CN105356293A - 一种用于半导体激光器饱和吸收稳频装置的声光调制系统 - Google Patents

Abstract

一种用于半导体激光器饱和吸收稳频装置的声光调制系统，包括激光器、第一半波片、第一偏振分光棱镜、声光调制器、K9玻璃平片、第一反射镜、第二反射镜、第二偏振分光棱镜、第二半波片、碱金属气室、光电探测器、锁相放大器、控制器，其中，声光调制器包括可调制射频源、射频开关、功率放大器、声光调制晶体。本发明与现有技术相比，通过将调制信号施加在声光调制晶体上来对激光器频率进行调制，获得了波动性小、带宽窄、更适用于现实需求的激光器输出。

Description

一种用于半导体激光器饱和吸收稳频装置的声光调制系统

技术领域

本发明涉及核磁共振陀螺仪的激光频率稳定技术领域，特别是一种用于半导体激光器饱和吸收稳频装置的声光调制系统。

背景技术

微型核磁共振陀螺仪具有小体积、低功耗、高性能、大动态范围等特性，已成为新型惯性器件的研究重点和热点。陀螺仪系统中需使用泵浦光和检测光两束不同频率的激光，其中，泵浦光对原子的极化起着至关重要的作用，核磁共振陀螺仪的性能受激光影响，且直接与激光频率的稳定性密切相关。为增加陀螺仪系统稳定性，提高信噪比，需要对激光频率进行稳定，以减小其波动，压窄激光线宽。

由于原子陀螺所采用的碱金属原子的跃迁、极化特性，需要采用以原子谱线为误差标准来进行稳频的饱和吸收方法，这种方法需要使用信号的调制与解调来获得误差控制信号。现多采用直接在半导体激光器的直流驱动电流上叠加数kHz到数十kHz的正弦交流信号的方法来进行调制，这种方法虽然方便且在一定程度上能满足激光器频率稳定的要求，但对于对激光频率有极高要求的核磁共振陀螺仪来说，直接在激光器驱动电流上叠加交流信号是人为的引入了一个噪声源，对原子极化和检测来说是不可容忍的，会大大降低陀螺仪性能。另外，半导体激光器为压电陶瓷结构，长时间在压电陶瓷上施加高频交流信号会减少激光器使用寿命。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于半导体激光器饱和吸收稳频装置的声光调制系统，通过将调制信号施加在声光调制晶体上来对激光器频率进行调制，以获得波动性小、带宽窄的激光器输出。

本发明的技术解决方案是：一种用于半导体激光器饱和吸收稳频装置的声光调制系统，包括激光器、第一半波片、第一偏振分光棱镜、声光调制器、K9玻璃平片、第一反射镜、第二反射镜、第二偏振分光棱镜、第二半波片、碱金属气室、光电探测器、锁相放大器、控制器，其中

激光器产生原始激光后送至第一半波片，第一半波片进行偏振旋转处理后送至第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜将原始激光中的S偏振分量反射后送至声光调制器，将原始激光中的P偏振分量透射后输出至外部，声光调制器产生频率控制信号，将频率控制信号送至锁相放大器，同时根据频率控制信号对原始激光进行移频，得到周期性频移的调制光信号并送至K9玻璃平片，调制光信号在K9玻璃平片的前表面发生反射产生探测光后送至第二半波片，调制光信号在K9玻璃平片的后表面发生反射产生参考光后送至第二半波片，第二半波片对探测光、参考光进行偏振旋转处理后分别送至碱金属气室，调制光信号在K9玻璃平片发生透射产生强激光后经第一反射镜、第二反射镜，送至第二偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜将强激光中的S偏振分量反射后送至碱金属气室并与参考光重合，光电探测器分别探测碱金属气室出射的探测光、参考光，得到探测光电信号、参考光电信号后进行做差得到去除多普勒背景的饱和吸收谱线，将去除多普勒背景的饱和吸收谱线送至锁相放大器，锁相放大器对频率控制信号、去除多普勒背景的饱和吸收谱线进行混频、滤波得到误差控制信号，将误差控制信号送至控制器，控制器接收误差控制信号并判断，当误差控制信号不为0时，控制激光器移动产生的原始激光频率直至锁相放大器的输出信号拉回零点；所述的频率控制信号为对原始激光进行移频的电场信号。

所述的声光调制器包括可调制射频源、射频开关、功率放大器、声光调制晶体，其中

声光调制晶体，接收原始激光中的S偏振分量、频率控制信号，根据频率控制信号对原始激光中的S偏振分量进行移频，得到周期性频移的调制光信号并送至K9玻璃平片；

调制射频源，产生频率控制信号后送至锁相放大器、射频开关；

射频开关，接收频率控制信号后按照外部指令开通或关断，当开通时，将频率控制信号送至功率放大器；

功率放大器，接收频率控制信号后进行放大，并将放大的频率控制信号送至声光调制晶体。

所述的激光器产生原始激光的频率为碱金属原子气室原子吸收谱线中稳定的频率峰对应的激光器频率。

所述的周期性频移的调制光信号为在190MHz-210MHz间以正弦信号规律变化的变化频率为15kHz的光信号。

所述的控制器为比例积分微分控制器。

所述的放大的频率控制信号为30db。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明针对现有核磁共振陀螺仪需要小波动、窄线宽激光的技术要求，通过将稳频调制系统与陀螺仪整体系统分离的技术手段，解决了调制信号会对激光器驱动电流产生影响的问题，实现了主激光不受调制信号的影响而保持稳定的效果；

(2)本发明通过将调制信号加在声光调制晶体上而非激光器电流驱动器上的技术手段，解决了在激光器的压电陶瓷上长时间施加高频交流信号的问题，具有延长激光器使用寿命；

(3)本发明通过将调制电信号与激光器控制部分分离的手段，克服了陀螺仪系统中原子极化和检测受激光频率变动影响的缺陷，具有提高系统稳定性和信噪比的优点。

附图说明

图1为本发明一种用于饱和吸收稳频装置的声光调制系统的原理框图；

图2为本发明一种用于饱和吸收稳频装置的声光调制系统的光路部分结构图；

图3为本发明一种用于饱和吸收稳频装置的声光调制系统的声光调制器的结构组成图。

具体实施方式

本发明提出一种用于半导体激光器饱和吸收稳频装置的声光调制系统，通过将调制信号施加在声光调制晶体上的方法对激光器输出激光的频率进行调制，获得了波动性小、带宽窄的激光器输出，下面结合附图对本发明声光调制系统进行详细说明。

如图1所示为本发明声光调制系统原理框图，本发明分别通过光学部分和电学部分实现了对激光频率的调制，激光器产生相应频率的激光束后经半波片和PBS分束得到两束光束，一束用于后续实验，另一束经过声光调制器后就被施加了一个调制信号，可实现激光频率的周期性移动，得到变动范围为190MHz至210MHz的周期性变化的频率为15kHz的光束信号，实现频率调制的频率控制信号由可调制射频源产生。激光经调制后经过一系列光学器件并利用饱和吸收原理，再使用光电探测器探测后就可得到相应的原子光谱曲线，光电探测器实现了由光学部分向电学部分的过渡，当信号转化为电信号后，将施加于声光调制器上的频率控制信号与原子光谱曲线进行混频与滤波处理(锁相放大器)，实现信号的解调，以得到闭环反馈控制所需的误差控制信号，在得到误差控制信号后，将误差控制信号送至比例积分微分(PID)控制器中，将PID控制器的输出信号直接接入激光器的电流控制模块中实现激光器频率的实时反馈控制，最终实现频率的稳定。其中，误差控制信号为一个过零信号，在闭环反馈的频率稳定过程中，如果锁相放大器输出一个非零的值，PID控制器会自动输出相应大小的信号使激光器的输出频率发生移动，而将锁相放大器的输出信号拉回零点，完成对激光器输出激光频率的调制，获得波动性小、带宽窄的激光器输出。

饱和吸收稳频方法是以原子谱线为频率标准的，最终实现的也是将激光器的频率稳定在谱线的一个吸收峰位置所对应的频率处，所以本发明给激光器的电流控制模块施加一个频率较低的扫频三角波信号，以扫出碱金属气室中的原子吸收谱线，并可通过示波器观察以选定稳定的频率峰，此扫频三角波一般采用10Hz信号，频率过高会减少激光管的使用寿命。在找到了频率稳定点后就可撤去此三角波信号，同时可自动进行闭环反馈的频率稳定。

如图2所示为包括可调制射频源在内的声光调制器的结构组成图，声光调制器包括可调制射频源、射频开关、功率放大器和声光调制晶体。声光调制器可使激光的频率移动几十到上百兆，它是利用压电晶体的反压电效应设计的。在外加电场作用下，压电晶体可以产生机械振动，从而形成超声波，使晶体的折射率发生改变。激光束通过晶体，产生声光衍射效应，在不同方向衍射出不同级次的衍射光，其级次与衍射角相关，其中0级光方向与入射光方向相同，1级光为实验中最常使用的衍射级次，与0级光相差一个较小角度，其移频值正好为所加射频信号的频率，接收1级光进行后续实验，就完成了激光移频过程。例如，利用可调制射频源给声光调制晶体施加一个由190MHz至210MHz以正弦信号规律变化的电场信号，电场变化频率为15kHz，则激光的频率变化与直接在驱动电流信号上叠加15kHz的交变信号效果相同。

可调制射频源产生了射频控制信号一般会经过射频开关和功率放大器后才给入声光调制晶体进行移频，原因是可调制射频源产生的信号功率一般都较小，而驱动声光调制晶体移频需要较大的功率，所以必须对信号进行功率放大，而这种放大了的信号如果一直施加声光调制晶体上会大大减少声光调制晶体的使用寿命，且会影响晶体的移频效率，即1级衍射光可能只有总光强的10％～30％，大部分光强都被浪费了，从而影响移频效果，所以必须在功率放大器之前设置射频开关控制射频信号的关断，使声光调制晶体具有更高的工作效率。

如图3所示为本发明声光调制系统的具体光路结构图，激光器出射激光后，使用半波片和PBS将激光器产生的激光分出一束用于后续实验，另一束作为稳频使用，将稳频激光送至声光调制晶体，得到周期性频移的调制光信号并送至K9玻璃平片，稳频激光在K9玻璃平片的前表面发生反射产生3号激光(较弱的激光，作为探测光)，在K9玻璃平片的后表面发生反射产生1号激光(较弱的激光，作为参考光)，在K9玻璃平片发生透射产生2号激光(较强的激光)，以上过程就是将被调制后的稳频激光送至平波片进行分光处理，得到分光处理后的探测光、参考光送至碱金属气室，2号激光经过两个反射镜、偏振分光棱镜(PBS)调整后与参考光在碱金属气室内重合，对于1号参考光和2号强激光来说，它们光路完全重合，由于2号强激光的光强远大于1号参考光，所以在碱金属气室内，1号、2号光路路径上的所有原子均会与2号强激光发生跃迁反应，并且由于光强太强会发生饱和作用，从而使原子不与1号参考光反应，所以1号参考光中就不携带有关原子跃迁的相关信息，而只有多普勒背景信息。使用光电探测器分别探测探测光、参考光得到探测光电信号、参考光电信号，对探测光电信号、参考光电信号进行做差得到去除多普勒背景的饱和吸收谱线，但是该去除多普勒背景的饱和吸收谱线叠加有声光调制晶体所加入的调制信号。

采用饱和吸收方法去除多普勒背景，得到碱金属原子在相应激光频率处的共振吸收峰，本发明采用一条带超精细跃迁峰的多普勒背景谱线与只有多普勒背景谱线相减的方式去除多普勒背景。图3中的3号激光所示为带超精细跃迁峰的多普勒背景谱线，由一束很弱的激光作为探测光扫频获得，图3中的1号激光为只有多普勒背景的谱线，由一束与探测光光强近似相等的弱激光作为参考光扫频获得，对于参考光同时还有一束强激光(图2中2号激光)与其反向重合一起作用于气室中的原子，因为强激光光强较强，参考光路径上的原子都会与强激光作用发生饱和而不与参考光作用发生跃迁反应，所以参考光光谱是不带超精细跃迁峰的纯多普勒背景光谱，即饱和吸收光谱。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种用于半导体激光器饱和吸收稳频装置的声光调制系统，其特征在于包括激光器、第一半波片、第一偏振分光棱镜、声光调制器、K9玻璃平片、第一反射镜、第二反射镜、第二偏振分光棱镜、第二半波片、碱金属气室、光电探测器、锁相放大器、控制器，其中

激光器产生原始激光后送至第一半波片，第一半波片对原始激光进行偏振旋转处理后送至第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜将原始激光中的S偏振分量反射后送至声光调制器，将原始激光中的P偏振分量透射后输出至外部，声光调制器产生频率控制信号，将频率控制信号送至锁相放大器，同时根据频率控制信号对原始激光进行移频，得到周期性频移的调制光信号并送至K9玻璃平片，调制光信号在K9玻璃平片的前表面发生反射产生探测光后送至第二半波片，调制光信号在K9玻璃平片的后表面发生反射产生参考光后送至第二半波片，第二半波片对探测光、参考光进行偏振旋转处理后分别送至碱金属气室，调制光信号在K9玻璃平片发生透射产生强激光后经第一反射镜、第二反射镜，送至第二偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜将强激光中的S偏振分量反射后送至碱金属气室并与参考光的光路重合，光电探测器分别探测碱金属气室出射的探测光、参考光，得到探测光电信号、参考光电信号后进行做差得到去除多普勒背景的饱和吸收谱线，将去除多普勒背景的饱和吸收谱线送至锁相放大器，锁相放大器对频率控制信号、去除多普勒背景的饱和吸收谱线进行混频、滤波得到误差控制信号，将误差控制信号送至控制器，控制器接收误差控制信号并判断，当误差控制信号不为0时，控制激光器改变产生的原始激光频率直至锁相放大器的输出信号拉回零点；所述的频率控制信号为对原始激光进行移频的电场信号。

2.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器饱和吸收稳频装置的声光调制系统，其特征在于：所述的声光调制器包括可调制射频源、射频开关、功率放大器、声光调制晶体，其中

声光调制晶体，接收原始激光中的S偏振分量、放大后的频率控制信号，根据频率控制信号对原始激光中的S偏振分量进行移频，得到周期性频移的调制光信号并送至K9玻璃平片；

调制射频源，产生频率控制信号后送至锁相放大器、射频开关；

射频开关，接收频率控制信号后按照外部指令开通或关断，当开通时，将频率控制信号送至功率放大器；

功率放大器，接收频率控制信号后进行放大，并将放大的频率控制信号送至声光调制晶体。

3.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器饱和吸收稳频装置的声光调制系统，其特征在于：所述的激光器产生原始激光的频率为碱金属原子气室原子吸收谱线中稳定的频率峰对应的激光器频率。

4.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器饱和吸收稳频装置的声光调制系统，其特征在于：所述的周期性频移的调制光信号为在190MHz-210MHz间以正弦信号规律变化的变化频率为15kHz的光信号。

5.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器饱和吸收稳频装置的声光调制系统，其特征在于：所述的控制器为比例积分微分控制器。

6.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器饱和吸收稳频装置的声光调制系统，其特征在于：所述的放大的频率控制信号为30db。

7.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器饱和吸收稳频装置的声光调制系统，其特征在于：所述的第一半波片或第二半波片对光进行偏振旋转的角度为0°-90°。