CN108933379A - 激光器偏频锁定系统 - Google Patents

Abstract

一种激光器偏频锁定系统，包括激光器、分光元件、调制解调信号发生装置、电光调制装置、原子谱线激发装置、光电探测装置和伺服反馈控制环路。电光调制装置对所述激光信号和所述调制驱动信号进行调制偏频。激发原子谱线激发装置中的原子谱线作为参考光。光电探测装置将参考光转换为电信号，第一混频装置将电信号和解调信号混频为误差信号。伺服反馈控制环路将此误差信号变为控制信号对激光器进行锁频。

Description

激光器偏频锁定系统

技术领域

本发明涉及精密仪器技术领域，尤其涉及一种激光器偏频锁定系统。

背景技术

半导体激光器由于体积小、功耗低、波长覆盖范围广、易于调谐和良好的单色性及相干性，在光与原子相互作用的很多技术领域有着广泛的应用，包括精密光谱学、原子干涉仪、原子钟等，窄线宽、高稳定型的激光信号是获得理想实验结果的必须条件。实际应用中，由于激光二极管的热扰动、电子噪声以及外界振动、温度的变化，对激光腔体、泵浦源等带来影响，造成自由运转状态下的半导体激光器输出信号频率漂移明显，需要采取主动稳频的方式，抑制外界扰动的干扰。激光偏频锁定技术，将输出激光信号以指定的失谐量锁定于原子跃迁谱线、光学谐振腔等参考频率上，在电磁感应吸收和电磁感应透明等量子相干效应的实验中具有重要研究价值。应用不同的技术，可以获得激光偏频MHz到数十GHz范围内的锁定。

传统技术为通过主从激光器法实现锁频。主激光器输出光作为从激光器的锁定参考，与从激光器差拍获取差拍信号，最后通过锁定此差拍信号实现从激光器的偏频锁定，其中利用光锁相环实现两束光的相位相干获得差拍信号。但这种方法需要主从两台激光器实现对从激光器的锁定，并且需要额外器件光锁相环等才能实现偏频。因此主从激光法结构复杂造价昂贵。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种结构简单且可实现偏频锁定的激光器偏频锁定系统。

一种激光器偏频锁定系统，包括：

激光器；

第一分光元件，所述激光器发出的一束激光入射到所述第一分光元件，通过所述第一分光元件分为第一激光信号和第二激光信号；

调制解调信号发生装置，用于分别发出调制驱动信号；

电光调制装置，用于收集所述第二激光信号和所述调制驱动信号，并输出经过所述调制驱动信号调制的第二激光信号；

原子谱线激发装置，将经过调制的第二激光信号输入到所述原子谱线激发装置，获得对对应原子能级跃迁谱线的激光光谱信号作为绝对参考；

光电探测装置，所述原子谱线激发装置输出的激光光谱信号通过所述光电探测装置转换为电信号；

第一混频装置，与所述调制解调信号发生装置和所述光电探测装置电连接，所述第一混频装置控制所述解调信号对所述电信号进行解调，输出误差信号；

伺服反馈控制环路，所述伺服反馈控制环路分别与所述第一混频装置和所述激光器电连接，用于将所述误差信号转换为控制信号后加载到所述激光器上对激光器进行锁频。

在其中一个实施例中，所述激光器为半导体激光器，所述半导体激光器上设置有电流端和压电陶瓷端，所述伺服反馈控制环路分别与所述电流端和压电陶瓷端电连接。

在其中一个实施例中，所述调制解调信号发生装置包括：

调制驱动信号发生模块，该调制驱动信号发生模块与所述电光调制装置电连接，用于产生调制驱动信号；

解调信号发生模块，该解调信号发生模块与所述第一混频装置电连接，用于产生解调信号。

在其中一个实施例中，所述调制驱动信号发生模块包括：

第二混频器件，与所述电光调制装置电连接；

高频信号源，与所述第二混频器件电连接；

低频信号源，与所述第二混频器件电连接；

所述高频信号源产生的高频信号与所述低频信号源产生的低频信号经过所述第二混频器件混合产生调制驱动信号。

在其中一个实施例中，所述调制驱动信号发生模块还包括晶振，所述晶振与所述高频信号源和所述低频信号源电连接，用于对所述高频信号源和所述低频信号源发出信号进行校准。

在其中一个实施例中，所述解调信号发生模块包括相位变换单元，所述相位变换单元电连接在所述低频信号源和所述第一混频装置之间，所述低频信号源发出低频信号通过所述相位变换单元调节相位为解调信号加载到所述第一混频装置上。

在其中一个实施例中，所述原子谱线激发装置包括：原子泡、反光镜和第二分光元件；所述电光调制装置调制后的第二激光信号输入到原子泡后照射到反光镜，所述反光镜使所述第二激光信号沿输入路径返回，反射到所述第二分光元件，再经所述第二分光元件输入到所述光电探测装置。

在其中一个实施例中，进一步包括：

第一反射镜，设置在所述电光调制装置与所述原子谱线激发装置之间，用于使所述电光调制装置的输出光改变方向输入到所述原子谱线激发装置；

第二反射镜，设置在所述光电探测装置与所述原子谱线激发装置之间，用于改变所述参考光的传输方向，使所述参考光传输到所述光电探测装置。

在其中一个实施例中，进一步包括：

信号放大器，该信号放大器电连接于所述光电探测装置与所述第一混频装置之间，用于对所述光电探测装置发出的电信号进行放大。

在其中一个实施例中，进一步包括：

低通滤波器，该低通滤波器电连接于所述第一混频装置和所述伺服反馈控制环路之间，用于对所述误差信号进行滤波。

本发明的有益效果：

本发明提供的激光器偏频锁定系统，由一台激光器通过分光元件进行分光为两束激光信号，并且调制解调信号发生装置发出调制驱动信号和解调信号。调制驱动信号加载到电光调制装置对激光信号调制对激光信号产生偏频作用，而解调信号用于产生误差信号对激光器进行频率锁定。此系统通过调制解调信号发生装置、电光调制装置和激光器的联合使用，对该激光器同时进行了偏频和锁频，结构简单并降低了成本。

附图说明

图1为本发明一个实施例的激光器偏频锁定系统的结构框图；

图2为本发明一个实施例的激光器偏频锁定系统的结构框图；

图3为本发明一个实施例的激光器偏频锁定系统的结构框图；

图4为本发明一个实施例的激光器偏频锁定系统的结构框图；

图5为本发明一个实施例的激光器偏频锁定系统的结构框图；

图6为本发明实施例的激光器偏频锁定系统工作时的光路示意图。

主要元件符号说明

激光器偏频锁定系统 10

激光器 110

第一分光元件 120

调制解调信号发生装置 200

调制驱动信号发生模块 210

第二混频器件 211

高频信号源 212

低频信号源 213

晶振 214

解调信号部 220

相位变换单元 221

电光调制装置 300

原子谱线激发装置 400

原子泡 410

第二分光元件 420

反光镜 430

光电探测装置 500

第一混频装置 600

伺服反馈控制环路 700

第一反射镜 810

第二反射镜 820

信号放大器 830

低通滤波器 840

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，本发明实施例提供一种激光器偏频锁定系统10。所述激光器偏频锁定系统10包括：激光器110、第一分光元件120、调制解调信号发生装置200、电光调制装置300、原子谱线激发装置400、光电探测装置500、第一混频装置600和伺服反馈控制环路700。

所述激光器110发出的激光通过所述第一分光元件120分为第一激光信号和第二激光信号。第二激光信号用于偏频锁定。所述调制解调信号发生装置200分别发出调制驱动信号和解调信号。所述第二激光信号和所述调制驱动信号进入所述电光调制装置300，所述调制驱动信号对所述第二激光信号进行调制，调制后所述第二激光信号的频率发生了偏移，并且频率偏移量由高频信号源的信号频率决定。经过所述电光调制装置300调制后的第二激光信号输入到所述原子谱线激发装置400激发原子气体获得对应原子能级跃迁谱线的激光光谱信号作为绝对参考。所述绝对参考的激光光谱信号通过所述光电探测装置500转换为电信号。所述第一混频装置600与所述调制解调信号发生装置200和所述光电探测装置500电连接。所述解调信号与所述电信号经过所述第一混频装置600输出误差信号。所述伺服反馈控制环路700一端电连接所述第一混频装置600另一端电连接所述激光器110。所述误差信号经过所述伺服反馈控制环路700转换为控制信号后加载到所述激光器110上对激光器110进行锁频。所述的激光器偏频锁定系统10不包含声光调制器。

所述第二激光信号入射到所述电光调制装置300内进行调制，调制对所述第二激光信号起到频率偏移的作用。所述激光器110可以为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器中的一种。可以理解，无论什么类型的激光器只要装有锁频驱动端都可以对其进行锁频。常见的第一分光元件120可以为一对透镜，一个分束镜或一种棱镜。本实施例中所述第一分光元件120为分束镜。可以理解，所述激光器110和所述第一分光元件120之间还可以设置滤波片。所述第一分光元件120与所述电光调制装置300之间也可以增加设置保偏光纤等光学器件。

所述激光器偏频锁定系统10中，由一台激光器通过分光元件进行分光，调制解调信号发生装置发出调制驱动信号和解调信号，调制驱动信号加载到电光调制装置对激光信号调制使激光信号产生偏频作用而解调信号用于解调产生误差信号对激光器进行频率锁定。此系统通过调制解调信号发生装置、电光调制装置和激光器联合使用对此激光器同时进行了偏频和锁频，结构简单并降低了成本。

请参见图2，在一个实施例中，所述激光器110为半导体激光器，所述半导体激光器上设置有电流端111和压电陶瓷端112，所述伺服反馈控制环路700分别与所述电流端和压电陶瓷端电连接。

在一个实施例中，所述调制解调信号发生装置200包括：调制驱动信号发生模块210和解调信号发生模块220。所述调制驱动信号发生模块210与所述电光调制装置300电连接，用于产生对所述第二激光信号进行调制的调制驱动信号。所述解调信号发生模块220与所述第一混频装置600电连接，用于产生对所述光电探测装置500发出的电信号进行解调的解调信号。

请参见图3，在一个实施例中，所述调制驱动信号发生模块210包括：第二混频器件211、高频信号源212和低频信号源213。所述第二混频器件211与所述电光调制装置211电连接。所述高频信号源212与所述第二混频器件211电连接。所述低频信号源213与所述第二混频器件211电连接。所述高频信号源212产生的高频信号与所述低频信号源213产生的低频信号通过所述第二混频器件211混合产生调制驱动信号。通过调节所述高频信号源212发出信号的频率，可获得不同的偏频范围，因此本申请的偏频大小灵活可调、扩展其应用范围。

在其中一个实施例中，所述调制驱动信号发生模块210还包括晶振214，所述晶振214与所述高频信号源212和所述低频信号源213电连接，用于对所述高频信号源和所述低频信号源发出信号进行校准。所述晶振210输出10MHz参考信号，具备极佳的相位噪声水平，在一个实施例中采用的是温控型超稳晶振。

在一个实施例中，所述解调信号发生模块220包括相位变换单元221，所述相位变换单元221电连接在所述低频信号源213和所述第一混频装置600之间，所述低频信号源213发出信号通过所述相位变换单元调节相位为解调信号加载到所述第一混频器上。本实施例中所述低频信号源213具有两个输出通道，一个输出通道与所述相位变换单元221相连接，另一个输出通道与所述第二混频器件211相连接。相位变换单元221的目的是改变输入信号的相位。通过滤波器、示波器或一种电路都可以使相位发生改变，本实施例中也不局限任何一种方式。

可以根据锁定要求，通过调节所述高频信号源212和所述低频信号源213输出信号的频率或采用不同的谐波解调，可灵活给出解调信号和调制驱动信号的频率关系。比如相对于f解调而言，3f解调能够更好的抑制误差信号中的多普勒背景，提升误差信号质量

请参见图4，在一个实施例中，所述原子谱线激发装置400包括：原子泡410、反光镜430和第二分光元件420。所述电光调制装置300调制后的第二激光信号入射到原子泡410后照射到反光镜430后沿所述第二激信号输入光路返回到所述第二分光元件420，再经所述第二分光元件420输入到所述光电探测装置500。原子泡内部是真空环境下的原子团，激光通过原子泡获得对应原子跃迁线的激光光谱。原子泡内的原子可以为铷或铯，在一个实施例中使用的是铷。第二分光元件420为分束镜。所述原子泡410和所述反光镜430之间还可以放置滤波片。传统主从激光器锁定模式是以主激光器作为参考，而本申请中以原子跃迁线作为绝对参考，相比传统主从激光器锁定模式本申请中的参考模式更稳定且精度更高。

请参见图5，在一个实施例中，所述激光器偏频锁定系统10进一步包括：第一反射镜810、第二反射镜820。所述激光器偏频锁定系统10还可以包括信号放大器830。所述激光器偏频锁定系统10还可以包括低通滤波器840，所述低通滤波器840可将高频杂波滤掉优化用于锁频的信号。所述第一反射镜810设置在所述电光调制装置300与所述原子谱线激发装置400之间，用于使所述电光调制装置的输出光改变方向输入到所述原子谱线激发装置。所述第二反射镜820设置在所述光电探测装置500与所述原子谱线激发装置400之间，用于改变所述参考光的传输方向，使所述参考光传输到所述光电探测装置500。所述信号放大器830与所述光电探测装置500和所述第一混频器电连接，用于对所述光电探测装置500发出的电信号进行放大。所述低通滤波器840与所述第一混频器和所述伺服反馈控制环路电连接，用于对所述误差信号进行滤波。

图6为本申请所述激光器偏频锁定系统10工作时的连接及光路示意图。下面以图6为例，说明所述激光器偏频锁定系统10的工作过程。所述激光器110发出激光通过第一分光元件120将激光分束为两束即第一激光信号和第二激光信号。其中第二激光信号入射到所述电光调制装置300。同时高频信号源212和低频信号源213通过晶振214参考校准输出的高频信号和低频信号，然后通过混频器211混合为调制驱动信号。所述调制驱动信号加载到所述电光调制装置300对所述激光信号进行调制，调制后的第二激光信号发生偏频，频率偏移的具体值由所述高频信号源的信号频率决定。从所述电光调制装置300输出的调制后的激光信号入射到反射镜810发生角度转换再通过所述第二分光元件420入射到原子泡410。根据具体需要的谱线来选择原子泡411内的具体原子种类。在所述原子泡410内激发原子谱线后在入射到反光镜430。所述反光镜430将光线原路返回到原子泡后又入射到第二分光元件420。经过所述第二分光元件420改变光路方向入射到反射镜820又改变方向入射到光电探测装置500。所述光电探测装置500将光信号转换为电信号。有时需要对所述电信号进行放大，此时所述电信号经过信号放大器830进行放大后入射到混频器600。低频信号源213的另一个通道输出的低频信号经过相位变换单元213增加相位为解调信号。此解调信号加载到混频器600上，对所述电信号进行解调输出为误差信号。此处增加低通滤波器840用于对所述误差信号进行滤波，有助于滤掉所述误差信号中的高频杂波，使所述误差信号锁频激光器更准确。所述误差信号经过低通滤波器840进行滤波加载到伺服反馈控制环路700。所述反馈控制环路700输出为控制信号用于偏频锁定所述激光器110的频率。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的相关装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的。例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述程序可存储于一计算机可读取存储介质中，如本发明实施例中，所述程序可存储于计算机系统的存储介质中，并被所述计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccess Memory，RAM)等。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，随其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光器偏频锁定系统，其特征在于，包括：

激光器；

第一分光元件，所述激光器发出的一束激光入射到所述第一分光元件，通过所述第一分光元件分为第一激光信号和第二激光信号；

调制解调信号发生装置，用于分别发出调制驱动信号和解调信号；

电光调制装置，用于收集所述第二激光信号和所述调制驱动信号，并输出经过所述调制驱动信号调制的第二激光信号；

原子谱线激发装置，将经过调制的第二激光信号输入到所述原子谱线激发装置，获得对应原子能级跃迁谱线的激光光谱信号作为绝对参考；

光电探测装置，所述原子谱线激发装置输出的激光光谱信号通过所述光电探测装置转换为电信号；

第一混频装置，与所述调制解调信号发生装置和所述光电探测装置电连接，所述第一混频装置控制所述解调信号对所述电信号进行解调，输出误差信号；

伺服反馈控制环路，所述伺服反馈控制环路分别与所述第一混频装置和所述激光器电连接，用于将所述误差信号转换为控制信号后加载到所述激光器上对激光器进行锁频。

2.如权利要求1所述的激光器偏频锁定系统，其特征在于，所述激光器为半导体激光器，所述半导体激光器上设置有电流端和压电陶瓷端，所述伺服反馈控制环路分别与所述电流端和压电陶瓷端电连接。

3.如权利要求1所述的激光器偏频锁定系统，其特征在于，所述调制解调信号发生装置包括：

调制驱动信号发生模块，该调制驱动信号发生模块与所述电光调制装置电连接，用于产生调制驱动信号；

解调信号发生模块，该解调信号发生模块与所述第一混频装置电连接，用于产生解调信号。

4.如权利要求3所述的激光器偏频锁定系统，其特征在于，所述调制驱动信号发生模块包括：

第二混频器件，与所述电光调制装置电连接；

高频信号源，与所述第二混频器件电连接；

低频信号源，与所述第二混频器件电连接；

所述高频信号源产生的高频信号与所述低频信号源产生的低频信号经过所述第二混频器件混合产生调制驱动信号。

5.如权利要求4所述的激光器偏频锁定系统，其特征在于，所述调制驱动信号发生模块还包括晶振，所述晶振与所述高频信号源和所述低频信号源电连接，用于对所述高频信号源和所述低频信号源发出信号进行校准。

6.如权利要求5所述的激光器偏频锁定系统，其特征在于，所述解调信号发生模块包括相位变换单元，所述相位变换单元电连接在所述低频信号源和所述第一混频装置之间，所述低频信号源发出低频信号通过所述相位变换单元调节相位为解调信号加载到所述第一混频装置上。

7.如权利要求1所述的激光器偏频锁定系统，其特征在于，所述原子谱线激发装置包括：原子泡、反光镜和第二分光元件；所述电光调制装置调制后的第二激光信号输入到原子泡后照射到反光镜，所述反光镜使所述第二激光信号沿输入路径返回，反射到所述第二分光元件，再经所述第二分光元件输入到所述光电探测装置。

8.如权利要求1所述的激光器偏频锁定系统，其特征在于，进一步包括：

第一反射镜，设置在所述电光调制装置与所述原子谱线激发装置之间，用于使所述电光调制装置的输出光改变方向输入到所述原子谱线激发装置；

第二反射镜，设置在所述光电探测装置与所述原子谱线激发装置之间，用于改变所述参考光的传输方向，使所述参考光传输到所述光电探测装置。

9.如权利要求1所述的激光器偏频锁定系统，其特征在于，进一步包括：

信号放大器，该信号放大器电连接于所述光电探测装置与所述第一混频装置之间，用于对所述光电探测装置发出的电信号进行放大。

10.如权利要求1所述的激光器偏频锁定系统，其特征在于，进一步包括：

低通滤波器，该低通滤波器电连接于所述第一混频装置和所述伺服反馈控制环路之间，用于对所述误差信号进行滤波。