CN106159661A - 基于分时复用的共腔稳频装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于分时复用的共腔稳频装置，第一可调谐激光器、第二可调谐激光器连接光开关两输入端，经光开关输出端进入电光调制器，经偏振分光镜分为两路，一路直接入射至光电探测器，另一路经λ/4玻片入射至F‑P腔，经F‑P腔返回后再次经过偏振分光镜入射到光电探测器，射频信号源发出的射频信号进入电光调制器，为光电调制器提供激励信号，射频信号源发出的射频信号还与光电探测器的输出信号一起经混频器后输入至比例积分电路，比例积分电路的输出端连接电开关输入端，电开关两输出端分别经第一信号处理单元、第二信号处理单元连接第一可调谐激光器和第二可调谐激光器。本发明的有益效果为：将两束频率间隔较小的激光锁定在同一F‑P腔的腔体上。

Description

基于分时复用的共腔稳频装置
技术领域
本发明涉及激光稳频技术领域，特别是涉及一种基于分时复用的共腔稳频装置。
背景技术
PDH(Pound-Drever-Hall)稳频技术是目前激光稳频系统中最主要的一种稳频技术，该技术的思想是由Pound于1946年提出并首先使用在微波上，后来Drever和Hall将它成功应用到了激光稳频领域，因此这种激光稳频技术叫做PDH稳频技术。PDH稳频技术选择光学谐振腔的共振频率ω0作为参考频率标准，对激光频率进行射频电光调制，产生分布在激光频率两侧、幅度相等且相位相反的两个边带。高速光电探测器于谐振腔反射端探测此双边带与载波的拍频信号为：式中，pc为载波光功率，ps为每个边带光功率，δ为激光相位调制频率，F(ω)及F(ω-δ)分别为载波及双边带在谐振腔端面的反射系数。当激光频率ω对准参考腔谐振频率ω0时，上下边带与载波拍频电流大小相等且相位相反，探测器输出P为零；反之，两侧边带经过参考腔反射后对称性被破坏，上下边带与载波拍频电流不再抵消，此时探测器输出包含有激光频率与参考腔谐振频率偏差信息的差频信号。伺服控制系统根据此差频信号反馈控制激光器腔长，实现激光频率的稳定。F-P腔(法布里波罗谐振腔)具有很高的稳定性和超窄的共振谱线宽度，能够满足各个波段激光稳频的需求，所以采用相位调制外差(PDH)技术将激光频率锁定在光学谐振腔的共振频率上，可以得到极高的频率稳定性和Hz量级或者亚Hz量级的超窄输出线宽，F-P腔稳频技术已广泛应用于光钟和冷原子领域。但是，当需要将两束频率间隔较小的激光锁定在同一F-P腔的腔体上时，现有技术存在明显的不足，主要表现在以下两个方面：(1)无法区分频率间隔较小的两束激光，当两束激光的频率间隔很大时，可以通过光栅或者其他分光元件实现两束激光的分离，但是，当两束激光的频率间隔在0-50GHz时，采用分光元件已经无法区分两束激光。(2)无法避免频率间隔较小的两束激光的混频，稳频激光均为窄线宽激光器，相干性好，频率间隔较小的两束激光在腔体和光路上可能产生混频，导致稳频失败。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于分时复用的共腔稳频装置，解决无法将两束频率间隔较小的激光锁定在同一F-P腔的腔体上的问题。
本发明提供一种基于分时复用的共腔稳频装置，包括第一可调谐激光器、第二可调谐激光器、光开关、电开关、电光调制器、偏振分光镜、λ/4玻片、F-P腔、PDH稳频系统、光电探测器、射频信号源、混频器、比例积分电路、第一信号处理单元和第二信号处理单元，第一可调谐激光器发出的一束激光连接光开关的第一输入端，第二可调谐激光器发出的一束激光连接光开关的第二输入端，第一可调谐激光器发出的一束激光或第二可调谐激光器发出的一束激光经光开关的输出端输出后进入电光调制器移频，经偏振分光镜分为两路，一路经λ/4玻片入射至F-P腔，经F-P腔反射后经过λ/4玻片，并继续经偏振分光镜反射至光电探测器，另一路直接入射至光电探测器，射频信号源发出的射频信号进入电光调制器，射频信号源发出的射频信号还与光电探测器的输出信号一起经混频器后输入至比例积分电路，比例积分电路的输出端连接电开关的输入端，电开关的第一输出端经第一信号处理单元连接第一可调谐激光器或电开关的第二输出端经第二信号处理单元连接第二可调谐激光器；第一信号处理单元，一方面用于调节第一可调谐激光器的腔长，将第一可调谐激光器的频率锁定在F-P腔，另一方面进行差频信号的保持，在光路断开时，实现保持第一可调谐激光器的腔长不变；第二信号处理单元，一方面用于调节第二可调谐激光器的腔长，将第二可调谐激光器的频率锁定在F-P腔，另一方面进行差频信号的保持，在光路断开时，实现保持第二可调谐激光器的腔长不变；光开关、电开关的切换频率高于第一可调谐激光器、第二可调谐激光器内部的压电陶瓷的调节速率。
进一步的，还包括温控探头和温控系统，温控探头设置于F-P腔中，温控探头信号连接温控系统。
进一步的，第一可调谐激光器发出的激光的频率与第二可调谐激光器发出的激光的频率相差不超过50GHz。
进一步的，光开关和电开关之间信号连接。
进一步的，光开关、电开关的切换频率在kHz量级。
与现有技术相比，本发明的基于分时复用的共腔稳频装置具有以下特点和优点：
1、本发明的基于分时复用的共腔稳频装置，可以通过分时复用的方式，将两束频率间隔较小的激光锁定在同一F-P腔的腔体上；
2、本发明的基于分时复用的共腔稳频装置，可以将一个调谐激光器的频率固定不变，对另一个调谐激光器进行扫频处理，从而可以得到不同频率的光外差信号。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明实施例中基于分时复用的共腔稳频装置的工作原理图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供一种基于分时复用的共腔稳频装置，包括第一可调谐激光器TLS1、第二可调谐激光器TLS2、光开关、电开关、电光调制器EOM、偏振分光镜PBS、λ/4玻片、F-P腔、PDH稳频系统、光电探测器PD、射频信号源RF、混频器Mixer、比例积分电路PID、信号处理单元1和信号处理单元2。本实施例中的第一可调谐激光器TLS1发出的激光的频率与第二可调谐激光器TLS2发出的激光的频率相差不超过50GHz，当需要将两束相差不超过50GHz频率间隔的激光锁定在同一F-P腔的腔体上时，现有技术存在明显的不足，主要表现在以下两个方面：(1)无法区分频率间隔不超过50GHz的两束激光，当两束激光的频率间隔很大时，可以通过光栅或者其他分光元件实现两束激光的分离，但是，当两束激光的频率间隔在0-50GHz时，采用分光元件已经无法区分两束激光。(2)无法避免频率间隔不超过50GHz的两束激光的混频，稳频激光均为窄线宽激光器，相干性好，频率间隔不超过50GHz的两束激光在腔体和光路上可能产生混频，导致稳频失败。
如图1所示，将光开关的K2和电开关的K3断开，将光开关的K1和电开关的K4接入光路，第一可调谐激光器TLS1发出的一束激光经光开关的K1端接入光路，激光经光开关的输出端输出后进入电光调制器EOM移频，移频后的激光经偏振分光镜PBS分为两路，一路经λ/4玻片入射至F-P腔，经F-P腔反射后经过λ/4玻片，并再次经过偏振分光镜PBS反射至光电探测器PD，另一路直接入射至光电探测器PD，射频信号源RF发出的射频信号进入电光调制器EOM以激励电光调制器EOM，射频信号源RF发出的射频信号还与光电探测器PD的输出信号一起经混频器Mixer后输入至比例积分电路PID，比例积分电路PID的输出端连接电开关的输入端，电开关的K4端经信号处理单元1连接第一可调谐激光器TLS1；信号处理单元1，一方面用于调节第一可调谐激光器TLS1的腔长，将第一可调谐激光器TLS1的频率锁定在F-P腔，另一方面进行差频信号的保持，在整个光路断开时，实现保持第一可调谐激光器TLS1的腔长不变。需要说明的是，本领域技术人员通过本实施例的上述描述，利用现有技术可以实现上述的信号处理单元1，在此就不再赘述。
如图1所示，将光开关的K1和电开关的K4断开，将光开关的K2和电开关的K3接入光路，第二可调谐激光器TLS2发出的一束激光经光开关的K2端接入光路，激光经光开关的输出端输出后进入电光调制器EOM移频，移频后的激光经偏振分光镜PBS分为两路，一路经λ/4玻片入射至F-P腔，经PDH稳频系统控制第二可调谐激光器TLS2，另一路入射至光电探测器PD，射频信号源RF发出的射频信号进入电光调制器EOM以激励电光调制器EOM，射频信号源RF发出的射频信号还作为混频器Mixer的本振信号与光电探测器PD的输出信号一起经混频器Mixer后输入至比例积分电路PID，比例积分电路PID的输出端连接电开关的输入端，电开关的K3端经信号处理单元2连接第二可调谐激光器TLS2；信号处理单元2，一方面用于调节第二可调谐激光器TLS2的腔长，将第二可调谐激光器TLS2的频率锁定在F-P腔，另一方面进行差频信号的保持，在整个光路断开时，实现保持第二可调谐激光器TLS2的腔长不变。需要说明的是，本领域技术人员通过本实施例的上述描述，利用现有技术可以实现上述的信号处理单元2，在此就不再赘述。
光开关和电开关进行“将光开关的K2和电开关的K3断开，将光开关的K1和电开关的K4接入光路”和“将光开关的K1和电开关的K4断开，将光开关的K2和电开关的K3接入光路”的切换，光开关和电开关的切换频率在kHz量级。可以使用整个稳频系统的伺服信号来连接光开关和电开关，光开关和电开关之间经信号电缆连接，以实现光开关和电开关的同步切换控制。光开关和电开关的切换频率高于第一可调谐激光器TLS1内部的压电陶瓷的调节速率，光开关和电开关的切换频率高于第二可调谐激光器TLS2内部的压电陶瓷的调节速率，以保证稳频的实现。因F-P腔容易受到外界环境温度的影响，本实施例中还包括温控探头和温控系统，温控探头设置于F-P腔中，温控探头信号连接温控系统，温控系统控制F-P腔的温度，以确保F-P腔的稳定。本实施例的上述基于分时复用的共腔稳频装置，通过分时复用的方式，将第一可调谐激光器TLS1和第二可调谐激光器TLS2分别发出两束频率间隔不超过50GHz的激光锁定在同一F-P腔的腔体上进行PDH稳频；除此之外，本实施例的上述基于分时复用的共腔稳频装置，还可以将一可调谐激光器TLS1或第二可调谐激光器TLS2中的一个调谐激光器的频率固定不变，对另一个调谐激光器进行扫频处理，从而可以得到不同频率的光外差信号。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于分时复用的共腔稳频装置，其特征在于：包括第一可调谐激光器、第二可调谐激光器、光开关、电开关、电光调制器、偏振分光镜、λ/4玻片、F-P腔、PDH稳频系统、光电探测器、射频信号源、混频器、比例积分电路、第一信号处理单元和第二信号处理单元，第一可调谐激光器发出的一束激光连接光开关的第一输入端，第二可调谐激光器发出的一束激光连接光开关的第二输入端，第一可调谐激光器发出的一束激光或第二可调谐激光器发出的一束激光经光开关的输出端输出后进入电光调制器移频，经偏振分光镜分为两路，一路经λ/4玻片入射至F-P腔，经F-P腔反射后经过λ/4玻片，并继续经偏振分光镜反射至光电探测器，另一路直接入射至光电探测器，射频信号源发出的射频信号进入电光调制器，射频信号源发出的射频信号还与光电探测器的输出信号一起经混频器后输入至比例积分电路，比例积分电路的输出端连接电开关的输入端，电开关的第一输出端经第一信号处理单元连接第一可调谐激光器或电开关的第二输出端经第二信号处理单元连接第二可调谐激光器；第一信号处理单元，一方面用于调节第一可调谐激光器的腔长，将第一可调谐激光器的频率锁定在F-P腔，另一方面进行差频信号的保持，在光路断开时，实现保持第一可调谐激光器的腔长不变；第二信号处理单元，一方面用于调节第二可调谐激光器的腔长，将第二可调谐激光器的频率锁定在F-P腔，另一方面进行差频信号的保持，在光路断开时，实现保持第二可调谐激光器的腔长不变；光开关、电开关的切换频率高于第一可调谐激光器、第二可调谐激光器内部的压电陶瓷的调节速率。
2.根据权利要求1所述的基于分时复用的共腔稳频装置，其特征在于：还包括温控探头和温控系统，温控探头设置于F-P腔中，温控探头信号连接温控系统。
3.根据权利要求1所述的基于分时复用的共腔稳频装置，其特征在于：第一可调谐激光器发出的激光的频率与第二可调谐激光器发出的激光的频率相差不超过50GHz。
4.根据权利要求1所述的基于分时复用的共腔稳频装置，其特征在于：光开关和电开关之间信号连接。
5.根据权利要求1所述的基于分时复用的共腔稳频装置，其特征在于：光开关、电开关的切换频率在kHz量级。
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