CN105490163B - 一种高锁频精度激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高锁频精度激光器，属于激光器技术领域。所述激光器包括：激光管、光学器件、吸收泡和第一光电检测单元，所述光学器件、吸收泡和第一光电检测单元沿所述激光管的激光的发射方向依次设置，且所述光学器件、吸收泡和第一光电检测单元均设置在所述激光的光路上；所述激光器还包括：与所述激光管电连接的功率放大器，与所述激光管电连接的激光驱动器，设置在所述光学器件和所述吸收泡之间的声光调制器；伺服环路，所述伺服环路分别与所述第一光电检测单元、所述功率放大器、所述激光驱动器及所述声光调制器电连接。

Description

一种高锁频精度激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种高锁频精度激光器。

背景技术

半导体激光器是一种具有诸多优点的光源装置，如体积小、结构简单、单色性好、相干性好、工作电源电压低等，因而半导体激光器在通信、量子物理、印刷、机械、医疗等领域扮演着越来越重要的角色。特别是在量子物理等基础物理研究方面，半导体激光器更是发挥了不可或缺的重大作用。

但是在量子物理领域，对半导体激光器输出信号的频率稳定性要求非常高，为了保证半导体激光器输出信号的频率稳定性，现有技术通常通过控制半导体激光器的工作条件来提高半导体激光器的频率稳定性，如控制半导体激光器的工作温度。

但即使对半导体激光器的上述工作条件控制非常好，半导体激光器输出信号的频率稳定性仍然不太理想，达不到高端实验、科研等领域的应用要求。

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高锁频精度激光器。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种高锁频精度激光器，所述激光器包括：激光管、光学器件、吸收泡和第一光电检测单元，所述光学器件、吸收泡和第一光电检测单元沿所述激光管的激光的发射方向依次设置，且所述光学器件、吸收泡和第一光电检测单元均设置在所述激光的光路上；

所述激光器还包括：与所述激光管电连接的功率放大器，与所述激光管电连接的激光驱动器，设置在所述光学器件和所述吸收泡之间的声光调制器；

伺服环路，用于根据所述激光管的输出信号的电流产生功率纠偏信号，将所述功率纠偏信号输出到所述功率放大器；在输出所述功率纠偏信号的设定时间后，向所述声光调制器输出一个线性的扫频信号，获取所述第一光电检测单元输出的光检信号，根据所述光检信号的电压值与所述扫频信号的频率值拟合曲线，确定所述曲线中的斜率最大点的电压值Vk和频率值Fk；采用频率为Fk的射频信号调制所述声光调制器，获取所述第一光电检测单元的光检信号，当所述光检信号的电压大于所述电压值Vk时，向所述激光驱动器输出一个绝对值为设定值的正纠偏信号，当所述光检信号的电压小于所述电压值Vk时，向所述激光驱动器输出一个绝对值为设定值的负纠偏信号；

所述激光器还包括：光隔离器、第一分光片和第二光电检测单元，所述光隔离器和第一分光片依次设置在所述光学器件和所述吸收泡之间，经过所述第一分光片分出的两束激光分别照射到所述吸收泡和所述第二光电检测单元上；

所述激光器还包括：设置在所述光学器件和所述光隔离器之间的第二分光片、正对所述第二分光片的反射光路设置的第三光电检测单元；

所述伺服环路，用于根据所述第二光电检测单元检测的光检信号计算所述激光器的系统闭环时间，计算所述系统闭环时间的倒数得到系统闭环频率，产生一路频率等于所述系统闭环频率的正整数倍的时序信号，采用所述时序信号对所述第三光电检测单元产生的光检信号的电流值进行采样；比较采样到的电流值与额定值的大小，当所述采样到的电流值小于所述额定值时，增大所述功率放大器的倍数，当所述采样到的电流值大于所述额定值时，减小所述功率放大器的倍数。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述吸收泡为无微波场系统的吸收泡。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述吸收泡内设有⁸⁷Rb原子。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述伺服环路包括：

与运算单元，用于获取所述伺服环路产生的同步鉴相信号和所述第二光电检测单元检测到的光检信号，将所述同步鉴相信号与所述第二光电检测单元检测到的光检信号进行与运算；

奇数级逻辑门阵列，用于接收并处理所述与运算单元的输出结果；

控制单元，用于采用所述奇数级逻辑门阵列的输出信号控制所述光隔离器的开关动作；

检测单元，用于检测所述奇数级逻辑门阵列的输出信号的频率，获得整机振荡周期；

计算单元，用于根据所述整机振荡周期及所述奇数级逻辑门阵列的振荡周期，计算所述系统闭环时间。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述计算单元，具体用于：根据以下公式计算所述系统闭环时间：Δt＝(T1-T0)/2；

其中，Δt为所述系统闭环时间，T1为所述整机振荡周期，T0为所述奇数级逻辑门阵列的振荡周期。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述伺服环路包括直接数字式频率合成器，所述直接数字式频率合成器与所述声光调制器电连接。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述激光器还包括与所述激光管电连接的自稳频。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述激光器还包括与所述激光驱动器电连接的恒流源。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述伺服环路为单片微型计算机。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例通过先对激光器的功率进行稳定，保证激光器的整体工作状态，在功率稳定后，通过先建立光检信号的电压值-扫频信号的频率值的曲线，确定斜率最大点的电压值Vk和频率值Fk作为参考值，然后根据光检信号的电压与参考电压值Vk的大小，确定纠偏信号，从而保证了激光器的频率稳定度。

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高锁频精度激光器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的光检信号的电压值-扫频信号的频率值的曲线示意图。

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高锁频精度激光器的结构示意图，参见图1，该激光器包括：激光管10、光学器件20、吸收泡30和第一光电检测单元40，光学器件20、吸收泡30和第一光电检测单元40沿激光管10的激光的发射方向依次设置，且光学器件20、吸收泡30和第一光电检测单元40均设置在激光的光路上；

激光器还包括：与激光管10电连接的功率放大器50，与激光管10电连接的激光驱动器60，设置在光学器件20和吸收泡30之间的声光调制器100；

控制功率放大器50及激光驱动器60并对声光调制器100进行调制的伺服环路70，伺服环路70分别与第一光电检测单元40、功率放大器50、激光驱动器60器及声光调制器100电连接。

具体地，伺服环路70，用于根据激光管10的输出信号的电流产生功率纠偏信号，将功率纠偏信号输出到功率放大器50；在输出功率纠偏信号的设定时间(如30S)后，向声光调制器100输出一个线性的扫频信号，获取第一光电检测单元40输出的光检信号，根据所述光检信号的电压值与所述扫频信号的频率值拟合曲线(具体可以如图2所示)，确定曲线中的斜率最大点的电压值Vk和频率值Fk；然后再采用频率为Fk的射频信号调制声光调制器100，获取第一光电检测单元40的光检信号，当光检信号的电压大于电压值Vk时，向激光驱动器60输出一个绝对值为设定值的正纠偏信号，当光检信号的电压小于电压值Vk时，向激光驱动器60输出一个绝对值为设定值的负纠偏信号。

本发明实施例通过先对激光器的功率进行稳定，保证激光器的整体工作状态，在功率稳定后，通过先建立光检信号的电压值-扫频信号的频率值的曲线，确定斜率最大点的电压值Vk和频率值Fk作为参考值，然后根据光检信号的电压与参考电压值Vk的大小，确定纠偏信号，从而保证了激光器的频率稳定度。

其中，光学器件20包括但不限于光栅。

其中，吸收泡30为无微波场系统的吸收泡30。

其中，吸收泡30中含有碱金属，例如⁸⁷Rb。

如图1所示，激光器还包括：光隔离器80、第一分光片90和第二光电检测单元110，光隔离器80和第一分光片90依次设置在光学器件20和吸收泡30之间，经过第一分光片90分出的两束激光分别照射到吸收泡30和第二光电检测单元110上；

激光器还包括：设置在光学器件20和光隔离器80之间的第二分光片120、正对第二分光片120的反射光路设置的第三光电检测单元130；

伺服环路70，用于根据第二光电检测单元110检测的光检信号计算激光器的系统闭环时间，计算系统闭环时间的倒数得到系统闭环频率，产生一路频率等于系统闭环频率的正整数倍的时序信号，采用时序信号对第三光电检测单元130产生的光检信号的电流值进行采样；比较采样到的电流值与额定值的大小，当采样到的电流值小于额定值时，增大功率放大器50的倍数，当采样到的电流值大于额定值时，减小功率放大器50的倍数。

伺服环路70分别与第二光电检测单元110和第三光电检测单元130电连接。

可选地，伺服环路70包括：

与运算单元701、奇数级逻辑门阵列702、控制单元703、检测单元704和计算单元705；

与运算单元701的输入端与第二光电检测单元110的输出端电连接，奇数级逻辑门阵列702的输入端与与运算单元701的输出端电连接，控制单元703同时与奇数级逻辑门阵列702及光隔离器电80连接，检测单元704的输入端与奇数级逻辑门阵列702的输出端电连接，计算单元705的输入端与检测单元704的输出端电连接。

与运算单元701，用于获取伺服环路70产生的同步鉴相信号和第二光电检测单元110产生的光检信号，将同步鉴相信号与光检信号进行与运算；具体地，将同步鉴相信号与光检信号进行与运算可以采用下述方式实现：当同步鉴相信号或光检信号为高电平时记为1，低电平记为0，然后再进行与运算。

奇数级逻辑门阵列702，用于接收并处理与运算单元701的输出结果；

控制单元703，用于采用奇数级逻辑门阵列702的输出信号控制光隔离器80的开关动作；

检测单元704，用于检测奇数级逻辑门阵列702的输出信号的频率，获得整机振荡周期；

计算单元705，用于根据整机振荡周期及奇数级逻辑门阵列702的振荡周期，计算系统闭环时间。

其中，光隔离器80可以是光隔离器80或者高速快门Shutter，但这里也仅作为举例，本发明并不限制如此。第一分光片90将激光分为两束，一束送至吸收泡30中，另一束送至第二光电检测单元110中。

其中，奇数级逻辑门阵列702的级数可以根据实际需要设定，例如大于3。

在本发明实施例中，计算单元705，具体用于：根据以下公式计算系统闭环时间：Δt＝(T1-T0)/2；

其中，Δt为系统闭环时间，T1为整机振荡周期，T0为奇数级逻辑门阵列702的振荡周期。

具体地，奇数级逻辑门阵列702由奇数个非门串接在一起，会产生自激振荡。设非门的个数为M(大于0的奇数)，每个非门电路的平均传输延迟时间为t，则奇数级逻辑门阵列702的振荡周期为T0。假定输入奇数级逻辑门阵列702的信号初态为‘1’，则经过1个传输延迟t后变为‘0’，再经过1个传输延迟t变为‘1’，经过奇数M个传输延迟Mt后，初态‘1’变为‘0’。因此，可以得到：T0＝2Mt (1)。

在奇数级逻辑门阵列702串入激光器系统后，当光隔离器80是‘开’状态时，激光器激励的光通过光隔离器80后直接进入吸收泡30中，完成量子鉴频，产生光检信号，光检信号经伺服环路70处理后用于同步鉴相。因为激光器激励光能够透过吸收泡30，故此时刻经伺服环路70的同步鉴相信号与第二光电检测单元110产生的光检信号的与运算的结果送入奇数级逻辑门阵列702中的信号为高电平‘1’，而奇数级逻辑门阵列702由奇数个非门构成，因此送入奇数级逻辑门阵列702中的信号经过奇数个非门后变成低电平‘0’，输出信号再次作用于光隔离器80，使其为‘关’状态。依次循环，在奇数级逻辑门阵列702的输出端会出现‘1’、‘0’、‘1’…、‘0’的变化，通过奇数级逻辑门阵列702的输出端频率信号检测，即可得出整机振荡周期T1。而根据公式(1)相同的道理，可以推导出该整机振荡周期T1可以表示为：T1＝2(Mt+Δt) (2)。

故通过公式(1)和(2)，可推导得出：Δt＝(T1-T0)/2。

在本发明实施例中，伺服环路70包括直接数字式频率合成器，直接数字式频率合成器与声光调制器100电连接。直接数字式频率合成器用于向声光调制器100输出一个线性的扫频信号或者频率为Fk的射频信号。

可选地，激光器还包括与激光管10电连接的自稳频140。

可选地，激光器还包括与激光驱动器60电连接的恒流源150。

可选地，伺服环路70为单片微型计算机，方便各个功能电路的搭建，且运行速度快。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

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)

1.一种高锁频精度激光器，其特征在于，所述激光器包括：激光管、光学器件、吸收泡和第一光电检测单元，所述光学器件、吸收泡和第一光电检测单元沿所述激光管的激光的发射方向依次设置，且所述光学器件、吸收泡和第一光电检测单元均设置在所述激光的光路上；

所述激光器还包括：与所述激光管电连接的功率放大器，与所述激光管电连接的激光驱动器，设置在所述光学器件和所述吸收泡之间的声光调制器；

伺服环路，用于根据所述激光管的输出信号的电流产生功率纠偏信号，将所述功率纠偏信号输出到所述功率放大器；在输出所述功率纠偏信号的设定时间后，向所述声光调制器输出一个线性的扫频信号，获取所述第一光电检测单元输出的光检信号，根据所述光检信号的电压值与所述扫频信号的频率值拟合曲线，确定所述曲线中的斜率最大点的电压值Vk和频率值Fk；采用频率为Fk的射频信号调制所述声光调制器，获取所述第一光电检测单元的光检信号，当所述光检信号的电压大于所述电压值Vk时，向所述激光驱动器输出一个绝对值为设定值的正纠偏信号，当所述光检信号的电压小于所述电压值Vk时，向所述激光驱动器输出一个绝对值为设定值的负纠偏信号；

所述激光器还包括：光隔离器、第一分光片和第二光电检测单元，所述光隔离器和第一分光片依次设置在所述光学器件和所述吸收泡之间，经过所述第一分光片分出的两束激光分别照射到所述吸收泡和所述第二光电检测单元上；

所述激光器还包括：设置在所述光学器件和所述光隔离器之间的第二分光片、正对所述第二分光片的反射光路设置的第三光电检测单元；

所述伺服环路，用于根据所述第二光电检测单元检测的光检信号计算所述激光器的系统闭环时间，计算所述系统闭环时间的倒数得到系统闭环频率，产生一路频率等于所述系统闭环频率的正整数倍的时序信号，采用所述时序信号对所述第三光电检测单元产生的光检信号的电流值进行采样；比较采样到的电流值与额定值的大小，当所述采样到的电流值小于所述额定值时，增大所述功率放大器的倍数，当所述采样到的电流值大于所述额定值时，减小所述功率放大器的倍数。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述吸收泡为无微波场系统的吸收泡。

3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述吸收泡内设有⁸⁷Rb原子。

4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述伺服环路包括：

与运算单元，用于获取所述伺服环路产生的同步鉴相信号和所述第二光电检测单元检测到的光检信号，将所述同步鉴相信号与所述第二光电检测单元检测到的光检信号进行与运算；

奇数级逻辑门阵列，用于接收并处理所述与运算单元的输出结果；

控制单元，用于采用所述奇数级逻辑门阵列的输出信号控制所述光隔离器的开关动作；

检测单元，用于检测所述奇数级逻辑门阵列的输出信号的频率，获得整机振荡周期；

计算单元，用于根据所述整机振荡周期及所述奇数级逻辑门阵列的振荡周期，计算所述系统闭环时间。

5.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述计算单元，具体用于：根据以下公式计算所述系统闭环时间：Δt＝(T1-T0)/2；

其中，Δt为所述系统闭环时间，T1为所述整机振荡周期，T0为所述奇数级逻辑门阵列的振荡周期。

6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述伺服环路包括直接数字式频率合成器，所述直接数字式频率合成器与所述声光调制器电连接。

7.根据权利要求1至6任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括与所述激光管电连接的自稳频。

8.根据权利要求1至6任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括与所述激光驱动器电连接的恒流源。

9.根据权利要求1至6任一项所述的激光器，其特征在于，所述伺服环路为单片微型计算机。