CN108507616B - 法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量装置，包括负极衍射调制器、正极衍射调制器、法布里珀罗腔、分光镜、PD探测器、示波器、CCD相机、显示器和激光器。本发明还公开了法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量方法，本发明装置光路、电路简单，不需要真空、隔振装置，不需要使用PDH激光稳频技术，测量超稳法布里珀罗腔的零膨胀温度点和腔镜细度的过程简单、快速、准确、重复性高。

Description

法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量装置及方法
技术领域
本发明涉及激光稳频技术，更具体涉及法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量装置，还涉及法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量方法。适用于激光物理、原子频标、量子计算、精密测量等需要超稳法布里珀罗腔的领域。
技术背景
窄线宽激光器已成为精密光谱测量、光学频率标准、引力波测量、量子计算和物理基本常数测量等众多领域不可或缺的工具。目前，获得超窄线宽激光的主要方法是利用PDH（Pound-Drever-Hall）稳频技术将自由运转的激光参考锁定至特殊设计的法布里珀罗腔上。目前法布里珀罗腔腔体材料一般选用热膨胀系数极低的玻璃材料。如ULE材料，该材料的热膨胀系数极低，且存在零膨胀系数的温度点。若将ULE材料法布里珀罗腔的温度稳定控制在该温度点时，可以获得一天的频率漂移在kHz水平的激光。要实现一台ULE材料的超稳法布里珀罗腔，不仅需要精确的温度控制，还需要精确的调节法布里珀罗腔零膨胀温度点。因此如何准确的测量超稳法布里珀罗腔的零膨胀温度点是获得超稳窄线宽激光必不可少的的环节。激光通过PDH稳频的方式参考在一台法布里珀罗腔上时，由于激光频率的变化正比于法布里珀罗腔腔长的变化，因此激光频率随温度的变化量为零的温度点即为零膨胀温度点。目前常使用飞秒光梳精确测量法布里珀罗腔零膨胀温度点：将激光通过PDH稳频的方式参考在待测法布里珀罗腔上。然后改变法布里珀罗腔的温度，与此同时使用飞秒光梳测量该温度点时的激光频率，当测得激光频率随温度的变化量时，该温度点即为零膨胀温度点。使用的飞秒光梳操作复杂、价格昂贵，不是大多数实验室所具有的。而通过PDH稳频方式将激光参考在法布里珀罗腔上，其不仅对真空、温度、振动等条外界条件有较高要求，还需要复杂的光路和电路。因此通过以上方式很难对超稳腔零膨胀温度点进行低成本、快速的测量，尤其增加了零膨胀点温度可调法布里珀罗腔的成本。
本发明装置还可以用于法布里珀罗腔腔镜细度的快速测量。使用PDH稳频的方式将激光参考在法布里珀罗腔上的技术中，通常需要测量法布里珀罗腔腔镜细度，以此检验高细度的腔镜是否在安装过程和真空制备过程受到污染、腔镜的细度是否满足的要求。本发明装置通过测量共振激光在法布里珀罗腔内衰荡的功率和时间的方式测量法布里珀罗腔腔镜细度。
综上所述，为了提高测量的速度，降低测量的成本，需要法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量装置和方法。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量装置，还提供法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量方法，可以简单、快速、准确的测量法布里珀罗腔的零膨胀温度点和腔镜细度。可以广泛于激光物理、频标、量子计算、精密测量等需要超稳法布里珀罗腔的领域。
为了达到上述的目的，本发明采用如下技术方案：
法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量装置，包括激光器，
激光器输出设定频率的激光，设定频率的激光经光纤和耦合头输入到负极衍射调制器中进行减频率调制，经负极衍射调制器调制后的激光通过第一反射镜反射进入到正极衍射调制器中进行增频率调制，经正极衍射调制器调制后的激光依次经过第二反射镜、第三反射镜反射后耦合进入法布里珀罗腔，经过法布里珀罗腔耦合后的激光经分光镜分为透射光和反射光，透射光由CCD相机监测共振模式信号并由显示器显示共振模式信号，反射光由PD探测器监测获得光功率强度信号，示波器监测显示光功率强度信号。
法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量方法，包括法布里珀罗腔的零膨胀温度点测量步骤：
步骤1、设定法布里珀罗腔的温度；
步骤2、激光器输出设定频率的激光；
步骤3、通过负极衍射调制器对激光器输出的激光进行减频率调节，通过正极衍射调制器对激光器输出的激光进行增频率调节，直至通过CCD相机监测到透射光中的共振模式信号，共振模式信号通过显示器进行显示；
步骤4、通过激光器输出的激光的设定频率，以及负极衍射调制器和正极衍射调制器对激光器输出的激光的频率的调节值获得共振频率；
步骤5、改变法布里珀罗腔的温度，重复步骤2～4，获得法布里珀罗腔在不同温度下的对应的共振模式信号以及共振频率；进而获得法布里珀罗腔不同温度下的共振频率的曲线，
步骤6、根据共振频率的曲线获得共振频率变化率为零时对应的法布里珀罗腔的温度，即零膨胀温度点。
还包括法布里珀罗腔的细度快速测量步骤：
步骤1、激光器输出设定频率的激光；
步骤2、通过负极衍射调制器对激光器输出的激光进行减频率调节，通过正极衍射调制器对激光器输出的激光进行增频率调节，使得PD探测器检测到的反射光的光功率强度信号最大；
步骤3、关闭负极衍射调制器或者正极衍射调制器的同时，示波器记录反射光的光功率强度信号衰荡到零所需要的时间；
步骤4、通过测量的反射光的光功率强度信号衰荡到零所需要的时间，获得法布里珀罗腔的腔镜细度。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
光路、电路简单，不需要真空、隔振装置，不需要PDH方式的激光稳频技术，测量超稳法布里珀罗腔的零膨胀温度点和腔镜细度的过程简单、快速、准确、重复性高。可以广泛于激光物理、频标、量子计算、精密测量等需要超稳法布里珀罗腔的领域。
附图说明
图1为负极衍射调制器和正极衍射调制器的结构示意图。
图2为法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量装置的结构示意图。
其中：1-光纤，2-耦合头，3-负极衍射调制器，301-λ/2波片，302-第一透镜，303-偏振分光棱镜，304-声光调制器，305-λ/4波片，306-第二透镜，307-反射镜，308-信号发生器，4-第一反射镜，5-正极衍射调制器，6-第二反射镜，7-第三反射镜，8 -法布里珀罗腔，9-分光镜，10-PD探测器，11-示波器，12- CCD相机，13-显示器，14-激光器。
图3为使用飞秒光梳和本发明方法测量同一法布里珀罗腔的零膨胀温度点的实验结果图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1、2所示，法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量装置，包括光纤1、耦合头2、负极衍射调制器3、第一反射镜4、正极衍射调制器5、第二反射镜6、第三反射镜7、法布里珀罗腔8、分光镜9、PD探测器10、示波器11、CCD相机12、显示器13和激光器14。
激光器14用于输出设定频率的激光，设定频率的激光经光纤1和耦合头2输入到负极衍射调制器3中进行减频率调制，经负极衍射调制器3调制后的激光通过第一反射镜4输入到正极衍射调制器5中进行增频率调制，经正极衍射调制器5调制后的激光依次经过第二反射镜6、第三反射镜7反射后耦合进入法布里珀罗腔8，经过法布里珀罗腔8耦合后的激光经分光镜9分为透射光和反射光，透射光进入CCD相机12，CCD相机12通过监测透射光探测获得经负极衍射调制器3和正极衍射调制器5调制后的激光与法布里珀罗腔8之间的共振模式信号（如TME00、TMEmn），并输出到显示器13上，反射光进入PD探测器10进行探测获得光功率强度信号，示波器11监测显示光功率强度信号。
利用上述法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量装置进行法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量方法，包括法布里珀罗腔的零膨胀温度点测量步骤：
步骤1、设定法布里珀罗腔8的温度；
步骤2、激光器14输出设定频率的激光；
步骤3、通过负极衍射调制器3对激光器14输出的激光进行减频率调节，通过正极衍射调制器5对激光器14输出的激光进行增频率调节，直至通过CCD相机12监测到透射光中的共振模式信号（如TME00、TMEmn），共振模式信号通过显示器13进行显示；
步骤4、通过激光器14输出的激光的设定频率，以及负极衍射调制器3和正极衍射调制器5对激光器14输出的激光的频率的调节值获得共振频率；
步骤5、改变法布里珀罗腔8的温度，重复步骤2～4，获得法布里珀罗腔8在不同温度下的对应的共振模式信号以及共振频率；进而获得法布里珀罗腔8不同温度下的共振频率的曲线，
步骤6、根据共振频率的曲线获得共振频率变化率为零时对应的法布里珀罗腔8的温度，即零膨胀温度点。
还包括法布里珀罗腔的细度快速测量步骤：
步骤1、激光器14输出设定频率的激光；
步骤2、通过负极衍射调制器3对激光器14输出的激光进行减频率调节，通过正极衍射调制器5对激光器14输出的激光进行增频率调节，使得PD探测器（10）检测到的反射光的光功率强度信号最大；
步骤3、关闭负极衍射调制器3或者正极衍射调制器5的同时，示波器11记录反射光的光功率强度信号衰荡到零所需要的时间；
步骤4、通过测量的反射光的光功率强度信号衰荡到零所需要的时间，获得法布里珀罗腔8的腔镜细度。
使用飞秒光梳和本发明方法测量同一法布里珀罗腔的零膨胀温度点的实验结果如图3所示。飞秒光梳测量结果为15.2℃，本发明测量结果为15.8℃，两者相差0.6℃，本发明可以实现快速且准确的测量法布里-珀罗腔的零膨胀温度点。而且本发明相比飞秒光梳操作简单、成本低廉。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施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 (3)

1.法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量装置，包括激光器(14)，其特征在于，
激光器(14)输出设定频率的激光，设定频率的激光经光纤(1)和耦合头(2)输入到负极衍射调制器(3)中进行减频率调制，经负极衍射调制器(3)调制后的激光通过第一反射镜(4)反射进入到正极衍射调制器(5)中进行增频率调制，经正极衍射调制器(5)调制后的激光依次经过第二反射镜(6)、第三反射镜(7)反射后耦合进入法布里珀罗腔(8)，经过法布里珀罗腔(8)耦合后的激光经分光镜(9)分为透射光和反射光，透射光由CCD相机(12)监测共振模式信号并由显示器(13)显示共振模式信号，反射光由PD探测器(10)监测获得光功率强度信号，示波器(11)监测显示光功率强度信号。
2.利用权利要求1所述的法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量装置进行法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量方法，其特征在于，包括法布里珀罗腔的零膨胀温度点测量步骤：
步骤1、设定法布里珀罗腔(8)的温度；
步骤2、激光器(14)输出设定频率的激光；
步骤3、通过负极衍射调制器(3)对激光器(14)输出的激光进行减频率调节，通过正极衍射调制器(5)对激光器(14)输出的激光进行增频率调节，直至通过CCD相机(12)监测到透射光中的共振模式信号，共振模式信号通过显示器(13)进行显示；
步骤4、通过激光器(14)输出的激光的设定频率，以及负极衍射调制器(3)和正极衍射调制器(5)对激光器(14)输出的激光的频率的调节值获得共振频率；
步骤5、改变法布里珀罗腔(8)的温度，重复步骤2～4，获得法布里珀罗腔(8)在不同温度下的对应的共振模式信号以及共振频率；进而获得法布里珀罗腔(8)在不同温度下的共振频率的曲线，
步骤6、根据共振频率的曲线获得共振频率变化率为零时对应的法布里珀罗腔(8)的温度，即零膨胀温度点。
3.根据权利要求2所述的法布里珀罗腔的零膨胀温度点和细度快速测量方法，其特征在于，还包括法布里珀罗腔的细度快速测量步骤：
步骤1、激光器(14)输出设定频率的激光；
步骤2、通过负极衍射调制器(3)对激光器(14)输出的激光进行减频率调节，通过正极衍射调制器(5)对激光器(14)输出的激光进行增频率调节，并使得PD探测器(10)检测到的反射光的光功率强度信号最大；
步骤3、关闭负极衍射调制器(3)或者正极衍射调制器(5)的同时，示波器(11)记录反射光的光功率强度信号衰荡到零所需要的时间；
步骤4、通过测量的反射光的光功率强度信号衰荡到零所需要的时间，获得法布里珀罗腔(8)的腔镜细度。
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