CN105375325A - 一种激光器稳频系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器稳频系统，属于激光器领域。所述系统包括：参考激光器、第一电光调制器、第一偏振分光棱镜、第一半波片、法布里-玻罗干涉仪、第二半波片、第二偏振分光棱镜、第二电光调制器和待稳激光器；压电陶瓷，向第一电光调制器输出第一参考信号的第一驱动源，设于第一偏振分光棱镜的反射光路上的第一光电单元，将第一振荡信号和第一光电单元输出的频率信号进行混频的第一混频器，根据第一混频器输出的信号产生电压信号的驱动源；向第二电光调制器输出第二参考信号的第二驱动源，设于第二偏振分光棱镜的反射光路上的第二光电单元，将第二振荡信号和第二光电单元输出的频率信号进行混频的第二混频器。

Description

一种激光器稳频系统

技术领域

本发明涉及激光器领域，特别涉及一种激光器稳频系统。

背景技术

半导体激光器是科研和工业中的重要激光光源。

半导体激光器的线宽约为10MHz，其长期漂移指标>100MHz/1h，而在原子的激光冷却等研究中，通常需要半导体激光器的线宽小于1MHz甚至10kHz，几个小时内的漂移也在1MHz以内。为了满足相关研究中对半导体激光器稳定度的需求，通常会采用下面几种方法来实现半导体激光器的稳频：饱和吸收稳频、Zeeman稳频、偏振光谱稳频、外腔稳频以及传输腔稳频。

其中，传输腔稳频是利用一台稳定度高的激光器做参考(例如碘稳频的氦氖激光器)，将参考激光器的激光和待稳激光器(半导体激光器)的激光同时入射到一台扫描的法布里-玻罗干涉仪(传输腔)中，利用光电探测器探测参考激光器的激光经过传输腔后的透射信号及待稳激光器的激光经过传输腔后的透射信号，再采用数据采集卡转换成数字信号后输入到计算机中，利用计算机程序进行处理，通过计算并锁定透射信号中透射峰间距来提高待稳激光器的稳定度。其中，传输腔的腔长由压电陶瓷进行调节，具体可以通过压电陶瓷驱动源输出的锯齿波电压信号调节压电陶瓷的伸缩，由此改变传输腔的长度，达到改变传输腔的谐振频率的目的。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

第一，在将光电探测器输出的信号输入到计算机中时，如果数据采集卡采集速率低，则会由于传输速度的问题造成反馈的延时，如果数据采集卡采集速率高，则会造成成本过高；第二，压电陶瓷一直处于扫描状态，由于压电陶瓷的扫描是非线性的，因此，同样的扫描电压可能对应于压电陶瓷不同的扫描长度，同时，由于压电陶瓷不同的长度的电压敏感度不同，可能会造成误差信号的不敏感，从而限制了待稳激光器锁定的效果；第三，传输腔稳频只能控制激光的长期漂移，而对激光的线宽压窄的贡献不大。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种激光器稳频系统。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种激光器稳频系统，所述系统包括：

沿一条直线依次设置的参考激光器、第一电光调制器、第一偏振分光棱镜、第一半波片、法布里-玻罗干涉仪、第二半波片、第二偏振分光棱镜、第二电光调制器和待稳激光器，所述参考激光器和所述待稳激光器的激光发射端正对所述法布里-玻罗干涉仪；

固定在所述法布里-玻罗干涉仪的传输腔上的压电陶瓷，用于产生第一振荡信号并向所述第一电光调制器输出第一参考信号的第一驱动源，设于所述第一偏振分光棱镜的反射光路上的第一光电单元，用于将所述第一振荡信号和所述第一光电单元输出的频率信号进行混频的第一混频器，用于根据所述第一混频器输出的信号产生电压信号作用于所述压电陶瓷的驱动源；

用于产生第二振荡信号并向所述第二电光调制器输出第二参考信号的第二驱动源，设于所述第二偏振分光棱镜的反射光路上的第二光电单元，用于将所述第二振荡信号和所述第二光电单元输出的频率信号进行混频的第二混频器，所述第二混频器还用于将混频后的信号作为纠偏信号输出给所述待稳激光器。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述待稳激光器和所述参考激光器为相同的激光器，所述第一电光调制器和所述第二电光调制器为相同的电光调制器，所述第一偏振分光棱镜和所述第二偏振分光棱镜为相同的偏振分光棱镜，所述第一半波片和所述第二半波片为相同的半波片，所述第一驱动源和所述第二驱动源为相同的驱动源，所述第一光电单元和所述第二光电单元为相同的光电单元，所述第一混频器和所述第二混频器为相同的混频器。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述待稳激光器和所述参考激光器为半导体激光器。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一光电单元和所述第二光电单元为光电二极管或者光电倍增管。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述驱动源为隔离放大器。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述系统还包括设于所述第一混频器和所述驱动源之间的第一滤波器。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述系统还包括设于所述第二混频器和所述待稳激光器之间的第二滤波器。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一滤波器和所述第二滤波器为相同的滤波器。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一滤波器和所述第二滤波器为低通滤波器。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例提供的激光器稳频系统，与传统的传输腔稳频方法相比：不需要对传输腔的腔长进行扫描，所以无需使用数据采集卡，同时可以避免由于传输腔的压电陶瓷的非线性效应造成的误差信号的不敏感，从而提高了待稳激光器锁定的效果；另外，基于传输腔的长期稳定性，待稳激光器锁定在传输腔上，保证了待稳激光器的长期稳定度，而参考激光器和待稳激光器从两个方向射入传输腔，温度、潮湿和振荡等因素影响下的参考激光器的激光在经过传输腔后，经过信号处理后反馈到待稳激光器上，减小了温度、潮湿和振荡等因素对待稳激光器的影响，从而提高了待稳激光器的短期稳定度，压窄了待稳激光器的线宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种激光器稳频系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种激光器稳频系统的结构示意图，该系统包括：

沿一条直线依次设置的参考激光器1、第一电光调制器2、第一偏振分光棱镜3、第一半波片4、法布里-玻罗干涉仪5、第二半波片6、第二偏振分光棱镜7、第二电光调制器8和待稳激光器9，参考激光器1和待稳激光器9的激光发射端正对法布里-玻罗干涉仪5。

固定在法布里-玻罗干涉仪5的传输腔上的压电陶瓷10，用于产生第一振荡信号并向第一电光调制器2输出第一参考信号的第一驱动源11，设于第一偏振分光棱镜3的反射光路上的第一光电单元12，用于将第一振荡信号和第一光电单元输出的频率信号进行混频的第一混频器13，用于根据第一混频器13输出的信号产生电压信号作用于压电陶瓷10的驱动源14。

用于产生第二振荡信号并向第二电光调制器8输出第二参考信号的第二驱动源15，设于第二偏振分光棱镜7的反射光路上的第二光电单元16，用于将第二振荡信号和第二光电单元16输出的频率信号进行混频的第二混频器17，第二混频器17还用于将混频后的信号作为纠偏信号输出给待稳激光器9。

其中，第一电光调制器2、第一偏振分光棱镜3、第一半波片4、法布里-玻罗干涉仪5依次设置在参考激光器1的光路上，第二电光调制器8、第二偏振分光棱镜7、第二半波片6、法布里-玻罗干涉仪5依次设置在待稳激光器9的光路上。

其中，第一驱动源11分别与第一电光调制器2及第一混频器13电连接，第一光电单元12与第一混频器13电连接，驱动源14分别与第一混频器13以及压电陶瓷10电连接。第二驱动源15分别与第二电光调制器8及第二混频器17电连接，第二光电单元16与第二混频器17电连接，第二混频器17还与待稳激光器9电连接。

具体地，下面对该激光器稳频系统的原理进行说明：

频率为ω1(载波频率)的参考激光器输出的激光经过第一电光调制器调制之后，其频率被射频频率Ω1(调制频率)调制，在载波频率ω1两边产生两个频率分别为ω1-Ω1和ω1+Ω1的边带，这两个边带的幅度一致但相位相反。激光入射到法布里-玻罗干涉仪(传输腔)后，在调制频率Ω1大于传输腔线宽的情况下，当激光的载波频率与传输腔的谐振频率完全匹配时，则载波可以耦合到传输腔里面，而边带不能耦合到传输腔中，从传输腔反射回来的边带幅度相等但是相位相反，造成的结果是光电二极管输出的光电流不包含频率为Ω1的成分。如果激光频率和传输腔的谐振频率有一定的失谐，记为Δω1，那么反射回来的两个边带的幅度并不相消。这时候从传输腔反射回来的信号利用第一光电单元接收，第一光电单元输出的电流信号中就包含频率为Ω1的成分，该成分的幅度与Δω1成正比。该信号和第一驱动源产生的第一振荡信号(频率为Ω1)送入第一混频器进行混频。第一混频器的输出信号的幅度和Δω1成正比。这个信号就是误差信号，误差信号反馈给传输腔的驱动源，通过驱动源控制传输腔的腔长，从而将传输腔的谐振频率锁定到参考激光器上。而另一边，频率为ω2的待稳激光器输出的激光经过第二电光调制器调制之后，其频率被射频频率Ω2调制，在载波频率ω2两边产生两个频率分别为ω2-Ω2和ω2+Ω2的边带。激光经过法布里-玻罗干涉仪(传输腔)后，从传输腔反射回来的信号利用第二光电单元接收，第二光电单元输出的信号和第二驱动源产生的第二振荡信号(频率为Ω2)送入第二混频器进行混频得到误差信号，误差信号反馈给待稳激光器，从而控制待稳激光器的频率。

本发明实施例提供的激光器稳频系统，与传统的传输腔稳频方法相比：不需要对传输腔的腔长进行扫描，所以无需使用数据采集卡，同时可以避免由于传输腔的压电陶瓷的非线性效应造成的误差信号的不敏感，从而提高了待稳激光器锁定的效果；另外，基于传输腔的长期稳定性，待稳激光器锁定在传输腔上，保证了待稳激光器的长期稳定度，而参考激光器和待稳激光器从两个方向射入传输腔，温度、潮湿和振荡等因素影响下的参考激光器的激光在经过传输腔后，经过信号处理后反馈到待稳激光器上，减小了温度、潮湿和振荡等因素对待稳激光器的影响，从而提高了待稳激光器的短期稳定度，压窄了待稳激光器的线宽。

在本发明实施例中，待稳激光器9和参考激光器1为相同的激光器，第一电光调制器2和第二电光调制器8为相同的电光调制器，第一偏振分光棱镜3和第二偏振分光棱镜7为相同的偏振分光棱镜，第一半波片4和第二半波片6为相同的半波片，第一驱动源11和第二驱动源15为相同的驱动源，第一光电单元12和第二光电单元16为相同的光电单元，第一混频器13和第二混频器17为相同的混频器。即在该系统中，参考侧(参考激光器一侧)和待稳侧(待稳激光器一侧)采用相同的器件，可以进一步保证，待稳激光器的短期稳定度。

在本发明实施例中，待稳激光器9和参考激光器1为半导体激光器。

在本发明实施例中，第一光电单元12和第二光电单元16为光电二极管或者光电倍增管。光电二极管或者光电倍增管用于接收激光信号，从而实现电信号输出。

在本发明实施例中，驱动源14为隔离放大器，隔离放大器可以根据输入的信号产生纠偏信号作用在压电陶瓷上。

在本发明实施例中，该系统还包括设于第一混频器13和驱动源14之间的第一滤波器18。第一滤波器18分别与第一混频器13和驱动源14电连接。

在本发明实施例中，该系统还包括设于第二混频器17和待稳激光器9之间的第二滤波器19。第二滤波器19分别与第二混频器17和待稳激光器9电连接。

上述第一滤波器和第二滤波器可以对信号进行滤波并且可以进行交直流信号转换，从而实现后续的纠偏动作。

在本发明实施例中，第一滤波器18和第二滤波器19为相同的滤波器。

在本发明实施例中，第一滤波器18和第二滤波器19为低通滤波器。

在图1中，实线表示光信号，虚线表示电信号。待稳激光器9经过该系统稳定后的激光信号还用于输出，输出的激光信号通常可以在光路中通过分光片分出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光器稳频系统，其特征在于，所述系统包括：

沿一条直线依次设置的参考激光器、第一电光调制器、第一偏振分光棱镜、第一半波片、法布里-玻罗干涉仪、第二半波片、第二偏振分光棱镜、第二电光调制器和待稳激光器，所述参考激光器和所述待稳激光器的激光发射端正对所述法布里-玻罗干涉仪；

固定在所述法布里-玻罗干涉仪的传输腔上的压电陶瓷，用于产生第一振荡信号并向所述第一电光调制器输出第一参考信号的第一驱动源，设于所述第一偏振分光棱镜的反射光路上的第一光电单元，用于将所述第一振荡信号和所述第一光电单元输出的频率信号进行混频的第一混频器，用于根据所述第一混频器输出的信号产生电压信号作用于所述压电陶瓷的驱动源；

用于产生第二振荡信号并向所述第二电光调制器输出第二参考信号的第二驱动源，设于所述第二偏振分光棱镜的反射光路上的第二光电单元，用于将所述第二振荡信号和所述第二光电单元输出的频率信号进行混频的第二混频器，所述第二混频器还用于将混频后的信号作为纠偏信号输出给所述待稳激光器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述待稳激光器和所述参考激光器为相同的激光器，所述第一电光调制器和所述第二电光调制器为相同的电光调制器，所述第一偏振分光棱镜和所述第二偏振分光棱镜为相同的偏振分光棱镜，所述第一半波片和所述第二半波片为相同的半波片，所述第一驱动源和所述第二驱动源为相同的驱动源，所述第一光电单元和所述第二光电单元为相同的光电单元，所述第一混频器和所述第二混频器为相同的混频器。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述待稳激光器和所述参考激光器为半导体激光器。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一光电单元和所述第二光电单元为光电二极管或者光电倍增管。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述驱动源为隔离放大器。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括设于所述第一混频器和所述驱动源之间的第一滤波器。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括设于所述第二混频器和所述待稳激光器之间的第二滤波器。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一滤波器和所述第二滤波器为相同的滤波器。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一滤波器和所述第二滤波器为低通滤波器。