CN109066283A - 一种激光器频率锁定的方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光器频率锁定的方法、装置及系统，该方法包括：利用光学腔纵模对激光频率进行锁定；获得激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号；依据无多普勒饱和吸收信号，获得误差信号，误差信号的中心对应于无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心；依据误差信号，调节激光频率，以使激光频率的中心等于无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。该方法利用光学腔纵模对激光频率进行锁定，在精准锁定的情况下，还可以压窄激光的线宽，同时，由于分子红外振转跃迁的线宽窄，一般仅仅受限于渡越时间加宽，其量级在百千赫兹，因此将激光频率锁定在分子红外振转跃迁的饱和吸收中心，可以保持激光频率的长期稳定性。

Description

一种激光器频率锁定的方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，更具体地说，涉及一种激光器频率锁定的方法、装置及系统。

背景技术

激光器的发明给科学研究和工业制作带来了革命性的变化，激光器具有单频、准直及高亮度等优点，其中，单频特性是很多科学研究和工业应用领域所关心的重要参数。

对于自由运行的激光器而言，不可避免的会受到外界环境温度、振动和电磁等因素的影响，其激光器的线宽较宽，并且激光器的中心频率存在着长期漂移，因此涉及到工业或科学研究中需要精密加工和测量的领域，通常需要锁定激光器的频率。

但是，目前激光器频率锁定的稳定性较差。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种激光器频率锁定的方法、装置及系统，技术方案如下：

一种激光器频率锁定的方法，包括：

利用光学腔纵模对激光频率进行锁定；

获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号；

依据所述无多普勒饱和吸收信号，获得误差信号，所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心；

依据所述误差信号，调节所述激光频率，以使所述激光频率的中心等于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。

优选的，所述利用光学腔纵模对激光频率进行锁定包括：

采用Pound-Drever-Hall技术和谐振光腔的一个纵模对所述激光频率进行锁定，以压窄激光的线宽，且使所述激光频率的中心频率的漂移仅仅与所述谐振光腔的腔长相关。

优选的，所述获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号，包括：

采用腔增强技术获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号。

优选的，所述依据所述无多普勒饱和吸收信号，获得误差信号，所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心，包括：

依据所述无多普勒饱和吸收信号，采用频率调制调解的方法获得所述误差信号，以使所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。

本发明还提供了一种激光器频率锁定的装置，包括：

频率锁定模块，用于利用光学腔纵模对激光频率进行锁定；

第一获得模块，用于获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号；

第二获得模块，用于依据所述无多普勒饱和吸收信号，获得误差信号，所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心；

频率调节模块，用于依据所述误差信号，调节所述激光频率，以使所述激光频率的中心等于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。

优选的，所述频率锁定模块，用于利用光学腔纵模对激光频率进行锁定的步骤具体为：

采用Pound-Drever-Hall技术和谐振光腔的一个纵模对所述激光频率进行锁定，以压窄激光的线宽，且使所述激光频率的中心频率的漂移仅仅与所述谐振光腔的腔长相关。

优选的，所述第一获得模块，用于获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号的步骤具体为：

采用腔增强技术获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号。

优选的，所述第二获得模块，用于依据所述无多普勒饱和吸收信号，获得误差信号，所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心的步骤具体为：

依据所述无多普勒饱和吸收信号，采用频率调制调解的方法获得所述误差信号，以使所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。

本发明还提供了一种激光器频率锁定的系统，包括：激光器子系统、光学谐振气体腔室、电光调制子系统、透镜匹配子系统、激光锁腔子系统和腔增强光谱信号检测锁定子系统；

所述激光器子系统用于发射出激光；

所述电光调制子系统用于对所述激光的相位进行调制；

所述透镜匹配子系统用于增加所述激光入射至所述光学谐振气体腔室的功率；

所述激光锁腔子系统用于利用光学腔纵模对所述激光频率进行锁定；

所述腔增强光谱信号检测锁定子系统用于获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号；且依据所述无多普勒饱和吸收信号，获得误差信号，所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心；

所述腔增强光谱信号检测锁定子系统还用于依据所述误差信号，调节所述光学谐振气体腔室的腔长，以使所述激光频率的中心等于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

该方法利用光学腔纵模对激光频率进行锁定，在精准锁定的情况下，还可以压窄激光的线宽，同时，由于分子红外振转跃迁的线宽窄，一般仅仅受限于渡越时间加宽，其量级在百千赫兹，因此将激光频率锁定在分子红外振转跃迁的饱和吸收中心，可以保持激光频率的长期稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的激光器频率锁定的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的激光器频率锁定的装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的激光器频率锁定的系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的激光器频率锁定的方法的流程示意图，所述方法包括：

S10：利用光学腔纵模对激光频率进行锁定；

在该步骤中，包括但不限定于采用Pound-Drever-Hall技术和谐振光腔的一个纵模对所述激光频率进行锁定，以压窄激光的线宽，且使所述激光频率的中心频率的漂移仅仅与所述谐振光腔的腔长相关。

例如，采用100000或更高的高精细度光学强，可以有效压窄激光的线宽，线宽可以小于10Hz，秒稳定度优于10^-14。

S20：获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号；

在该步骤中，采用腔增强技术获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号。

该无多普勒饱和吸收信号的线宽大约在百千赫兹，主要由渡越时间加宽决定，通常大约在百千赫兹的量级，并且分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号对温度、电场、特别是外界磁场的敏感度低，进而提高激光频率锁定的稳定性。

S30：依据所述无多普勒饱和吸收信号，获得误差信号，所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心；

在该步骤中，依据所述无多普勒饱和吸收信号，采用频率调制调解的方法获得所述误差信号，以使所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。

S40：依据所述误差信号，调节所述激光频率，以使所述激光频率的中心等于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。

在该步骤中，利用反馈控制原理，改变光学腔的腔长，使得光学腔长被初稳激光参考的腔模式频率和无多普勒饱和吸收跃迁中心相同，也即使激光器的锁定频率等于无多普勒饱和吸收跃迁中心频率。

在该方法中腔增强技术采用两面高反射率的光学镜片，形成光学腔，使得有效的光学吸收程长可以提高3到4个量级，达到几十公里的水平，所以具有极高的灵敏度，可以用来探测分子微弱的红外振转跃迁。这些振转跃迁谱线的一个很大优势就是线宽普遍较窄，大约在亚赫兹到几十赫兹范围。对于没有未配对电子的稳定分子，其跃迁的中心频率受外界温度和磁场的影响很小，通常不需要做非常复杂的磁屏蔽隔离处理就可以免疫外界环境的影响。

如果腔增强技术探测分子的兰姆凹陷，即可消除多普勒效应的影响，此时跃迁线宽主要由渡越时间加宽决定，通常大约在百千赫兹的量级。

通过在腔增强技术中引入调制调解技术，可以把探测灵敏度再提高1到2个量级，同时可以产生误差信号，实现以分子饱和吸收线为参考结合高精细度光学腔压窄激光线宽的频率锁定方法。

该方法锁定的激光器频率，其短期稳定度由光学腔的精细度决定，精细度越高，锁定后的线宽较窄，对于精细度约100000的光学腔，锁定后的激光线宽可小于10Hz；另一方面，由于利用了腔增强技术，激光的中心频率可以锁定在分子的无多普勒吸收线中心处，所以这种频率锁定方法既有效压窄了激光的短期线宽，又保证了长期的稳定性。

基于本发明上述实施例，在本发明另一实施例中，本发明还提供了一种激光器频率锁定的装置，参考图2，图2为本发明实施例提供的激光器频率锁定的装置的结构示意图，所述装置包括：

频率锁定模块20，用于利用光学腔纵模对激光频率进行锁定；

第一获得模块21，用于获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号；

第二获得模块22，用于依据所述无多普勒饱和吸收信号，获得误差信号，所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心；

频率调节模块23，用于依据所述误差信号，调节所述激光频率，以使所述激光频率的中心等于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。

进一步的，所述频率锁定模块20，用于利用光学腔纵模对所述激光频率进行锁定的步骤具体为：

采用Pound-Drever-Hall技术和谐振光腔的一个纵模对所述激光频率进行锁定，以压窄激光的线宽，且使所述激光频率的中心频率的漂移仅仅与所述谐振光腔的腔长相关。

进一步的，所述第一获得模块21，用于获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号的步骤具体为：

采用腔增强技术获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号。

进一步的，所述第二获得模块22，用于依据所述无多普勒饱和吸收信号，获得误差信号，所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心的步骤具体为：

依据所述无多普勒饱和吸收信号，采用频率调制调解的方法获得所述误差信号，以使所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。

在该实施例中，其原理和实现的效果与上述实施例相同，在此不再赘述。

基于本发明上述实施例，在本发明另一实施例中，本发明还提供了一种激光器频率锁定的系统，参考图3，图3为本发明实施例提供的激光器频率锁定的系统的结构示意图，所述系统包括：激光器子系统30、光学谐振气体腔室33、电光调制子系统31、透镜匹配子系统32、激光锁腔子系统35和腔增强光谱信号检测锁定子系统36；

所述激光器子系统30用于发射出激光；

具体的，所述激光器子系统30为频率待稳定的一台激光器，该激光器可以为不同波段不同类型的激光器，在本发明实施例中并不作限定。

所述电光调制子系统31用于对所述激光的相位进行调制；

具体的，所述电光调制子系统31包括但不限定于一个电光调制晶体，经过精密频率源以及射频放大驱动，产生待测激光器频谱上的边带，用于对所述激光的相位进行调制。

所述透镜匹配子系统32用于增加所述激光入射至所述光学谐振气体腔室33的功率；

具体的，所述透镜匹配子系统32包括但不限定于透镜组，用于变换激光束腰，匹配光学谐振气体腔室的腔膜，以增加激光的入腔功率。

所述激光锁腔子系统35用于利用光学腔纵模对所述激光频率进行锁定；

具体的，所述激光锁腔子系统35主要包括两片高反射率的反射镜，其中反射镜的另一端面根据优选的方案可以镀对应的增透膜，其中腔体的材料可以根据优选的方案可以使用具有较低热膨胀系数的材料。反射镜和腔体可以通过胶连或机械连接的方式结合，构成一个光学谐振腔体，其腔膜的线宽可以小于10Hz，反射镜上粘连一个压电控制器，用于调节光学腔体的长度，气体腔室同时具有真空结构，用于存储参考分子气体。

采用Pound-Drever-Hall技术将待锁定的激光的中心频率锁定在光学腔的一个纵模式上。这样保证激光器的频率初步稳定，并极大限度的压窄激光器的线宽，使得激光器的线宽可以小于10Hz，此时，激光器的中心频率的漂移仅仅和光学腔的腔长变化相关。

所述腔增强光谱信号检测锁定子系统34用于获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号；且依据所述无多普勒饱和吸收信号，获得误差信号，所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心；

所述腔增强光谱信号检测锁定子系统34还用于依据所述误差信号，调节所述光学谐振气体腔室的腔长，以使所述激光频率的中心等于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。

具体的，所述腔增强光谱信号检测锁定子系统34首先通过一个小幅度的电压调制所述激光锁腔子系统35上的压电控制器，并采集分子的腔增强无多普勒饱和吸收信号，通过相位调制调解装置调解腔增强无多普勒饱和吸收信号，获得对应的误差信号，该误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心，该中心频率受外界磁场、电场、温度和压力等因素的影响较小，长期几乎不漂移，因此可以以中心作为参考点，通过腔增强光谱信号检测锁定子系统中的反馈控制系统输出电压到压电控制器，精密调节激光锁腔子系统的光学腔的腔长，使得纵模频率和分子跃迁线的中心一致，这样即可以实现激光器频率的长期稳定。

以上对本发明所提供的一种激光器频率锁定的方法、装置及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种激光器频率锁定的方法，其特征在于，包括：

利用光学腔纵模对激光频率进行锁定；

获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号；

依据所述无多普勒饱和吸收信号，获得误差信号，所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心；

依据所述误差信号，调节所述激光频率，以使所述激光频率的中心等于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用光学腔纵模对激光频率进行锁定包括：

采用Pound-Drever-Hall技术和谐振光腔的一个纵模对所述激光频率进行锁定，以压窄激光的线宽，且使所述激光频率的中心频率的漂移仅仅与所述谐振光腔的腔长相关。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号，包括：

采用腔增强技术获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述无多普勒饱和吸收信号，获得误差信号，所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心，包括：

依据所述无多普勒饱和吸收信号，采用频率调制调解的方法获得所述误差信号，以使所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。

5.一种激光器频率锁定的装置，其特征在于，包括：

频率锁定模块，用于利用光学腔纵模对激光频率进行锁定；

第一获得模块，用于获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号；

第二获得模块，用于依据所述无多普勒饱和吸收信号，获得误差信号，所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心；

频率调节模块，用于依据所述误差信号，调节所述激光频率，以使所述激光频率的中心等于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述频率锁定模块，用于利用光学腔纵模对激光频率进行锁定的步骤具体为：

采用Pound-Drever-Hall技术和谐振光腔的一个纵模对所述激光频率进行锁定，以压窄激光的线宽，且使所述激光频率的中心频率的漂移仅仅与所述谐振光腔的腔长相关。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一获得模块，用于获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号的步骤具体为：

采用腔增强技术获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二获得模块，用于依据所述无多普勒饱和吸收信号，获得误差信号，所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心的步骤具体为：

依据所述无多普勒饱和吸收信号，采用频率调制调解的方法获得所述误差信号，以使所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。

9.一种激光器频率锁定的系统，其特征在于，包括：激光器子系统、光学谐振气体腔室、电光调制子系统、透镜匹配子系统、激光锁腔子系统和腔增强光谱信号检测锁定子系统；

所述激光器子系统用于发射出激光；

所述电光调制子系统用于对所述激光的相位进行调制；

所述透镜匹配子系统用于增加所述激光入射至所述光学谐振气体腔室的功率；

所述激光锁腔子系统用于利用光学腔纵模对所述激光频率进行锁定；

所述腔增强光谱信号检测锁定子系统用于获得所述激光频率的分子红外振转跃迁的无多普勒饱和吸收信号；且依据所述无多普勒饱和吸收信号，获得误差信号，所述误差信号的中心对应于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心；

所述腔增强光谱信号检测锁定子系统还用于依据所述误差信号，调节所述光学谐振气体腔室的腔长，以使所述激光频率的中心等于所述无多普勒饱和吸收信号的跃迁中心。