CN107658690A - 基于和频与调制转移光谱的1572nm稳频系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于和频与调制转移光谱的1572nm稳频系统装置，可应用于CO₂气体浓度探测激光雷达中，包括1064nm激光器，1064nm分束器，532nm倍频晶体，532nm分束器，532nm电光相位调制器，532nm第一准直透镜，532nm偏振分光棱镜，第一碘池，532nm第一准直透镜，532nm聚焦镜，532nm光电探测器，第一混频器，第一信号发生器，第一电子伺服系统，1572nm激光器，1572nm分束器，波分复用器，634nm和频晶体，634nm分束器，634nm电光相位调制器，634nm第一准直透镜，634nm偏振分光棱镜，第二碘池，第二634nm准直透镜，634nm聚焦透镜，634nm光电探测器，第二混频器，第二信号发生器，第二电子伺服系统。本发明避免了直接利用CO₂长吸收池的稳频装置，减小了体积，且碘分子精细吸收光谱比CO₂分子吸收线窄，提高了频率的稳定性。

Description

基于和频与调制转移光谱的1572nm稳频系统及方法

技术领域

本发明属于激光稳频技术领域，尤其涉及在CO₂浓度测量激光雷达中要求激光频率稳定的激光源中基于和频与调制转移光谱的1572nm稳频系统。

背景技术

CO₂气体浓度探测近年来已成为大气环境监测中至关重要的部分。用于CO₂气体浓度探测目前多采用积分路径差分吸收激光雷达的方法，波长主要是1.5微米和2微米两个波段。此方法可实现全天实时探测，但是对激光器的频率稳定性要求非常高。传统的稳频方法采用CO₂吸收线作为频率参考，利用频率调制的方法实现稳频，但是在1.5微米波段CO₂的系数较低，且谱线较宽，所以如果采用CO₂吸收线稳频，需要的CO₂吸收池体积较大，在m量级，加工费用较高。而碘分子的吸收系数大，需要的碘池体积小，在cm量级，并且碘分子具有众多的超精细谱线，线宽窄，利用调制转移光谱可以实现高精度的稳频。利用和频技术及碘分子的超精细谱线实现1572nm稳频的方法还没有出现。

发明内容

本发明专利要解决的问题是在用于测量CO₂气体浓度的积分路径差分吸收激光雷达中激光器频率稳定不足。该系统采用和频技术及调制转移谱实现1572nm的频率稳定。将1064nm激光倍频到532nm，利用调制转移谱实现1064nm激光器的频率稳定。将稳频后的1064nm激光与1572nm激光和频输出634nm光，再次利用碘分子的调制转移光谱实现1572nm激光器的频率稳定

本发明的基本原理是基于和频技术及碘分子的调制转移光谱实现1572nm的频率稳定。将1064nm激光倍频到532nm，利用碘分子的调制转移谱实现1064nm激光器的频率稳定。将稳频后的1064nm激光与1572nm激光和频输出634nm，再次利用碘分子的调制转移光谱实现1572nm激光器的频率稳定

本发明技术解决方案如下

一种基于和频与调制转移光谱的1572nm稳频系统，包括1064nm激光器，1064nm分束器，532nm倍频晶体，532nm分束器，532nm电光相位调制器，532nm第一准直透镜，532nm偏振分光棱镜，第一碘池，532nm第一准直透镜，532nm聚焦镜，532nm光电探测器，第一混频器，第一信号发生器，第一电子伺服系统，1572nm激光器，1572nm分束器，波分复用器，634nm和频晶体，634nm分束器，634nm电光相位调制器，634nm第一准直透镜，634nm偏振分光棱镜，第二碘池，第二634nm准直透镜，634nm聚焦透镜，634nm光电探测器，第二混频器，第二信号发生器，第二电子伺服系统。上述元部件的位置关系如下：

所述的1064nm激光器发出的光束经过1064nm分束器分为两路光束，一路光束射入所述的532nm倍频晶体后输出532nm光束，经过所述的532nm分束器分为两路532nm光束，一路532nm光束作为泵浦光依次经过所述的532nm电光相位调制器和532nm第一准直透镜后射入所述的532nm偏振分光棱镜，此路光束经过该532nm偏振分光棱镜后变为p偏振532nm光后射入第一碘池，另一路532nm光束作为探测光依次经过所述的第二532nm准直透镜和第一碘池后射入所述的532nm偏振分光棱镜，经该532nm偏振分光棱镜反射为s偏振532nm光后射入所述的532nm聚焦镜，在532nm聚焦镜的输出方向有532nm光电探测器，该532nm光电探测器的输出端口与第一混频器的第一输入端口相连，所述的第一信号发生器的第一输出端口与第一混的第二输入端口相连,所述的第一信号发生器的第二输出端口与532nm电光相位调制器的电输入端口相连，第一混频器的输出端与第一电子伺服系统的输入端口相连，第一电子伺服系统的输出端口与1064nm激光器的电输入端口相连。

所述的1572nm激光器发出的光束经过所述的1572nm分束器分为两路光束，一路光作为输出光，另一路1572nm光与1064nm分束器输出的另一路光束共同射入所述的波分复用器，该波分复用器输出的光射入所述的634nm和频晶体后输出634nm光，经过所述的634nm分束器分为两路634nm光束，一路634nm光束作为泵浦光依次经过所述的634nm电光相位调制器和634nm第一准直透镜后射入所述的634nm偏振分光棱镜，此路光束经过该634nm偏振分光棱镜变为p偏振634nm光后射入第二碘池，另一路634nm光作为探测光依次经过所述的第二634nm准直透镜和第二碘池后射入所述的634nm偏振分光棱镜，经该634nm偏振分光棱镜反射为s偏振634nm光后射入所述的634nm聚焦透镜，在634nm聚焦透镜的输出方向有634nm光电探测器，该634nm光电探测器的输出端口与第二混频器的的第一输入端口相连，所述的第二信号发生器的第一输出端口与第二混频器的第二输入端口相连,所述的第二信号发生器的第二输出端口与634nm电光相位调制器的电输入端口相连，第二混频器的输出端口与第二电子伺服系统的输入端口相连，第二电子伺服系统的输出端口与1572nm激光器的电输入端口相连。

本发明具体操作步骤如下：

①通过第一电子伺服系统调节1064nm激光器的工作温度改变其频率，使其输出波长为1064.52nm。输出光经过1064nm分束器分为两路光束，一路光经过532nm倍频晶体产生532.26nm光，532.26nm是碘分子的一条吸收谱线，

②利用调制转移光谱技术实现1064nm激光器的频率稳定。

③通过第二电子伺服系统调节1572nm激光器的工作温度改变其频率，使其输出波长为1571.93nm。输出光经过1572nm分束器分成两路，一路作为输出光，一路光与1064nm分束器输出的另一路频率稳定的1064.52nm光经过波分复用器，634nm和频晶体后，产生634.7nm光，634.7nm是碘分子的一条吸收谱线。

④利用调制转移光谱技术实现1572nm激光器的频率稳定。

所述的第一碘池与第二碘池的长度均为50mm，直径均为15mm。

所述的1064nm激光器和1572nm激光器均全光纤保偏单模分布式可调谐半导体激光器，电子伺服系统通过调节激光器的工作电流和工作温度改变其频率。

所述的调制转移光谱技术是泵浦光经过相位调制，通过四波混频效应将调制转移到探测光中，电子伺服系统线性调节激光器的工作电流可以线性调节激光器的频率，从而使倍频后或者和频后的激光扫描到碘分子的精细光谱，线宽kHz量级，通过光电探测器转换输出的电信号与信号发生器输出的电信号混频节解调出误差信号，电子伺服系统通过该误差信号控制激光器的频率。

与现有技术相比，本发明的优点在于

1、由于传统的稳频方法采用CO₂吸收线作为频率参考，但是在1.5微米波段CO₂的系数较低，且谱线较宽，所以如果采用CO₂吸收池，体积较大，费用较高，此发明采用碘分子超精细谱线，吸收系数大，因此采用的碘池体积小，装置简单。

2、由于碘分子的超精细谱线只有kHz量级远小于CO₂MHz量级的分子吸收线，所以稳频精度高

附图说明

图1为本发明基于和频与调制转移光谱的1572nm稳频系统结构框图。

图中：1—1064nm激光器、2—1064nm分束器、3—532nm倍频晶体、4—532nm分束器、5—532nm电光相位调制器、6—532nm第一准直透镜、7—532nm偏振分光棱镜、8—第一碘池、9—第二532nm准直透镜、10—532nm聚焦镜、11—532nm光电探测器、12—第一混频器、13—第一信号发生器、14—第一电子伺服系统、15—1572nm激光器、16—1572nm分束器、17—波分复用器，18—634nm和频晶体、19—634nm分束器、20—634nm电光相位调制器、21—634nm第一准直透镜、22—634nm偏振分光棱镜、23—第二碘池、24—第二634nm准直透镜、25—634nm聚焦透镜、26—634nm光电探测器、27—第二混频器、28—第二信号发生器、29—第二电子伺服系统

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。请参阅图1，图1为本发明基于和频与调制转移光谱的1572nm稳频系统结构框图，如图所示，基于和频技术与调制转移光谱的1572nm稳频系统，包括1064nm激光器，1064nm分束器，532nm倍频晶体，532nm分束器，532nm电光相位调制器，532nm第一准直透镜，532nm偏振分光棱镜，第一碘池，532nm第一准直透镜，532nm聚焦镜，532nm光电探测器，第一混频器，第一信号发生器，第一电子伺服系统，1572nm激光器，1572nm分束器，波分复用器，634nm和频晶体，634nm分束器，634nm电光相位调制器，634nm第一准直透镜，634nm偏振分光棱镜，第二碘池，第二634nm准直透镜，634nm聚焦透镜，634nm光电探测器，第二混频器，第二信号发生器，第二电子伺服系统。上述元部件的位置关系如下：

所述的1064nm激光器发出的光束经过1064nm分束器分为两路光束，一路光束射入所述的532nm倍频晶体后输出532nm光束，经过所述的532nm分束器分为两路532nm光束，一路532nm光束作为泵浦光依次经过所述的532nm电光相位调制器和532nm第一准直透镜后射入所述的532nm偏振分光棱镜，此路光束经过该532nm偏振分光棱镜后变为p偏振532nm光射入第一碘池，另一路532nm光束作为探测光依次经所述的第二532nm准直透镜和第一碘池射入所述的532nm偏振分光棱镜，经该532nm偏振分光棱镜反射后变为s偏振532nm光射入所述的532nm聚焦镜，在532nm聚焦镜的输出方向有532nm光电探测器，该532nm光电探测器的输出端口与第一混频器的第一输入端口相连，所述的第一信号发生器的第一输出端口与第一混的第二输入端口相连,所述的第一信号发生器的第二输出端口与532nm电光相位调制器的电输入端口相连，第一混频器的输出端与第一电子伺服系统的输入端口相连，第一电子伺服系统的输出端口与1064nm激光器的电输入端口相连。

所述的1572nm激光器发出的光束经过所述的1572nm分束器分为两路光束，一路光作为输出光，另一路1572nm光与1064nm分束器输出的另一路光束共同射入所述的波分复用器，该波分复用器输出的光射入所述的634nm和频晶体后输出634nm光，经过所述的634nm分束器分为两路634nm光束，一路634nm光束作为泵浦光依次经过所述的634nm电光相位调制器和634nm第一准直透镜后射入所述的634nm偏振分光棱镜，此路光束经过该634nm偏振分光棱镜变为p偏振634nm光后射入第二碘池，另一路634nm光作为探测光依次沿着所述的第二634nm准直透镜和第二碘池射入所述的634nm偏振分光棱镜，经该634nm偏振分光棱镜反射后s偏振634nm光射入所述的634nm聚焦透镜，在634nm聚焦透镜的输出方向有634nm光电探测器，该634nm光电探测器的输出端口与第二混频器的的第一输入端口相连，所述的第二信号发生器的第一输出端口与第二混频器的第二输入端口相连,所述的第二信号发生器的第二输出端口与634nm电光相位调制器的电输入端口相连，第二混频器的输出端口与第二电子伺服系统的输入端口相连，第二电子伺服系统的输出端口与1572nm激光器的电输入端口相连。

第一碘池8与第二碘池23的长度均为50mm，直径均为15mm。

1064nm激光器1和1572nm激光器15均全光纤保偏单模分布式可调谐半导体激光器，可通过第一电子伺服系统14和第二电子伺服系统29分别对两个激光器的工作电流和工作温度进行调节进而改变其频率。

通过第一电子伺服系统14调节1064nm激光器1的工作温度改变其频率，使其输出波长为1064.52nm。输出光经过1064nm分束器2分为两路光束，一路光经过532nm倍频晶体(5)产生532.26nm光，532.26nm是碘分子的一条吸收谱线，

通过第二电子伺服系统29调节1572nm激光器15的工作温度改变其频率，使其输出波长为1571.93nm。输出光经过1572nm分束器16分成两路，一路作为输出光，一路光与1064nm分束器2输出的另一路频率稳定的1064.52nm光经过波分复用器17，634nm和频晶体18后，产生634.7nm光，634.7nm是碘分子的另一条吸收谱线。

在开始操作此装置之前，要仔细调节整个光路的准直，确保泵浦光和探测光在碘池内完全重合。

本发明基于和频技术与调制转移光谱的1572nm稳频系统装置工作时,具体操作步骤如下：

1.通过第一伺服系统14调节1064nm激光器1的工作温度使其输出光波长为1064.52nm，在经过532nm倍频晶体3倍频后输出的波长位于碘分子的吸收峰附近。

2.通过第一伺服系统14线性调节1064nm激光器1的工作电流，使其输出光波长线性变化，在经过532nm倍频晶体3倍频后射入碘池之后可以扫描到碘分子的超精细谱线。

3.1064nm激光器1输出光经过1064nm分束器2分成两路，一路光用来实现1064nm激光器的稳频，一路光用来和1572nm激光器15输出的波长和频实现1572nm的频率稳定。

4.利用调制转移光谱技术实现1064nm激光器1的频率稳定。经过1064nm分束器2分束后的一路1064.52nm激光通过532nm倍频晶体3倍频输出532.26nm光，经过532nm分束器4分成两路，一路光作为泵浦光，功率∝|E₀|²，经过532nm电光相位调制器5后输出调制光为其中β为调制深度，ω_M为调制频率。调制信号由第一信号发生器(13)提供，调制的532.26nm光束经过532nm偏振分光棱镜7后透射为p偏振光，射入第一碘池8。

5.532nm分束器4分束后的另一路532.26nm光作为探测光射入到第二532nm准直透(9及第一碘池8，经过532nm偏振分光棱镜反射为s偏振光，s偏振光经过532nm聚焦镜10射到532nm光电探测器11上,输出电信号为其中γ是自然线宽，Δ是偏离吸收线中心频率间隔，n代表贝塞尔函数阶数，C是系统常数。

6.532nm光电探测器11输出的电信号与第一信号发生器13产生的另一路电信号共同经过第一混频器12,该第一混频器12输出误差信号为 第一电子伺服系统14通过此误差信号自动改变1064nm激光器的工作电流来稳定1064nm激光器1的频率。

7.通过第二伺服系统29调节1572nm激光器15的输出光波长为1571.93nm，,经过1572nm分束器16分成两路光，一路光作为输出光，另一路1571.93nm光与1064nm分束器2分束的另一路光共同入射到波分复用器17,然后经过634nm和频晶体8输出634.7nm光，位于碘分子的另一条吸收谱线，之后稳频步骤与上述1-6步骤相同。由于1064nm光频率首先稳定，和频后的光也实现稳定，进而实现1572nm激光器的频率稳定。

Claims (3)

1.一种基于和频与调制转移光谱的1572nm稳频系统，包括1064nm激光器(1)，1064nm分束器(2)，532nm倍频晶体(3)，532nm分束器(4)，532nm电光相位调制器(5)，第一532nm准直透镜(6)，532nm偏振分光棱镜(7)，第一碘池(8)，532nm第一准直透镜(9)，532nm聚焦镜(10)，532nm光电探测器(11)，第一混频器(12)，第一信号发生器(13)，第一电子伺服系统(14)，1572nm激光器(15)，1572nm分束器(16)，波分复用器(17)，634nm和频晶体(18)，634nm分束器(19)，634nm电光相位调制器(20)，634nm第一准直透镜(21)，634nm偏振分光棱镜(22)，第二碘池(23)，第二634nm准直透镜(24)，634nm聚焦透镜(25)，634nm光电探测器(26)，第二混频器(27)，第二信号发生器(28)，第二电子伺服系统(29)；

所述的1064nm激光器(1)发出的光束经过1064nm分束器(2)分为两路光束，一路光束射入所述的532nm倍频晶体(3)后输出532nm光束，经过所述的532nm分束器(4)分为两路532nm光束，一路532nm光束作为泵浦光依次经过所述的532nm电光相位调制器(5)和532nm第一准直透镜(6)后射入所述的532nm偏振分光棱镜(7)，此路光束经过该532nm偏振分光棱镜(7)后变为p偏振532nm光射入第一碘池(8)，另一路532nm光束作为探测光依次经过所述的第二532nm准直透镜(9)和第一碘池(8)后射入所述的532nm偏振分光棱镜(7)，经该532nm偏振分光棱镜(7)反射为s偏振532nm光后射入所述的532nm聚焦镜(10)，在532nm聚焦镜(10)的输出方向有532nm光电探测器(11)，该532nm光电探测器(11)的输出端口与第一混频器(12)的第一输入端口相连，所述的第一信号发生器(13)的第一输出端口与第一混频器(12)的第二输入端口相连,所述的第一信号发生器(13)的第二输出端口与532nm电光相位调制器(5)的电输入端口相连，第一混频器(12)的输出端与第一电子伺服系统(14)的输入端口相连，第一电子伺服系统(14)的输出端口与1064nm激光器(1)的电输入端口相连；

所述的1572nm激光器(15)发出的光束经过所述的1572nm分束器(16)分为两路光束，一路光作为输出光，另一路1572nm光与1064nm分束器(2)输出的另一路光束共同射入所述的波分复用器(17)，该波分复用器(17)输出的光射入所述的634nm和频晶体(18)后输出634nm光，经过所述的634nm分束器(19)分为两路634nm光束，一路634nm光束作为泵浦光依次经过所述的634nm电光相位调制器(20)和634nm第一准直透镜(21)后射入所述的634nm偏振分光棱镜(22)，此路光束经过该634nm偏振分光棱镜变为p偏振634nm光后射入第二碘池(23)，另一路634nm光作为探测光依次沿着所述的第二634nm准直透镜(24)和第二碘池(23)射入所述的634nm偏振分光棱镜(22)，经该634nm偏振分光棱镜(22)反射为s偏振634nm光后射入所述的634nm聚焦透镜(25)，在634nm聚焦透镜(25)的输出方向有634nm光电探测器(26)，该634nm光电探测器(26)的输出端口与第二混频器(27)的第一输入端口相连，所述的第二信号发生器(28)的第一输出端口与第二混频器(27)的第二输入端口相连,所述的第二信号发生器(28)的第二输出端口与634nm电光相位调制器(20)的电输入端口相连，第二混频器(27)的输出端口与第二电子伺服系统(29)的输入端口相连，第二电子伺服系统(29)的输出端口与1572nm激光器(15)的电输入端口相连。

2.根据权利要求1所述的基于和频与调制转移光谱的1572nm稳频系统，其特征在于，所述的第一碘池与第二碘池的长度均为50mm，直径均为15mm。

3.根据权利要求1或2所述的基于和频和调制转移光谱的1572nm稳频系统的稳频方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①通过第一电子伺服系统(14)调节1064nm激光器(1)的工作温度改变其频率，使其输出波长为1064.52nm的光束，1064.52nm的光束经过1064nm分束器(2)分为两路光束，一路经过532nm倍频晶体(5)产生532.26nm光，532.26nm是碘分子的一条吸收谱线；

②利用调制转移光谱技术实现1064nm激光器(1)的频率稳定；

③通过第二电子伺服系统(29)调节1572nm激光器(15)的工作温度改变其频率，使其输出波长为1571.93nm的光束，1571.93nm的光束经过1572nm分束器(16)分成两路，一路作为输出光，另一路与1064nm分束器(2)输出的另一路频率稳定的1064.52nm光经过波分复用器(17)，634nm和频晶体(18)后，产生634.7nm光，634.7nm是碘分子的另一条吸收谱线；

④利用调制转移光谱技术实现1572nm激光器(15)的频率稳定。