CN108039640A - 一种795nm激光稳频系统及其稳频方法 - Google Patents
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Abstract
一种795nm激光稳频系统及其稳频方法，本发明涉及一种激光稳频系统及其稳频方法。本发明要解决现有激光器存在着体积大、功耗高、稳频精度低及稳定性差的问题。系统包括主电路板、半导体激光器、连接器接口、1/2λ波片、偏振分光棱镜、反射棱镜、铷原子气室、平衡光电探测器及信号处理集成电路；方法：1/2波片与偏振分光棱镜从激光器出射光中分出一束光，进入稳频部分的光束被分为一束探测光，直接入射到铷原子气室，另一束作为参考光，不经过铷原子气室，两束光被平衡光电探测器接收。平衡光电探测器输出两束光的差分信号，送到后续锁相放大器，锁相放大器给出反馈信号送到激光器温控与驱动模块，调整激光器输出频率。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光稳频系统及其稳频方法。
背景技术
激光以其特有的性质，广泛应用于各个领域。其一个显著的优点就是单色性好。但是，随着激光应用的日益广泛和光电子技术的飞速发展，对输出激光品质提出了更高的要求，许多领域一般的激光器已不能满足要求。在许多应用中需要使用具有准确的频率稳定性的激光光源，例如干涉检测、光谱学、光通信和原子磁力计，以及原子钟。此外，稳定的激光光源也被用于商业应用，如精密加工工具，激光振动计和重力仪。在这样的应用中，一方面需要降低功率和激光光源的尺寸，以便于制造便携式设备；另一方面，对高稳定性激光光源的需求正在迅速增长，随着应用日益广泛，如高分辨率光谱或使用原子钟的精确导航系统。
795nm激光器是原子钟系统和磁力仪系统的主要激光光源，其频率稳定性直接决定了所在系统的精度。在原子钟系统中，795nm激光器的频率稳定性决定了时间基准的精度；在原子磁力仪系统中，795nm激光器的频率稳定性决定了磁力仪的磁场测量精度。目前虽然有不少原子钟及原子磁力仪系统已经被研发出来，但是小型化、低功耗、高精度的原子钟或原子磁力仪研发依然有不少技术难题有待解决。目前的795nm激光器存在着体积大、功耗高、稳频精度低、稳定性差的问题。其中，小型化的高稳定度激光光源是限制小型化原子钟或原子磁力仪实用化的一个重要障碍。
发明内容
本发明要解决现有795nm激光器存在着体积大、功耗高、稳频精度低及稳定性差的问题，而提供一种795nm激光稳频系统及其稳频方法。
一种795nm激光稳频系统包括主电路板、795nm VCSEL半导体激光器、预留DIN连接器接口、第一1/2λ波片、第一偏振分光棱镜、第一反射棱镜、第二反射棱镜、第二1/2λ波片、第二偏振分光棱镜、立方体铷原子气室、平衡光电探测器及信号处理集成电路；
795nm VCSEL半导体激光器、预留DIN连接器接口、第一1/2λ波片、第一偏振分光棱镜、第一反射棱镜、第二反射棱镜、第二1/2λ波片、第二偏振分光棱镜、立方体铷原子气室及平衡光电探测器设置于主电路板的一面；
所述的795nm VCSEL半导体激光器出射光为偏振光或非偏振光；
所述的预留DIN连接器接口包括第一连接器及第二连接器，其中第一连接器为平衡光电探测器信号输出接口，第二连接器为激光器驱动信号输入接口；
所述的第一1/2λ波片安装于第一聚四氟乙烯小型镜架上，并与第一偏振分光棱镜胶合在一起，组成第一偏振分光系统；
所述的第二1/2λ波片安装于第二聚四氟乙烯小型镜架上，并与第二偏振分光棱镜胶合在一起，组成第二偏振分光系统；
所述的第一反射棱镜及第二反射棱镜与第二偏振分光系统胶合在一起；
所述的立方体铷原子气室前后外表面垂直于探测光束，且前后表面上距离中点0.5cm～1cm的区域内制作有薄膜铂电阻惠斯通电桥电路，立方体铷原子气室上下外表面及左右外表面上制作有氧化铟锑薄膜加热线，立方体铷原子气室粘接于印刷电路板上，薄膜铂电阻惠斯通电桥电路及氧化铟锑薄膜加热线通过导线与印刷电路板保持电气连接，印刷电路板通过第一DIN连接插座连接在主电路板上；
所述的平衡光电探测器的两只光电管分别正对探测光束与参考光束，且光电管光敏面垂直于探测光束与参考光束，平衡光电探测器通过第二DIN连接插座连接在主电路板上；
所述的信号处理集成电路焊接于主电路板的另一面，信号处理集成电路通过主电路板的线路与平衡光电探测器、795nm VCSEL半导体激光器及立方体铷原子气室电气连接。
一种795nm激光稳频系统的稳频方法具体是按以下步骤进行的：
从795nm VCSEL半导体激光器出射具有一定偏振度的光束，首先垂直入射到第一1/2λ波片上，并以45°角入射到第一偏振分光棱镜的偏振分光面上，p偏振分量直接透射，s偏振分量被反射，向右偏转90°出射，出射光以45°角入射到第一反射棱镜上，再次向右偏转90°出射，s偏振分量向后传播，垂直入射到第二1/2λ波片上，光束经过第二1/2λ波片后，偏振面发生旋转，并以45°角入射到第二偏振分光棱镜的偏振分光面上，光束中的p偏振分量直接透射，这一路光作为探测光束；而s偏振分量被反射且向左偏转90°，进入了第二反射棱镜被向右偏转90°出射，这一路光作为参考光束，探测光进入立方体铷原子气室，而参考光直接在空气中传播相同的距离；
平衡光电探测器接收探测光束和参考光束，信号处理集成电路接收平衡光电探测器的输出信号，信号处理电路经过运算处理，判断当前激光器振荡频率与铷原子吸收峰中心频率的大小关系，给出修正信号，控制激光器驱动信号做出相应的调整，使激光频率向铷原子吸收峰中心频率处移动，形成一次闭环反馈，经过多次闭环反馈，激光频率将被锁定到铷原子吸收峰中心频率附近的一个很窄的范围内，即实现了激光器稳频。
本发明的有益效果是：
(1)通过设置双偏振分光系统，实现了对注入到铷原子气室的光功率的全范围覆盖，能够找到在某一固定温度下铷原子气室的最佳注入光功率，从而可以获得最佳的铷原子吸收信号，进而提升系统稳频精度。
(2)通过使用平衡光电探测器，可以获得比单路探测器更高信噪比的铷原子吸收信号，实现在气室注入光功率一定的情况下，找到铷原子气室的最佳工作温度。
(3)通过微制造集成技术，在有限空间内实现了最大容量的原子气室和最小型化的气室加热器与测温器，与其它方案相比，本发明将可以获得更强的原子吸收信号及信噪比。
(4)通过使用一块主电路板承载所有光电元器件，真正实现了稳频激光器模块小型化。
(5)通过将光学元件胶合在一起，并粘接在主电路板上；将电子元器件通过插针插接在DIN连接器插座上；缩小了系统体积、降低了系统功耗、增强了系统的稳定性与可靠性、增强了系统的扩展性与可维护性。
(6)通过采用激光外差式平衡检测的方案，利用参考光与探测光，实现了对原子多普勒展宽吸收信号的高灵敏度提取。
(7)通过使用平衡探测器接收参考光与探测光，可以给出具有高共模抑制比的差分信号，该信号有助于后续处理电路获得更高的稳频精度。
(8)本稳频系统稳频精度高、但是结构相对简单、且安装精度要求不高，适合于规模化生产。
本发明用于一种795nm激光稳频系统及其稳频方法。
附图说明
图1为本发明795nm激光稳频系统的结构示意图；
图2为本发明795nm激光稳频系统结构框图；
图3为本发明795nm激光稳频系统中Rb原子多普勒展宽吸收光谱图；
图4为本发明795nm激光稳频系统工作原理图；
图5为实施例二采用微型铰链与小型滑轨的795nm激光稳频系统结构示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式一种795nm激光稳频系统包括主电路板1、795nm VCSEL半导体激光器2、预留DIN连接器接口3、第一1/2λ波片4、第一偏振分光棱镜5、第一反射棱镜601、第二反射棱镜602、第二1/2λ波片7、第二偏振分光棱镜8、立方体铷原子气室9、平衡光电探测器10及信号处理集成电路11；
795nm VCSEL半导体激光器2、预留DIN连接器接口3、第一1/2λ波片4、第一偏振分光棱镜5、第一反射棱镜601、第二反射棱镜602、第二1/2λ波片7、第二偏振分光棱镜8、立方体铷原子气室9及平衡光电探测器10设置于主电路板1的一面；
所述的795nm VCSEL半导体激光器2出射光为偏振光或非偏振光；
所述的预留DIN连接器接口3包括第一连接器301及第二连接器302，其中第一连接器301为平衡光电探测器10信号输出接口，第二连接器302为激光器驱动信号输入接口；
所述的第一1/2λ波片4安装于第一聚四氟乙烯小型镜架401上，并与第一偏振分光棱镜5胶合在一起，组成第一偏振分光系统；
所述的第二1/2λ波片7安装于第二聚四氟乙烯小型镜架701上，并与第二偏振分光棱镜8胶合在一起，组成第二偏振分光系统；
所述的第一反射棱镜601及第二反射棱镜602与第二偏振分光系统胶合在一起；
所述的立方体铷原子气室9前后外表面垂直于探测光束，且前后表面上距离中点0.5cm～1cm的区域内制作有薄膜铂电阻惠斯通电桥电路901，立方体铷原子气室9上下外表面及左右外表面上制作有氧化铟锑薄膜加热线902，立方体铷原子气室9粘接于印刷电路板903上，薄膜铂电阻惠斯通电桥电路901及氧化铟锑薄膜加热线902通过导线与印刷电路板903保持电气连接，印刷电路板903通过第一DIN连接插座904连接在主电路板1上；
所述的平衡光电探测器10的两只光电管分别正对探测光束与参考光束，且光电管光敏面垂直于探测光束与参考光束，平衡光电探测器10通过第二DIN连接插座1001连接在主电路板1上；
所述的信号处理集成电路11焊接于主电路板1的另一面，信号处理集成电路11通过主电路板1的线路与平衡光电探测器10、795nm VCSEL半导体激光器2及立方体铷原子气室9电气连接。
本实施方式第一反射棱镜601、第二反射棱镜602将光束传播方向偏转90°。
主电路板1其一个表面承载激光稳频所用到的光电元器件，另一个表面焊接有后续信号处理的集成电路芯片；
第二偏振分光系统将向后传播的取样光束分为两束平行光，用于为激光外差式检测系统提供探测光束和参考光束，采用激光外差式平衡检测方案来实现对铷原子吸收信号的高分辨率提取。
所有无源光学元件采用胶合方式组合，通过粘接剂安装在电路板；
立方体铷原子气室9和平衡光电探测器10通过插座插接在主电路板上，与主电路板实现了电气连接和机械固定。
795nm VCSEL半导体激光器2出射光束向前传播，而入射到稳频系统的光束经过两次偏转向后传播。
薄膜铂电阻惠斯通电桥电路901用于测量气室的工作温度；氧化铟锑薄膜加热线902用于加热气室。
平衡光电探测器10接收气室透射光和参考光，比使用两只单路探测器具有更高的检测灵敏度和信噪比。平衡光电探测器10通过插座与主电路板垂直连接，保证了足够的紧凑性。
本发明设计和制造一个紧凑的低功率频率稳定的激光器，特别是用于微型原子钟将具有重要的实际意义。目前已经有科研团队开发出了类似的高密度光谱模块，但是未见报道其系统的频率稳定性。为实现这一目标，一个微制造的Rb蒸气室被用来精确地稳定垂直腔表面发射激光器VCSEL的频率到85Rb原子D1线的多普勒展宽的吸收共振峰。采用磁控溅射技术将薄膜铂电阻惠斯通电桥电路和氧化铟锑加热器制作在铷原子气室的外表面上；所设计的系统具有以下优点：
1、VCSEL是非常具有成本效益和低功耗的激光光源。
2、磁控溅射技术的使用允许在气室上表面集成温度测量和加热功能，减小了器件的尺寸，同时也限制了功耗。
3、Rb原子参考的固有稳定性，其吸收线对磁场或温度外部变化因素仅显示出小的频移。因此，使用Rb气室作为频率参考可提供良好的长期稳定性。
4、系统利用Rb原子多普勒展宽吸收光谱来稳频，光路结构比饱和吸收光谱稳频光路简单，稳频性能更优。
5、使用外差式检测光路，引入了参考光束，这种方案比仅使用单光束透射原子气室的方法具有更高的稳频精度。
6、使用平衡光电探测器获取Rb原子吸收信号，这种方案比使用两只单路光电探测器能获得更高的信噪比。
通过将VCSEL激光器、分光棱镜与波片、铷原子微制造气室、平衡光电探测器及信号处理电路安装在一块主电路板上，提供一种具有小尺寸、低功耗、稳定频率的795nm激光器模块。采用偏振分光光路构建了外差式检测系统，比传统的检测光路增加了一路参考光信号，可以有效抑制吸收信号当中的噪声，从而提升系统的稳频精度。利用微制造技术，在1cm×1cm×1cm的体积内实现了铷原子气室，并采用磁控溅射技术将薄膜铂电阻惠斯通电桥线路和氧化铟锑加热线路制作在气室的外表面上，代替了传统的分立式加热器和温度传感器，在有限的体积内容纳了更多的铷原子，从而从根本上增强了铷原子的吸收信号。使用平衡探测技术，接收检测光与参考光，并输出具有高共模抑制比的低噪声信号，进一步提高了系统的稳频精度。本系统具有稳频精度高、信噪比高、结构简单、稳定性好等特点，可广泛用于原子钟或原子磁力仪系统中。
本实施方式提供一种具有高频率稳定性、紧凑型的795nm激光系统，其不但能够有效解决典型的稳频法稳频精度低的问题，而且能够缩小现有的激光器系统体积、降低激光器系统的功耗。本发明将所涉及的光学与电子元件全部安装在一块电路板上，从而保证了系统的稳定性和装配精度，使其大规模生产成为可能。本方案还具有结构简单、装配精度高、便携式的特点。
本实施方式是在一块主电路板上设置了一个小型化的激光稳频光路和相应的稳频信号处理电路。使用粘接剂将1/2λ波片、偏振分光棱镜、反射棱镜及小型聚四氟乙烯镜架等无源光学元件固定在电路板正面的特定位置处，再使用插针，通过DIN连接器插座将铷原子气室、平衡光电探测器等有源元件电气连接到电路板正面。将信号处理电路焊接在电路板的背面，信号处理电路通过电路板上的走线与795nm激光器驱动电路及平衡光电探测器电气连接。795nm激光器、偏振分光系统、反射棱镜、铷原子气室、平衡探测器位于电路板的正面，组成了795激光器的稳频光路系统及稳频信号探测系统。稳频光路系统接收平衡光电探测器的输出信号，控制激光器驱动电路及铷原子气室加热器和测温器。平衡探测器接收激光外差式检测光路的两束光信号，并且将其转换为电压信号输出到信号处理电路。信号处理电路接受稳频信号探测系统的输出，经过运算处理，判断出当前激光器振荡频率与铷原子吸收峰中心频率的大小关系。从而给出修正信号，控制激光器驱动信号做出相应的调整，使激光频率接近铷原子吸收峰中心频率。
图2为本发明795nm激光稳频系统结构框图，从795nm VCSEL半导体激光器2出射具有一定偏振度的光束，首先垂直入射到第一1/2λ波片4上，并以45°角入射到第一偏振分光棱镜5的偏振分光面上，p偏振分量直接透射，s偏振分量被反射，向右偏转90°出射，出射光以45°角入射到第一反射棱镜601上，再次向右偏转90°出射，s偏振分量向后传播，垂直入射到第二1/2λ波片7上，光束经过第二1/2λ波片7后，偏振面发生旋转，并以45°角入射到第二偏振分光棱镜8的偏振分光面上，光束中的p偏振分量直接透射，这一路光作为探测光束；而s偏振分量被反射且向左偏转90°，进入了第二反射棱镜602被向右偏转90°出射，这一路光作为参考光束，探测光进入立方体铷原子气室9，而参考光直接在空气中传播相同的距离。
探测光和参考光随后分别进入平衡光电探测器的两个窗口，被光电二极管转换为电流信号，再经过后级跨阻放大电路放大，输出电压信号。该电压信号被信号处理电路采集，经过运算即可反推出当前激光器振荡频率与吸收峰中心频率的大小关系，从而给出调整信号，送往激光器驱动电路以修正激光器驱动信号，这样便形成一个闭环反馈过程。激光器驱动信号一经调整，则激光的振荡频率随之调整，于是就开始了下一个稳频循环。
图3为本发明795nm激光稳频系统中Rb原子多普勒展宽吸收光谱图；Tcell＝95℃，llaser＝2mA，Tlaser＝49℃，利用85Rb的吸收峰作为稳频基准，将VCSEL激光器的振荡频率稳定在上述吸收峰附近。为了增强铷原子吸收信号，需要使铷原子气室稳定保持在合适的工作温度下。因此，在铷原子气室外表面制作了氧化铟锑薄膜加热线和铂薄膜电阻惠斯通电桥。在注入到原子气室的激光保持功率恒定的情况下，信号处理电路将根据平衡光电探测器的输出电压信号及温度传感器的温度信号，给出相应的驱动信号，用以驱动氧化铟锑薄膜加热线对原子气室加热。从而能够得到在注入光功率恒定情况下的最佳气室工作温度及最优铷原子吸收信号。
第二偏振分光系统中的1/2λ波片，可以调整分光比。通过旋转上述1/2λ波片，使平衡探测器输出的直流信号为零时，则说明此时分光比处于最优值。此时，再调整第一偏振分光系统中的1/2λ波片就可以对注入到铷原子气室的光功率实现调整。而第二偏振分光系统可以保证在任何强度的注入光功率下，平衡光电探测器输出的电压信号直流量始终为零。这样不但提高了铷原子吸收信号的信噪比，而且避免了单路探测器由于供电电压所限容易出现输出饱和的问题。另外，通过将注入铷原子气室的光强从零到系统最大光强值之间精确调整，还能找出铷原子气室的最佳注入光功率，这样可以使铷原子吸收信号的质量进一步提高。
图4为本发明795nm激光稳频系统工作原理图；激光器输出的光信号被偏振分光系统取样一部分送入稳频光路，稳频光路使用了铷原子气室和激光外差式检测法，稳频光路输出的两束光进入平衡光电探测器，探测器将其转化为电压信号送到信号处理电路。信号处理电路经过运算，得出激光频率与铷原子多普勒展宽吸收中心频率之间的大小关系，从而计算出误差信号，利用误差信号修正激光器驱动信号，使激光器新的工作频率更加接近铷原子多普勒展宽吸收中心频率，形成了一次完整的闭环反馈。经过无数次的闭环反馈，激光器工作频率将被锁定在铷原子多普勒展宽吸收中心频率附近一个很窄的范围内，即实现了激光器稳频。
本实施方式的有益效果是：
(1)通过设置双偏振分光系统，实现了对注入到铷原子气室的光功率的全范围覆盖，能够找到在某一固定温度下铷原子气室的最佳注入光功率，从而可以获得最佳的铷原子吸收信号，进而提升系统稳频精度。
(2)通过使用平衡光电探测器，可以获得比单路探测器更高信噪比的铷原子吸收信号，实现在气室注入光功率一定的情况下，找到铷原子气室的最佳工作温度。
(3)通过微制造集成技术，在有限空间内实现了最大容量的原子气室和最小型化的气室加热器与测温器，与其它方案相比，本发明将可以获得更强的原子吸收信号及信噪比。
(4)通过使用一块主电路板承载所有光电元器件，真正实现了稳频激光器模块小型化。
(5)通过将光学元件胶合在一起，并粘接在主电路板上；将电子元器件通过插针插接在DIN连接器插座上；缩小了系统体积、降低了系统功耗、增强了系统的稳定性与可靠性、增强了系统的扩展性与可维护性。
(6)通过采用激光外差式平衡检测的方案，利用参考光与探测光，实现了对原子多普勒展宽吸收信号的高灵敏度提取。
(7)通过使用平衡探测器接收参考光与探测光，可以给出具有高共模抑制比的差分信号，该信号有助于后续处理电路获得更高的稳频精度。
(8)本稳频系统稳频精度高、但是结构相对简单、且安装精度要求不高，适合于规模化生产。
具体实施方式二：，本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的平衡光电探测器10采用大面积贴片式光电管制作而成，厚度为5mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的第一偏振分光系统的分光比通过调节第一1/2λ波片4的快轴与与垂直方向的夹角来控制，夹角范围为0°<α<90°。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的第二偏振分光系统的分光比通过调节第二1/2λ波片7的快轴与与垂直方向的夹角来控制，夹角范围为0°<α<90°。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的第一反射棱镜601及第二反射棱镜602将光束传播方向偏转90°。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式所述的一种795nm激光稳频系统的稳频方法具体是按以下步骤进行的：
从795nm VCSEL半导体激光器2出射具有一定偏振度的光束，首先垂直入射到第一1/2λ波片4上，并以45°角入射到第一偏振分光棱镜5的偏振分光面上，p偏振分量直接透射，s偏振分量被反射，向右偏转90°出射，出射光以45°角入射到第一反射棱镜601上，再次向右偏转90°出射，s偏振分量向后传播，垂直入射到第二1/2λ波片7上，光束经过第二1/2λ波片7后，偏振面发生旋转，并以45°角入射到第二偏振分光棱镜8的偏振分光面上，光束中的p偏振分量直接透射，这一路光作为探测光束；而s偏振分量被反射且向左偏转90°，进入了第二反射棱镜602被向右偏转90°出射，这一路光作为参考光束，探测光进入立方体铷原子气室9，而参考光直接在空气中传播相同的距离；
平衡光电探测器10接收探测光束和参考光束，信号处理集成电路11接收平衡光电探测器的输出信号，信号处理电路经过运算处理，判断当前激光器振荡频率与铷原子吸收峰中心频率的大小关系，给出修正信号，控制激光器驱动信号做出相应的调整，使激光频率向铷原子吸收峰中心频率处移动，形成一次闭环反馈，经过多次闭环反馈，激光频率将被锁定到铷原子吸收峰中心频率附近的一个很窄的范围内，即实现了激光器稳频。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述的平衡光电探测器10采用大面积贴片式光电管制作而成，厚度为5mm。其它与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七之一不同的是：所述的第一偏振分光系统的分光比通过调节第一1/2λ波片4的快轴与与垂直方向的夹角来控制，夹角范围为0°<α<90°。其它与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：所述的第二偏振分光系统的分光比通过调节第二1/2λ波片7的快轴与与垂直方向的夹角来控制，夹角范围为0°<α<90°。其它与具体实施方式六至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是：所述的第一反射棱镜601及第二反射棱镜602将光束传播方向偏转90°。其它与具体实施方式六至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：结合图1具体说明本实施例。
一种795nm激光稳频系统包括主电路板1、795nm VCSEL半导体激光器2、预留DIN连接器接口3、第一1/2λ波片4、第一偏振分光棱镜5、第一反射棱镜601、第二反射棱镜602、第二1/2λ波片7、第二偏振分光棱镜8、立方体铷原子气室9、平衡光电探测器10及信号处理集成电路11；
795nm VCSEL半导体激光器2、预留DIN连接器接口3、第一1/2λ波片4、第一偏振分光棱镜5、第一反射棱镜601、第二反射棱镜602、第二1/2λ波片7、第二偏振分光棱镜8、立方体铷原子气室9及平衡光电探测器10设置于主电路板1的一面；
所述的795nm VCSEL半导体激光器2出射光为偏振光或非偏振光；
所述的预留DIN连接器接口3包括第一连接器301及第二连接器302，其中第一连接器301为平衡光电探测器10信号输出接口，第二连接器302为激光器驱动信号输入接口；
所述的第一1/2λ波片4安装于第一聚四氟乙烯小型镜架401上，并与第一偏振分光棱镜5胶合在一起，组成第一偏振分光系统；
所述的第二1/2λ波片7安装于第二聚四氟乙烯小型镜架701上，并与第二偏振分光棱镜8胶合在一起，组成第二偏振分光系统；
所述的第一反射棱镜601及第二反射棱镜602与第二偏振分光系统胶合在一起；
所述的立方体铷原子气室9前后外表面垂直于探测光束，且前后表面上距离中点0.5cm～1cm的区域内制作有薄膜铂电阻惠斯通电桥电路901，立方体铷原子气室9上下外表面及左右外表面上制作有氧化铟锑薄膜加热线902，立方体铷原子气室9粘接于印刷电路板903上，薄膜铂电阻惠斯通电桥电路901及氧化铟锑薄膜加热线902通过导线与印刷电路板903保持电气连接，印刷电路板903通过第一DIN连接插座904连接在主电路板1上；
所述的平衡光电探测器10的两只光电管分别正对探测光束与参考光束，且光电管光敏面垂直于探测光束与参考光束，平衡光电探测器10通过第二DIN连接插座1001连接在主电路板1上；
所述的信号处理集成电路11焊接于主电路板1的另一面，信号处理集成电路11通过主电路板1的线路与平衡光电探测器10、795nm VCSEL半导体激光器2及立方体铷原子气室9电气连接。
一种795nm激光稳频系统的稳频方法具体是按以下步骤进行的：
从795nm VCSEL半导体激光器2出射具有一定偏振度的光束，首先垂直入射到第一1/2λ波片4上，并以45°角入射到第一偏振分光棱镜5的偏振分光面上，p偏振分量直接透射，s偏振分量被反射，向右偏转90°出射，出射光以45°角入射到第一反射棱镜601上，再次向右偏转90°出射，s偏振分量向后传播，垂直入射到第二1/2λ波片7上，光束经过第二1/2λ波片7后，偏振面发生旋转，并以45°角入射到第二偏振分光棱镜8的偏振分光面上，光束中的p偏振分量直接透射，这一路光作为探测光束；而s偏振分量被反射且向左偏转90°，进入了第二反射棱镜602被向右偏转90°出射，这一路光作为参考光束，探测光进入立方体铷原子气室9，而参考光直接在空气中传播相同的距离；
平衡光电探测器10接收探测光束和参考光束，信号处理集成电路11接收平衡光电探测器的输出信号，信号处理电路经过运算处理，判断当前激光器振荡频率与铷原子吸收峰中心频率的大小关系，给出修正信号，控制激光器驱动信号做出相应的调整，使激光频率向铷原子吸收峰中心频率处移动，形成一次闭环反馈，经过多次闭环反馈，激光频率将被锁定到铷原子吸收峰中心频率附近的一个很窄的范围内，即实现了激光器稳频。
实施例二：结合图5具体说明本实施例。
一种795nm激光稳频系统包括主电路板1、795nm VCSEL半导体激光器2、预留DIN连接器接口3、第一1/2λ波片4、第一偏振分光棱镜5、第一反射棱镜601、第二反射棱镜602、第二1/2λ波片7、第二偏振分光棱镜8、立方体铷原子气室9、平衡光电探测器10、信号处理集成电路11及扩展电路板101；
扩展电路板101通过铰链与主电路板1连接；795nm VCSEL半导体激光器2及第二连接器302设置于扩展电路板101的一面；
所述的预留DIN连接器接口3包括第一连接器301及第二连接器302，其中第一连接器301为平衡光电探测器10信号输出接口，第二连接器302为激光器驱动信号输入接口；
第一连接器301、第一1/2λ波片4、第一偏振分光棱镜5、第一反射棱镜601、第二反射棱镜602、第二1/2λ波片7、第二偏振分光棱镜8、立方体铷原子气室9及平衡光电探测器10置于主电路板1的一面；
一组导线303用于连接第一连接器301及第二连接器302；
所述的795nm VCSEL半导体激光器2出射光为偏振光或非偏振光；
所述的第一1/2λ波片4安装于第一聚四氟乙烯小型镜架401上，并与第一偏振分光棱镜5胶合在一起，组成第一偏振分光系统；第一1/2λ波片4与第一偏振分光棱镜5的分界面501之间的夹角为45°；第一偏振分光系统安装在一个小型滑轨502上；
所述的第二1/2λ波片7安装于第二聚四氟乙烯小型镜架701上，并与第二偏振分光棱镜8胶合在一起，组成第二偏振分光系统；
所述的第一反射棱镜601及第二反射棱镜602与第二偏振分光系统胶合在一起；第一反射棱镜601及第二反射棱镜602将光束传播方向偏转90°；
所述的立方体铷原子气室9前后外表面垂直于探测光束，且前后表面上距离中点0.5cm～1cm的区域内制作有薄膜铂电阻惠斯通电桥电路901，立方体铷原子气室9上下外表面及左右外表面上制作有氧化铟锑薄膜加热线902，立方体铷原子气室9粘接于印刷电路板903上，薄膜铂电阻惠斯通电桥电路901及氧化铟锑薄膜加热线902通过导线与印刷电路板903保持电气连接，印刷电路板903通过第一DIN连接插座904连接在主电路板1上；
所述的平衡光电探测器10的两只光电管分别正对探测光束与参考光束，且光电管光敏面垂直于探测光束与参考光束，平衡光电探测器10通过第二DIN连接插座1001连接在主电路板1上；
所述的信号处理集成电路11焊接于主电路板1的另一面，信号处理集成电路11通过主电路板1的线路与平衡光电探测器10、795nm VCSEL半导体激光器2及立方体铷原子气室9电气连接。
本实施例铰链可以实现在激光器处于稳频状态后，将激光器出射光轴从稳频光路中移出，从而使激光器对外输出功率增加。
本实施例小型滑轨502上，可以在滑轨上横向移动，从而调节其相对于不同激光器的出射窗口的位置，保证扩展电路板101上的795nm VCSEL半导体激光器2的出射光束总能通过第一偏振分光系统的主光轴。
Claims (10)
1.一种795nm激光稳频系统，其特征在于一种795nm激光稳频系统包括主电路板(1)、795nm VCSEL半导体激光器(2)、预留DIN连接器接口(3)、第一1/2λ波片(4)、第一偏振分光棱镜(5)、第一反射棱镜(601)、第二反射棱镜(602)、第二1/2λ波片(7)、第二偏振分光棱镜(8)、立方体铷原子气室(9)、平衡光电探测器(10)及信号处理集成电路(11)；
795nm VCSEL半导体激光器(2)、预留DIN连接器接口(3)、第一1/2λ波片(4)、第一偏振分光棱镜(5)、第一反射棱镜(601)、第二反射棱镜(602)、第二1/2λ波片(7)、第二偏振分光棱镜(8)、立方体铷原子气室(9)及平衡光电探测器(10)设置于主电路板(1)的一面；
所述的795nm VCSEL半导体激光器(2)出射光为偏振光或非偏振光；
所述的预留DIN连接器接口(3)包括第一连接器(301)及第二连接器(302)，其中第一连接器(301)为平衡光电探测器(10)信号输出接口，第二连接器(302)为激光器驱动信号输入接口；
所述的第一1/2λ波片(4)安装于第一聚四氟乙烯小型镜架(401)上，并与第一偏振分光棱镜(5)胶合在一起，组成第一偏振分光系统；
所述的第二1/2λ波片(7)安装于第二聚四氟乙烯小型镜架(701)上，并与第二偏振分光棱镜(8)胶合在一起，组成第二偏振分光系统；
所述的第一反射棱镜(601)及第二反射棱镜(602)与第二偏振分光系统胶合在一起；
所述的立方体铷原子气室(9)前后外表面垂直于探测光束，且前后表面上距离中点0.5cm～1cm的区域内制作有薄膜铂电阻惠斯通电桥电路(901)，立方体铷原子气室(9)上下外表面及左右外表面上制作有氧化铟锑薄膜加热线(902)，立方体铷原子气室(9)粘接于印刷电路板(903)上，薄膜铂电阻惠斯通电桥电路(901)及氧化铟锑薄膜加热线(902)通过导线与印刷电路板(903)保持电气连接，印刷电路板(903)通过第一DIN连接插座(904)连接在主电路板(1)上；
所述的平衡光电探测器(10)的两只光电管分别正对探测光束与参考光束，且光电管光敏面垂直于探测光束与参考光束，平衡光电探测器(10)通过第二DIN连接插座(1001)连接在主电路板(1)上；
所述的信号处理集成电路(11)焊接于主电路板(1)的另一面，信号处理集成电路(11)通过主电路板(1)的线路与平衡光电探测器(10)、795nm VCSEL半导体激光器(2)及立方体铷原子气室(9)电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种795nm激光稳频系统，其特征在于所述的平衡光电探测器(10)采用大面积贴片式光电管制作而成，厚度为5mm。
3.根据权利要求1所述的一种795nm激光稳频系统，其特征在于所述的第一偏振分光系统的分光比通过调节第一1/2λ波片(4)的快轴与与垂直方向的夹角来控制，夹角范围为0°<α<90°。
4.根据权利要求1所述的一种795nm激光稳频系统，其特征在于所述的第二偏振分光系统的分光比通过调节第二1/2λ波片(7)的快轴与与垂直方向的夹角来控制，夹角范围为0°<α<90°。
5.根据权利要求1所述的一种795nm激光稳频系统，其特征在于所述的第一反射棱镜(601)及第二反射棱镜(602)将光束传播方向偏转90°。
6.一种795nm激光稳频系统的稳频方法，其特征在于一种795nm激光稳频系统的稳频方法具体是按以下步骤进行的：
从795nm VCSEL半导体激光器(2)出射具有一定偏振度的光束，首先垂直入射到第一1/2λ波片(4)上，并以45°角入射到第一偏振分光棱镜(5)的偏振分光面上，p偏振分量直接透射，s偏振分量被反射，向右偏转90°出射，出射光以45°角入射到第一反射棱镜(601)上，再次向右偏转90°出射，s偏振分量向后传播，垂直入射到第二1/2λ波片(7)上，光束经过第二1/2λ波片(7)后，偏振面发生旋转，并以45°角入射到第二偏振分光棱镜(8)的偏振分光面上，光束中的p偏振分量直接透射，这一路光作为探测光束；而s偏振分量被反射且向左偏转90°，进入了第二反射棱镜(602)被向右偏转90°出射，这一路光作为参考光束，探测光进入立方体铷原子气室(9)，而参考光直接在空气中传播相同的距离；
平衡光电探测器(10)接收探测光束和参考光束，信号处理集成电路(11)接收平衡光电探测器的输出信号，信号处理电路经过运算处理，判断当前激光器振荡频率与铷原子吸收峰中心频率的大小关系，给出修正信号，控制激光器驱动信号做出相应的调整，使激光频率向铷原子吸收峰中心频率处移动，形成一次闭环反馈，经过多次闭环反馈，激光频率将被锁定到铷原子吸收峰中心频率附近的一个很窄的范围内，即实现了激光器稳频。
7.根据权利要求6所述的一种795nm激光稳频系统的稳频方法，其特征在于所述的平衡光电探测器(10)采用大面积贴片式光电管制作而成，厚度为5mm。
8.根据权利要求6所述的一种795nm激光稳频系统的稳频方法，其特征在于所述的第一偏振分光系统的分光比通过调节第一1/2λ波片(4)的快轴与与垂直方向的夹角来控制，夹角范围为0°<α<90°。
9.根据权利要求6所述的一种795nm激光稳频系统的稳频方法，其特征在于所述的第二偏振分光系统的分光比通过调节第二1/2λ波片(7)的快轴与与垂直方向的夹角来控制，夹角范围为0°<α<90°。
10.根据权利要求6所述的一种795nm激光稳频系统的稳频方法，其特征在于所述的第一反射棱镜(601)及第二反射棱镜(602)将光束传播方向偏转90°。
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- 2017-12-06 CN CN201711277855.9A patent/CN108039640A/zh active Pending
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