CN107171175A - 一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置，包括超低热膨胀系数材料腔体，超低热膨胀系数材料腔体位于真空腔内，超低热膨胀系数材料腔体内设置有多个法布里珀罗腔，每个法布里珀罗腔对应一个入射腔镜、一个出射腔镜、一个入射玻窗、一个出射玻窗、一个光电探测器、一个计算控制器、一个待稳激光器、一个通道第一反射镜、一个透镜和一个通道第二反射镜。本发明能同时锁定多束激光的频率，抑制多束激光频率的长期漂移，节省了空间，降低了成本；使用过程中不需要参考激光或者原子谱线作为参考，使用方便。可广泛用于激光物理、光学频率标准、量子信息等需要激光频率稳定的领域。

Description

一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置

技术领域

本发明涉及激光稳频技术，更具体涉及一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置。适用于激光物理、光学频率标准、量子信息等需要激光频率稳定的领域。

背景技术

在光频标及量子信息等实验中，需要多束频率稳定的激光对原子、分子、离子进行冷却和量子态操作，实验要求这些激光频率的长期漂移需低于1MHz/h。而对自由运转的激光器而言，实验室环境中温度变化、振动燥声等影响使其长期漂移达到100MHz/h，因此需对激光进行稳频。实现激光稳频的技术手段有传输腔稳频和饱和吸收谱线稳频，前者需要一台稳定度很高的激光器作为参考，这对在缺少超稳激光器的实验环境中是无法实现的，后者需要有合适的原子分子谱线作为参考，但是对于某些找不到对应原子谱线的激光波长，同样缺乏实现的条件。

传统的法布里珀罗腔稳频方法只能采用一套ULE腔体对一束待稳激光进行稳频，浪费空间，且由于ULE材料的昂贵价格，当实验中需要对多束激光进行稳频时，采用传统方法进行稳频花费的成本将是巨大的。因此，本发明提出一种集成的法布里珀罗腔装置，用一套ULE腔体即可同时锁定多数激光，这种方案节省了空间，极大地节省了成本，操作简单方便。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置，本发明能同时锁定多束激光的频率，抑制多束激光频率的长期漂移。可广泛用于激光物理、频标、量子信息等需要激光频率稳定的领域。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置，包括超低热膨胀系数材料腔体，超低热膨胀系数材料腔体位于真空腔内，超低热膨胀系数材料腔体内设置有多个法布里珀罗腔，每个法布里珀罗腔对应一个入射腔镜、一个出射腔镜、一个光电探测器、一个计算控制器、一个待稳激光器、一个通道第一反射镜、一个透镜和一个通道第二反射镜，入射腔镜和出射腔镜设置在法布里珀罗腔两端，待稳激光器的出射激光依次经过通道第一反射镜、透镜、通道第二反射镜、入射腔镜、法布里珀罗腔、出射腔镜后由光电探测器进行探测获得透射峰，计算控制器控制待稳激光器对出射激光进行调制使得出射激光对应的透射峰最大，透镜使得出射激光的束腰的位置和大小与法布里珀罗腔的束腰的位置和大小相同，且出射激光的束腰的位置位于入射腔镜的中心。

如上所述的法布里珀罗腔为多个。

如上所述的法布里珀罗腔为四个且呈两横两纵分布，且四个法布里珀罗腔的光轴均在同一水平高度。

如上所述的真空腔内压强为10^-6pa以下。

一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置，还包括用于控制真空腔内温度的温度控制器。

如上所述的温度控制器控制真空腔内温度稳定在超低热膨胀系数材料腔体的拐点温度±10mK。

一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置进行稳频的方法，包括以下步骤：

步骤1、将超低热膨胀系数材料腔体放置于真空腔内，采用真空泵将真空腔内空气抽出，使真空腔内真空降至10^-6pa以下；

步骤2、测量待稳激光器的出射激光的束腰大小和位置。

步骤3、通过透镜调节待稳激光器的束腰大小和位置，使得出射激光的束腰的位置和大小与法布里珀罗腔的束腰的位置和大小相同，且出射激光的束腰的位置位于入射腔镜的中心，实现出射激光的模式和法布里珀罗腔的模式匹配。

步骤4、利用计算控制器控制待稳激光器的出射激光的频率在设定范围内扫描；

步骤5、通过光电探测器测量透射峰；

步骤6、计算控制器对透射峰的强度进行微分运算获得鉴频曲线；

步骤7、通过改变计算控制器的调制频率、调制幅度及调制相位调制待稳激光器输出的待稳的出射激光，使得透射峰对应的鉴频曲线斜率最大，将待稳的出射激光锁定在对应的鉴频曲线的斜率最大处，即将待稳的出射激光锁定在对应的透射峰的顶峰处，将待稳的出射激光锁定在法布里珀罗腔上。

步骤8、采用PID温度控制器控制真空腔的温度，使真空腔的温度稳定在超低热膨胀系数材料腔体的拐点温度±10mK，拐点温度是指超低热膨胀系数材料腔体在该温度点时长度变化为零的点，从而使真空腔内超低热膨胀系数材料腔体长度稳定。

本装置利用法布里珀罗腔对入射激光频率的选择透射性的特性，将法布里珀罗腔本身作为一种频率参考对激光器进行稳频，其基本原理为激光频率的相对变化量等于腔长的相对变化量。根据以下公式：

其中Δυ为激光频率的变化量，υ_q为激光的绝对频率，Δl为腔体长度的变化量，l为腔长。根据上述公式可知，影响法布里珀罗腔稳频的关键因素是法布里珀罗参考腔的腔长的稳定性。由于装置设计的目的在于抑制激光器的长期漂移，而在这个尺度上影响腔长的最主要因素是腔体的温度，因此我们主要考虑温度波动对腔体长度的影响。在本装置中，采用了两种方法降低温度波动对腔长的影响：首先采用热膨胀系数极低的ULE(Ultra-Law-Expansion)材料，其次是采用商用PID电流源控制器对腔体进行精密温控。

在法布里珀罗腔稳频中，需要用到以下技术：

束腰变换出射激光可以通过透镜改变激光的束腰的大小和位置。

激光器稳频。自由运转的激光器的频率会漂移，通过调制激光器的电流源使待稳激光器在透射峰的顶峰对应的频率几十兆赫兹(MHz)附近扫描，采用锁相放大的方法将待稳激光器的出射激光的频率锁定于透射峰的顶峰所对应的频率处。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

在一块矩形的ULE材料两横两纵正交分布四个法布里珀罗腔，能同时锁定多束激光的频率，抑制多束激光频率的长期漂移，节省了空间，降低了成本；使用过程中不需要参考激光或者原子谱线作为参考，使用方便。可广泛用于激光物理、光学频率标准、量子信息等需要激光频率稳定的领域。

附图说明

图1为实施例2的结构示意图。图1中法布里珀罗腔为四个且在超低热膨胀系数材料腔体内呈“井”字形两纵两横分布，且四个法布里珀罗腔的光轴均在同一水平高度。

其中：501-真空腔；502-超低热膨胀系数材料腔体(ULE材料腔体)；503-第一通道入射玻窗；504-第一通道入射腔镜；505-第一通道出射腔镜；506-第一通道出射玻窗；507-第二通道入射玻窗；508-第二通道入射腔镜；509-第二通道出射腔镜；510-第二通道出射玻窗；511-第三通道入射玻窗；512-第三通道入射腔镜；513-第三通道出射腔镜；514-第三通道出射玻窗；515-第四通道入射玻窗；516-第四通道入射腔镜；517-第四通道出射腔镜；518-第四通道出射玻窗；519-温度控制器。

图2为实施例2的光路示意图，图2中法布里珀罗腔为四个。

其中：10-第一待稳激光器；11-第一通道第一反射镜；12-第一透镜；13-第一通道第二反射镜；14-第一光电探测器；15-第一计算控制器；20-第二待稳激光器；21-第二通道第一反射镜；22-第二透镜；23-第二通道第二反射镜；24-第二光电探测器；25-第二计算机控制器；30-第三待稳激光器；31-第三通道第一反射镜；32-第三透镜；33-第三通道第二反射镜；34-第三光电探测器；35-第三计算机控制器；40-第四待稳激光器；41-第四通道第一反射镜；42-第四透镜；43-第四通道第二反射镜；44-第四光电探测器；45-第四计算控制器。

图3为透射峰信号图。

图4为在相同环境下激光器自由运转和经法布里珀罗腔稳频后激光的频率随时间的变化图，4000s内自由运转的激光器的频率漂移了约100MHz，经法布里珀罗腔稳频后激光的长期漂移为0，短期漂移为10MHz。

具体实施方式

以下结合说明书附图以及实施例，对本发明的技术方案做详细的描述。

实施例1：

一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置，包括超低热膨胀系数材料腔体，超低热膨胀系数材料腔体位于真空腔内，超低热膨胀系数材料腔体内设置有多个法布里珀罗腔，每个法布里珀罗腔对应一个入射腔镜、一个出射腔镜、一个入射玻窗、一个出射玻窗、一个光电探测器、一个计算控制器、一个待稳激光器、一个通道第一反射镜、一个透镜和一个通道第二反射镜，入射玻窗和出射玻窗设置在真空腔上，入射腔镜和出射腔镜设置在法布里珀罗腔两端，待稳激光器的出射激光依次经过通道第一反射镜、透镜、通道第二反射镜、入射玻窗、入射腔镜、法布里珀罗腔、出射腔镜、出射玻窗后由光电探测器进行探测获得透射峰，计算控制器控制待稳激光器对出射激光进行调制使得出射激光对应的透射峰最大，透镜使得出射激光的束腰的位置和大小与法布里珀罗腔的束腰的位置和大小相同，且出射激光的束腰的位置位于入射腔镜的中心。

优选的，法布里珀罗腔为多个。

优选的，真空腔内压强为10^-6pa以下。

优选的，一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置，还包括用于控制真空腔内温度的温度控制器。

优选的，温度控制器控制真空腔内温度稳定在超低热膨胀系数材料腔体的拐点温度±10mK。

一种利用上述法布里珀罗腔装置进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置进行稳频的方法，包括以下步骤：

步骤1、将超低热膨胀系数材料腔体放置于真空腔内，采用真空泵将真空腔内空气抽出，使真空腔内真空降至10^-6pa以下；

步骤2、测量待稳激光器的出射激光的束腰大小和位置。

步骤3、通过透镜调节待稳激光器的束腰大小和位置，使得出射激光的束腰的位置和大小与法布里珀罗腔的束腰的位置和大小相同，且出射激光的束腰的位置位于入射腔镜的中心，实现出射激光的模式和法布里珀罗腔的模式匹配。

步骤4、利用计算控制器控制待稳激光器的出射激光的频率在设定范围内扫描；

步骤5、通过光电探测器测量透射峰；

步骤6、计算控制器对透射峰的强度进行微分运算获得鉴频曲线；

步骤7、通过改变计算控制器的调制频率、调制幅度及调制相位调制待稳激光器输出的待稳的出射激光，使得透射峰对应的鉴频曲线斜率最大，将待稳定的出射激光锁定在对应的鉴频曲线的斜率最大处，即将待稳定的出射激光锁定在对应的透射峰的顶峰处，将待稳定的出射激光锁定在法布里珀罗腔上。

步骤8、采用PID温度控制器控制真空腔的温度，使真空腔的温度稳定在超低热膨胀系数材料腔体的拐点温度±10mK，拐点温度是指超低热膨胀系数材料腔体在该温度点时长度变化为零的点，从而使真空腔内超低热膨胀系数材料腔体长度稳定。

实施例2：

如图1～2所示，一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置，包括超低热膨胀系数材料腔体，超低热膨胀系数材料腔体位于真空腔内，超低热膨胀系数材料腔体内设置有多个法布里珀罗腔，每个法布里珀罗腔对应一个入射腔镜、一个出射腔镜、一个入射玻窗、一个出射玻窗、一个光电探测器、一个计算控制器、一个待稳激光器、一个通道第一反射镜、一个透镜和一个通道第二反射镜，入射玻窗和出射玻窗设置在真空腔上，入射腔镜和出射腔镜设置在法布里珀罗腔两端，待稳激光器的出射激光依次经过通道第一反射镜、透镜、通道第二反射镜、入射玻窗、入射腔镜、法布里珀罗腔、出射腔镜、出射玻窗后由光电探测器进行探测获得透射峰，计算控制器控制待稳激光器对出射激光进行调制使得出射激光对应的透射峰最大，透镜使得出射激光的束腰的位置和大小与法布里珀罗腔的束腰的位置和大小相同，且出射激光的束腰的位置位于入射腔镜的中心。

在本实施例中，法布里珀罗腔为四个且呈两横两纵分布，且四个法布里珀罗腔的光轴均在同一水平高度。

四个法布里珀罗腔分别为第一法布里珀罗腔、第二法布里珀罗腔、第三法布里珀罗腔、第四法布里珀罗腔。

第一法布里珀罗腔对应第一通道入射玻窗503、第一通道入射腔镜504、第一通道出射腔镜505、第一通道出射玻窗506、第一光电探测器14、第一计算控制器15、第一待稳激光器10、第一通道第一反射镜11、第一透镜12和第一通道第二反射镜13。

第二法布里珀罗腔对应第二通道入射玻窗507、第二通道入射腔镜508、第二通道出射腔镜509、第二通道出射玻窗510、、第二光电探测器24、第二计算控制器25、第二待稳激光器20、第二通道第一反射镜21、第二透镜22和第二通道第二反射镜23。

第三法布里珀罗腔对应第三通道入射玻窗511、第三通道入射腔镜512、第三通道出射腔镜513、第三通道出射玻窗514、第三光电探测器34、第三计算控制器35、第三待稳激光器30、第三通道第一反射镜31、第三透镜32和第三通道第二反射镜33。

第四法布里珀罗腔对应第四通道入射玻窗515、第四通道入射腔镜516、第四通道出射腔镜517、第四通道出射玻窗、第四光电探测器44、第四计算控制器45、第四待稳激光器40、第四通道第一反射镜41、第四透镜42和第四通道第二反射镜43。

本实施例中，超低热膨胀系数材料腔体所采用的超低热膨胀系数材料热膨胀系数为3.0×10^-9/K。

在第一待稳激光器10前放置第一通道第一反射镜11和第一通道第二反射镜13，第一通道第一反射镜11和第一通道第二反射镜13之间放置第一透镜12，在第一通道出射腔镜505后放置第一光电探测器14，第一通道第二反射镜13、第一通道入射玻窗503、第一通道入射腔镜504、第一通道出射腔镜505、第一通道出射玻窗506和第一光电探测器14的感光面位于同一直线。

在第二待稳激光器20前放置第二通道第一反射镜21和第二通道第二反射镜23，第二通道第一反射镜21和第二通道第二反射镜23之间放置第二透镜12，在第二通道出射腔镜509后放置第二光电探测器24，第二通道第二反射镜23、第二通道入射玻镜507、第二通道入射腔镜508、第二通道出射腔镜509、第二通道出射玻窗510和第二光电探测器24的感光面位于同一直线。

在待稳激光器30前放置第三通道第一反射镜31和第三通道第二反射镜33，第三通道第一反射镜31和第三通道第二反射镜33之间放置第三透镜32，在第三通道出射腔镜513后放置第三光电探测器34，第三通道第二反射镜33、第三通道入射玻窗511、第三通道入射腔镜512、第三通道出射腔镜513、第三通道出射玻窗514和第三光电探测器34的感光面位于同一直线；

在待稳激光器40前放置第四通道第一反射镜41和第四通道第二反射镜43，第四通道第一反射镜41和第四通道第二反射镜43之间放置第四透镜42，在第一通道出射腔镜517后放置第四光电探测器44，第四通道第二反射镜43、第四通道入射玻窗515、第四通道入射腔镜516、第四通道出射腔镜517、第四通道出射玻窗518和第四光电探测器44的感光面位于同一直线。

四个透镜(12、22、32、42)所处的位置分别使其所对应的待稳激光器(10、20、30、40)发出的激光分别经过四个透镜(12、22、32、42)束腰变换，每个激光束腰的大小和位置正好分别与四个法布里珀罗腔的束腰大小相等，位置相同。且出射激光的束腰的位置分别位于入射腔镜(504、508、512、516)的中心。

第一待稳激光器10发出的激光经第一通道第一反射镜11反射穿过第一透镜12，再经第一通道第二反射镜13反射后经第一通道入射玻窗503和第一通道入射腔镜504进入第一通道法布里珀罗腔内进行模式匹配，使激光束腰的大小与第一通道法布里玻罗腔的束腰大小相等，同时束腰最小的位置与第一通道入射腔镜504的中心重合，束腰是指激光传播过程中光斑最小的位置。模式匹配的过程中是通过改变第一透镜的放置位置及焦距大小来改变激光束腰的大小及位置，因此在束腰匹配过程中激光束腰大小及位置是可变的，但是束腰匹配一旦确定下来，则激光的束腰大小和位置将不再变化。模式匹配后的透射激光沿着第一通道法布里珀罗腔的轴向穿过第一通道出射腔镜505和第一通道出射玻窗506射入第一光电探测器14的感光面内，第一光电探测器14的输出端与第一计算控制器15的输入端连接，第一计算控制器15的输出端与第一待稳激光器10的输入端连接。

第二待稳激光器20发出的激光经第二通道第一反射镜21反射穿过第二透镜22，再经第二通道第二反射镜23反射后经第二通道入射玻窗507和第二通道入射腔镜508进入第二通道法布里珀罗腔内进行模式匹配，使激光束腰的大小与第二通道法布里玻罗腔的束腰大小相等，同时束腰最小的位置与第二通道入射腔镜508的中心重合。模式匹配后的透射激光沿着第二法布里珀罗腔的轴向穿过第二通道出射腔镜509和第二通道出射玻窗510射入第二光电探测器24的感光面内，第二光电探测器24的输出端与第二计算控制器25的输入端连接，第二计算控制器25的输出端与第二待稳激光器20的输入端连接。

第三待稳激光器30发出的激光经第三通道第一反射镜31反射穿过第三透镜32，再经第三通道第二反射镜33反射后经第三通道入射玻窗511和第三通道入射腔镜512进入第三通道法布里珀罗腔内进行模式匹配，使激光束腰的大小与第三通道法布里玻罗腔的束腰大小相等，同时束腰最小的位置与第三通道入射腔镜512的中心重合。模式匹配后的透射激光沿着第三法布里珀罗腔的轴向穿过第三通道出射腔镜513和第三通道出射玻窗514射入第三光电探测器34的感光面内，第三光电探测器34的输出端与第三计算控制器35的输入端连接，第三计算控制器35的输出端与第三待稳激光器30的输入端连接。

第四待稳激光器40发出的激光经第四通道第一反射镜41反射穿过第四透镜42，再经第四通道第二反射镜43反射后经第四通道入射玻窗515和第四通道入射腔镜516进入第四通道法布里珀罗腔内进行模式匹配，使激光束腰的大小与第一通道法布里玻罗腔的束腰大小相等，同时束腰最小的位置与第四通道入射腔镜516的中心重合。模式匹配后的透射激光沿着第四法布里珀罗腔的轴向穿过第四通道出射腔镜517和第四通道出射玻窗518射入第四光电探测器44的感光面内，第四光电探测器44的输出端与第四计算控制器45的输入端连接，第四计算控制器45的输出端与第四待稳激光器40的输入端连接。

第一通道入射玻窗503、第一通道出射玻窗506、第二通道入射玻窗507、第二通道出射玻窗510、第三通道入射玻窗511、第三通道出射玻窗514、第四通道入射玻窗515、第四通道出射玻窗518均设置在真空腔501上，且均镀有增透膜，分别对各自所稳定的激光器发出的激光透过率大于99％，对其它波长的激光透过率小于1％。真空腔501为304不锈钢材料。

第一通道入射腔镜504、第一通道出射腔镜505、第二通道入射腔镜508、第二通道出射腔镜509、第三通道入射腔镜512、第三通道出射腔镜513、第四通道入射腔镜516、第四通道出射腔镜517的内侧均镀有高反膜，对各自所稳定的激光器发出的激光反射率均大于99.9％，只有当待稳激光经过模式匹配使激光频率与对应的法布里珀罗腔耦合时，才有一部分激光穿过对应的法布里珀罗腔，经过对应出射腔镜出射使对应的光电探测器探测到。

上述四个法布里珀罗腔中传播是在真空介质中传播，超低热膨胀系数材料腔体502(ULE材料腔体)为实心，超低热膨胀系数材料腔体502内开设两横两纵分布的第一法布里珀罗腔～第四法布里珀罗腔，第一法布里珀罗腔～第四法布里珀罗腔的光轴在同一平面内且呈两横两纵正交分布。

四个法布里珀罗腔中的光均交叉，无相互作用。由于该设计方案主要依靠激光功率的变化来实施锁定，每束光之间是否有相互作用对锁定并无影响。

该方案采用的是商用的计算控制器(Toptica Diglock110模块及配套软件)。

做成两横两纵正交分布的四个通道目的还是在于集成化，节省空间，节约成本，在光频标实验往往需要对多束激光进行稳频，传统的法布里珀罗腔稳频方法只能采用一套ULE腔体对一束待稳激光进行稳频，浪费空间。考虑到ULE材料的昂贵价格，这种同时锁定多束激光的设计方案能够节省空间和成本，便于集成化。

其他与实施例1相同。四个通道的待稳激光器分别按照实施例1中的方法进行稳频。

本文中所描述的具体实例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置，包括超低热膨胀系数材料腔体，其特征在于，超低热膨胀系数材料腔体位于真空腔内，超低热膨胀系数材料腔体内设置有多个法布里珀罗腔，每个法布里珀罗腔对应一个入射腔镜、一个出射腔镜、一个入射玻窗、一个出射玻窗、一个光电探测器、一个计算控制器、一个待稳激光器、一个通道第一反射镜、一个透镜和一个通道第二反射镜，入射玻窗和出射玻窗设置在真空腔上，入射腔镜和出射腔镜设置在法布里珀罗腔两端，待稳激光器的出射激光依次经过通道第一反射镜、透镜、通道第二反射镜、入射玻窗、入射腔镜、法布里珀罗腔、出射腔镜、出射玻窗后由光电探测器进行探测获得透射峰，计算控制器控制待稳激光器对出射激光进行调制使得出射激光对应的透射峰最大，透镜使得出射激光的束腰的位置和大小与法布里珀罗腔的束腰的位置和大小相同，且出射激光的束腰的位置位于入射腔镜的中心。

2.根据权利要求1所述的一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置，其特征在于，所述的法布里珀罗腔为多个。

3.根据权利要求1所述的一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置，其特征在于，所述的法布里珀罗腔为四个且呈两横两纵分布，且四个法布里珀罗腔的光轴均在同一水平高度。

4.根据权利要求1所述的一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置，其特征在于，所述的真空腔内压强为10^-6pa以下。

5.根据权利要求1所述的一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置，其特征在于，还包括用于控制真空腔内温度的温度控制器。

6.根据权利要求5所述的一种能同时进行多束激光稳频的法布里珀罗腔装置，其特征在于，所述的温度控制器控制真空腔内温度稳定在超低热膨胀系数材料腔体的拐点温度±10mK。