碘分子参考谱线位置：

微波驱动器和相位调制器不工作，单频激光源的输出光依次通过相位调制器、碘分子滤波器和正透镜被光电探测器接收，光电探测器将光信号转化为电信号传输到数据处理机；数据处理机逐步输出电压信号到单频激光源，使其频率随之调谐，由此，数据处理机上出现碘分子滤波器的吸收光谱电信号，通过已知所需波长附近的谱线强度数据结合光电探测器输出的谱线强度数据进行对比找出标准误差最小的那条谱线，此时数据处理机记录该输出电压信号，并保持该电压信号，等待锁频指令；

步骤2、单频激光源锁相稳频：

微波驱动器开始工作，为相位调制器提供微波驱动电磁场，激光通过相位调制器后产生多阶边频，各阶边频的幅度相等、相位相反且分布在激光中心频率两侧；

当激光聚焦到光电探测器后，光电探测器将光信号转化为电信号，其输出的电信号含有频率误差信号值A；

设当激光频率位于参考频率点f₀时，光电探测器输出的电信号含有参考频率误差信号值A₀，数据处理机根据频率误差信号值A与参考频率误差信号值A₀的比较，不断输出锁频指令，使得频率误差信号值A逐步接近参考频率误差信号值A₀。