CN105470803A - 一种激光稳频装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光稳频装置，属于激光器领域。该装置包括光粒子模块、短稳模块和长稳模块，通过光粒子模块内的伺服单元产生的纠偏信号通过压电控制单元调整激光管输出的激光信号的频率，短稳模块内的谱线斜率调节单元向光粒子模块反馈第一稳频信号以调整激光管输出的激光信号的频率，长稳模块内的输出单元向光粒子模块反馈第二稳频信号以调整激光管输出的激光信号的频率，三种方式同时对激光管进行调节，以获得频率稳定的激光信号。

Description

一种激光稳频装置
技术领域
本发明涉及激光器领域，特别涉及一种激光稳频装置。
背景技术
随着激光器的应用范围越来越广泛，对激光器输出频率的稳定度要求越来越高。但目前绝大多数激光器都会存在频率漂移的问题。
一般而言，激光器存在的频率漂移，是由于谐振腔的等价腔长的漂移变化所引起的，而谐振腔的等价腔长受到多种因素的影响，难以完全消除。因此，需要通过其他方式对激光器的输出频率进行稳频。
发明内容
为了解决高精度的激光稳频问题，本发明实施例提供了一种激光稳频装置。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种激光稳频装置，所述装置包括光粒子模块、短稳模块和长稳模块；
所述光粒子模块包括：用于产生激光信号的激光管、用于对所述激光信号进行频率调制的光频调制单元、用于供所述光频调制单元的调制后的激光信号通过的谐振腔、用于对通过所述谐振腔后的激光信号进行光电检测得到第一光检信号的第一光检单元、根据所述第一光检信号输出纠偏信号的伺服单元、用于采用所述纠偏信号调整所述激光管输出的激光信号的频率的压电控制单元，所述光频调制单元、所述谐振腔和所述第一光检单元依次设置在所述激光信号的光路上；
所述短稳模块包括：设置在所述激光管输出的激光信号的光路上的第一分光单元、设置在所述第一分光单元获取到的激光信号的光路上的第二分光单元、用于对所述第二分光单元分出的激光信号中的一路激光信号进行调制的无源腔、用于对经过所述无源腔调制的激光信号和另一路激光信号进行光电检测得到两路第二光检信号的第二光检单元、用于对所述两路第二光检信号进行锁频处理并输出所述第一稳频信号的谱线斜率调节单元；
所述长稳模块包括：设置在所述第二分光单元分出的一路激光信号的光路上的第三分光单元、用于对所述第二分光单元分出的激光信号中的一路转换为第三光检信号的第三光检单元、用于输出两路调制信号的信号调制单元、用于采用所述两路调制信号其中的一路与所述第三光检信号进行相位检测得到鉴相信号的鉴相单元、用于对另一路所述调制信号进行分频处理的分频器、采用分频处理后的信号与另一路所述调制信号的三次导数信号进行鉴频得到鉴频信号的鉴频单元、用于将所述鉴相信号和所述鉴频信号合成为第二稳频信号输出到所述压电控制单元的输出单元。
优选地，所述光粒子模块还包括用于从所述激光管产生的激光信号中滤除特定频率的激光信号的第一吸收室，所述第一吸收室设置在所述激光管和所述光频调制单元之间的光路上。
进一步地，所述光粒子模块还包括用于从经过所述光频调制单元调制后的激光信号中滤除特定频率的激光信号的第二吸收室，所述第二吸收室设置在所述光频调制单元和所述第一光检单元之间的光路上。
进一步地，所述光频调制单元包括处理单元、直接数字式频率合成器和微波射频单元，所述处理单元分别与所述直接数字式频率合成器及所述伺服单元电连接，所述直接数字式频率合成器与所述微波射频单元电连接。
优选地，所述第一分光单元、第二分光单元和第三分光单元均为分光片。
优选地，所述第一光电检测单元和第三光检单元均为光电池。
可选地，所述第二光检单元包括分别设置在所述无源腔和所述谱线斜率调节单元之间以及所述激光管和所述谱线斜率调节单元之间的两个光电池。
优选地，所述压电控制单元为压电晶体驱动器。
优选地，所述谱线斜率调节单元包括高速运算放大器和补偿单元，所述高速运算放大器接收所述第二光检单元输出的所述第二光检信号并进行差分放大运算，所述补偿单元根据运算后的差值产生所述第一稳频信号。
优选地，所述分频器的分频比为1/3。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过光粒子模块内的伺服单元产生的纠偏信号通过压电控制单元调整激光管输出的激光信号的频率，光粒子模块是基于原子跃迁频率进行纠偏的，所以可以保证激光管的输出锁定在原子跃迁频率的一定范围内；短稳模块内的谱线斜率调节单元向光粒子模块反馈第一稳频信号以调整激光管输出的激光信号的频率，由于第一稳频信号是基于鉴频斜率产生的，因此可以保证激光信号的短期稳定度；长稳模块向光粒子模块反馈第二稳频信号以调整激光管输出的激光信号的频率，第二稳频信号是基于调整信号的三次导数鉴频产生的，因此可以保证激光信号的长期稳定度；本申请同时通过上述三种方式同时对激光管进行调节，以获得频率稳定的激光信号。
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稳频装置的系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的原子谱线图；
图3是本发明实施例提供的原子谱线图。
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。
本发明实施例提供了一种激光稳频装置，如图1所示，该装置包括光粒子模块10、短稳模块20和长稳模块30，光粒子模块10输出激光信号，短稳模块20接收激光信号并向光粒子模块10反馈第一稳频信号，长稳模块30接收激光信号并向光粒子模块10反馈第二稳频信号。
光粒子模块10包括：用于产生激光信号的激光管11、用于对激光信号进行频率调制的光频调制单元13、用于供光频调制单元13的调制后的激光信号通过的谐振腔、用于对通过谐振腔后的激光信号进行光电检测得到第一光检信号的第一光检单元23、根据所述第一光检信号输出纠偏信号的伺服单元16、用于根据纠偏信号、第一稳频信号和第二稳频信号调整激光管11输出的激光信号的频率的压电控制单元17，光频调制单元13、谐振腔和第一光检单元15以此设置在激光信号的光路上，伺服单元16分别与第一光检单元15及压电控制单元17电连接，压电控制单元17与激光管11电连接。
短稳模块20包括：设置在激光管11输出的激光信号的光路上的第一分光单元23、设置在第一分光单元23获取到的激光信号的光路上的第二分光单元、用于对两路激光信号中的一路激光信号进行调制的无源腔21、用于将经过无源腔21调整的激光信号和未经过无源腔21调整的激光信号分别转换为第二光检信号的第二光检单元23、用于对第二光检信号进行锁频处理并输出第一稳频信号的谱线斜率调节单元24，谱线斜率调节单元24分别与第二光检单元22和压电控制单元17电连接。
长稳模块30包括：设置在所述第二分光单元25分出的一路激光信号的光路上的第三分光单元37、用于对第三分光单元37分出的激光信号中的一路转换为第三光检信号的第三光检单元31、用于输出两路调制信号的信号调制单元33、用于采用两路调制信号其中的一路与第三光检信号进行相位检测得到鉴相信号的鉴相单元、用于对两路调制信号其中的一路调制信号进行分频处理的分频器34、鉴相单元32接收两路调制信号其中的另一路调制信号，还包括采用分频处理后的信号与另一路调制信号的三次导数信号进行鉴频得到鉴频信号的鉴频单元35、用于将鉴相信号和鉴频信号合成为第二稳频信号输出到压电控制单元17的输出单元36，鉴相单元32分别与第三光检单元31、信号调制单元33和输出单元36电连接，分频器34分别与信号调制单元33和鉴频单元35电连接，输出单元36分别与鉴频单元35及压电控制单元17电连接。
本发明实施例通过光粒子模块内的伺服单元产生的纠偏信号通过压电控制单元调整激光管输出的激光信号的频率，光粒子模块是基于原子跃迁频率进行纠偏的，所以可以保证激光管的输出锁定在原子跃迁频率的一定范围内；短稳模块内的谱线斜率调节单元向光粒子模块反馈第一稳频信号以调整激光管输出的激光信号的频率，由于第一稳频信号是基于鉴频斜率产生的，因此可以保证激光信号的短期稳定度；长稳模块向光粒子模块反馈第二稳频信号以调整激光管输出的激光信号的频率，第二稳频信号是基于调整信号的三次导数鉴频产生的，因此可以保证激光信号的长期稳定度；本申请同时通过上述三种方式同时对激光管进行调节，以获得频率稳定的激光信号。
如图1所示，激光信号在通过分光单元时，分为两路，一路沿原方向继续运动，另一路形成新的激光光路，供分光单元所在模块使用。
具体实现时，光粒子模块10还包括用于从激光管11产生的激光信号中滤除特定频率的激光信号的第一吸收室12，第一吸收室12设置在激光管11和光频调制单元13之间的光路上。
进一步地，光粒子模块10还包括用于从经过光频调制单元13调制后的激光信号中滤除特定频率的激光信号的第二吸收室14，第二吸收室14设置在光频调制单元13和第一光检单元15之间的光路上。
具体地，第一吸收室12和第二吸收室14内充有气体，以对激光器输出的激光信号进行过滤，输出预定频率的激光信号，该预定频率为该气体原子的吸收中心频率。
具体地，光频调制单元13包括处理单元、直接数字式频率合成器和微波射频单元，处理单元分别与直接数字式频率合成器及伺服单元16电连接，直接数字式频率合成器与微波射频单元电连接。
更进一步地，伺服单元16将纠偏信号输出到光频调制单元14，调整光频调制单元13的调制频率。
具体实现时，第一分光单元23、第二分光单元25和第三分光单元37均为分光片，且第一分光单元23设置在激光管11输出的激光信号的光路上，第二分光单元25设置在第一分光单元23形成的光路上，第三分光单元37设置在第二分光单元25形成的光路上，第一分光单元23从激光管11输出的激光信号中获取一路光信号，第二分光单元25将第一分光单元23获取的一路光信号分为两路，其中一路输入到无源腔21，另一路输入到第二光检单元22，第三分光单元37从第二分光单元25形成的一路光路中获取一路光信号并将该光信号输入到第三光检单元31。
可选地，第一光电检测模块23、第二光电检测模块22和第三光检单元31均为光电池。
进一步地，第二光检单元22包括分别设置在无源腔21和谱线斜率调节单元24以及激光管11和谱线斜率调节单元24之间的两个光电池。
可选地，压电控制单元17为压电晶体驱动器，可以是安装在激光管11中的压电陶瓷片。由于它的电致伸缩特性，当在其被施加不同的电压信号时，会使激光管的谐振腔的等价腔长的发生变化，从而引起激光光束输出频率的变化，以此对激光管11输出的激光信号的频率进行调节。本发明中，压电控制单元17同时在纠偏信号、第一稳频信号和第二稳频信号的作用下，控制激光管的信号输出。
优选地，谱线斜率调节单元24包括高速运算放大器24b和补偿单元24a，高速运算放大器24b接收第二光检单元22输出的第二光检信号并进行差分放大运算，补偿电源24a根据运算后的差值产生第一稳频信号，补偿单元24a将第一稳频信号输出给压电控制单元17。
需要说明的是，第二光检单元22也可以设置成两个独立的光检单元。
可选地，分频器34的分频比为1/3。
以下是图1中所示的光粒子模块10的工作过程：
激光管11输出激光信号到第一吸收室12，激光信号通过第一吸收室12后获得预定频率的激光信号并将该激光信号输入到光频调制单元13，通过光频调制单元13的光频调制后，激光信号通过第二吸收室14获得预定频率的调制激光信号并将该调制激光信号输入到第一光检单元15，通过第一光检单元15获取第一光检信号，第一光检单元15输出的第一光检信号输入到伺服单元16，伺服单元16通过接收到的第一光检信号与预定信号之间的差值，产生相应的纠偏电压作用在压电控制单元17，压电控制单元17根据纠偏电压调节激光管11产生的激光信号的频率，同时伺服单元16还根据第一光检信号的频率设置光频调制单元13产生的低频信号的频率。
以下是图1中所示的短稳模块20的工作过程：
第二光检单元22将从光粒子模块10直接获取的激光信号和通过无源腔21调制后的激光信号分别转换为两路第二光检信号，将两路第二光检信号作用于谱线斜率调节单元24中的高速运算放大器24b，高速运算放大器24b进行差分放大运算后，补偿单元24a根据运算后的差值经由锁频处理产生第一稳频信号并输出到光粒子模块10的压电控制单元17。
具体地，谱线斜率调节单元24的补偿单元24a锁频处理原理如下:
图2为本发明实施例提供的一种原子谱线图，该原子谱线图通过将激光信号经过调制后输入一谐振腔，通过共振跃迁后检测获得，其横坐标为调制频率；纵坐标为光检电平，具体可以通过频率扫频、采样、拟合等步骤获得，这里不做赘述。在本发明实施例中，通过补偿单元24a选择合适的补偿电平，可以将该激光管11输出的激光信号的频率锁定在该曲线的斜率最大值fk处。也就是说，当激光管11输出的信号频率f’＝fk时，高速运算放大器24b输出的差值为0，第一稳频信号也为0，而当激光管11输出的信号频率f’>fk(f’<fk)时，差值小于0(大于0)，第一稳频信号为一反向的负(正)值直流电平，通过这样的调整，最终将激光管11输出频率锁定在f’＝fk。由于该斜率最大值fk远离无源腔21的中心频率，该处离中心频率较远，频率单一性好，所以将激光管11输出频率锁定在f’＝fk处，可以进一步提高激光管11的输出信号频率的稳定度。
参见图3，fk也可选取图3中的值，方法与图2相同，在此不再详述。
以下是图1中所示的长稳模块30的工作过程：
一方面，第三光检单元31将激光信号转换为一路第三光检信号，并将该第三光检信号输入到鉴相单元32中，同时鉴相单元32接收信号调制单元33产生的一路调制信号，鉴相单元32将接收到的调制信号与第三光检信号进行相位检测得到鉴相信号，并将得到的鉴相信号输送到输出单元36；另一方面，分频器34接收信号调制单元33产生的另一路同频同相的调制信号，并对该调制信号进行分频处理，分频器34将分频处理后的信号输入到鉴频单元35，鉴频单元35将分频器34处理后的信号与另一路调制信号的三次倒数信号进行鉴频处理得到鉴频信号，并输出到输出单元36；输出单元36将鉴相信号和鉴频信号合成为第二稳频信号输送至压电控制单元17。
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 (10)

1.一种激光稳频装置，其特征在于，所述装置包括光粒子模块、短稳模块和长稳模块；
所述光粒子模块包括：用于产生激光信号的激光管、用于对所述激光信号进行频率调制的光频调制单元、用于供所述光频调制单元的调制后的激光信号通过的谐振腔、用于对通过所述谐振腔后的激光信号进行光电检测得到第一光检信号的第一光检单元、根据所述第一光检信号输出纠偏信号的伺服单元、用于采用所述纠偏信号调整所述激光管输出的激光信号的频率的压电控制单元，所述光频调制单元、所述谐振腔和所述第一光检单元依次设置在所述激光信号的光路上；
所述短稳模块包括：设置在所述激光管输出的激光信号的光路上的第一分光单元、设置在所述第一分光单元获取到的激光信号的光路上的第二分光单元、用于对所述第二分光单元分出的激光信号中的一路激光信号进行调制的无源腔、用于对经过所述无源腔调制的激光信号和另一路激光信号进行光电检测得到两路第二光检信号的第二光检单元、用于对所述两路第二光检信号进行锁频处理并向所述压电控制单元输出第一稳频信号的谱线斜率调节单元；
所述长稳模块包括：设置在所述第二分光单元分出的一路激光信号的光路上的第三分光单元、用于对所述第三分光单元分出的激光信号中的一路转换为第三光检信号的第三光检单元、用于输出两路调制信号的信号调制单元、用于采用所述两路调制信号其中的一路与所述第三光检信号进行相位检测得到鉴相信号的鉴相单元、用于对另一路所述调制信号进行分频处理的分频器、采用分频处理后的信号与另一路所述调制信号的三次导数信号进行鉴频得到鉴频信号的鉴频单元、用于将所述鉴相信号和所述鉴频信号合成为第二稳频信号输出到所述压电控制单元的输出单元。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光粒子模块还包括用于从所述激光管产生的激光信号中滤除特定频率的激光信号的第一吸收室，所述第一吸收室设置在所述激光管和所述光频调制单元之间的光路上。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光粒子模块还包括用于从经过所述光频调制单元调制后的激光信号中滤除特定频率的激光信号的第二吸收室，所述第二吸收室设置在所述光频调制单元和所述第一光检单元之间的光路上。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述光频调制单元包括处理单元、直接数字式频率合成器和微波射频单元，所述处理单元分别与所述直接数字式频率合成器及所述伺服单元电连接，所述直接数字式频率合成器与所述微波射频单元电连接。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一分光单元、第二分光单元和第三分光单元均为分光片。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光电检测单元和第三光检单元均为光电池。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二光检单元包括分别设置在所述无源腔和所述谱线斜率调节单元之间以及所述激光管和所述谱线斜率调节单元之间的两个光电池。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电控制单元为压电晶体驱动器。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述谱线斜率调节单元包括高速运算放大器和补偿单元，所述高速运算放大器接收所述第二光检单元输出的所述第二光检信号并进行差分放大运算，所述补偿单元根据运算后的差值进行运算产生所述第一稳频信号。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分频器的分频比为1/3。
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