CN109616864A - 一种组合式的多通道超稳激光稳频装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种组合式的多通道超稳激光稳频装置，包括设置在真空系统中的法布里珀罗腔腔体、透射激光稳频模块和PDH激光稳频模块，透射激光稳频模块包括第一～第二二分之一波长偏振元件、第一～第二偏振分光棱镜、第一～第二滤光元件、第一～第三光电探测器。PDH激光稳频模块包括第三～第四二分之一波长偏振元件、四分之一波长偏振元件、第三偏振分光棱镜、第一～第二电光调制器，第三～第四滤光元件、第四～第五光电探测器。本发明可以通过稳频方式的多种组合，以满足不同稳频的目标效果和需求，其多个稳频光路共用一个法布里珀罗腔和真空系统，以及配套使用的一个温度控制系统和隔振系统，因此体积小、结构简单、集成性高、而且成本低。
Description
技术领域
本发明涉及激光稳频技术领域，具体涉及一种组合式的多通道超稳激光稳频装置。应用于原子频标、量子计算、精密测量等领域。
背景技术
在原子频标、量子计算、精密测量等领域中，常常需要大量的超稳窄线宽激光器。目前，获得超稳窄线宽激光的主要方法之一是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。当激光器的输出激光的频率锁定在法布里珀罗腔的共振频率上时。此时激光的频率稳定性将会主要取决于法布里珀罗腔腔长的变化量。影响法布里珀罗腔有效腔长变化的主要外界的环境因素可以分为如下三个方面：（1）腔温度的波动；（2）大气的气压、温度、湿度变化；（3）机械振动。因此在一套超稳法布里珀罗腔的搭建中，为了减小腔长对环境温度变化的敏感性，不仅需要选择热膨胀系数足够小的材料加工成腔体、镜片以及其支撑结构，还需要给法布里珀罗腔提供一套复杂的被动温度控制系统和精确的主动温度控制系统，使法布里珀罗腔一天的温度波动在mK的水平；将法布里珀罗腔安装在一套真空度优于1E-5Pa的高真空腔内，可以减小大气的气压、温度、湿度的变化对法布里珀罗腔腔长的影响；声音、地面振动等产生的机械振动传播到法布里珀罗腔的腔体上，也会带来腔长的变化，由此影响激光频率的稳定性。一般使用主动隔振平台、隔声材料、以及改善腔体的支撑结构，来减小机械振动对腔长的影响。因此一套高性能的超稳法布里珀罗腔往往需要一套超低热膨胀系数的腔体、腔镜、稳频光路、高精度的温度控制系统、高真空的真空系统、复杂的隔振系统。然而在原子频标、量子计算、精密测量等领域的实验中，经常需要大量超稳的窄线宽激光器。因此一种组合式的多通道超稳激光稳频装置不仅可以提供不同稳频方式以满足不同实际的需求，还可以有效的节省这些实验的成本。
综上所述，为了方便的获得大量超稳激光，需要一种组合式的多通道超稳激光稳频装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种组合式的多通道超稳激光稳频装置。
一种组合式的多通道超稳激光稳频装置，包括设置在真空系统中的法布里珀罗腔腔体，法布里珀罗腔腔体内设置有第一法布里珀罗腔通道，
第一入射激光经过第一二分之一波长偏振元件形成S偏振激光，与第一入射激光的波长相同或者接近的第二入射激光经过第二二分之一波长偏振元件形成P偏振激光，S偏振激光和P偏振激光经过第一偏振分光棱镜合束得到第一合束入射激光，与第一入射激光和第二入射激光的波长不同的第三入射激光通过第一滤光元件与第一合束入射激光合束后形成第二合束入射激光，
第二合束入射激光通过第一法布里珀罗腔通道，第一法布里珀罗腔通道的两端的腔镜为多波长腔镜对，第二合束入射激光透过第一法布里珀罗腔通道后，由第二滤光元件分光为与第三入射激光的波长对应的第三出射激光，以及与第一合束入射激光的波长对应的第一合束出射激光，第一合束出射激光经过第二偏振分光棱镜分为与第一入射激光A的波长对应的第一出射激光，以及与第二入射激光的波长对应的第二出射激光，第一出射激光、第二出射激光、第三出射激光分别由对应的光电探测器进行测量。
法布里珀罗腔腔体内设置有第二法布里珀罗腔通道，
第四入射激光经过第三二分之一波长偏振元件和第一电光调制器后获得的激光通过第三滤光元件与第五入射激光经过第四二分之一波长偏振元件和第二电光调制器后获得的激光合束，形成第三合束入射激光，第三合束入射激光透射通过第三偏振分光棱镜后再经过四分之一波长偏振元件获得第二法布里珀罗腔通道入射激光，第二法布里珀罗腔通道入射激光入射法布里珀罗腔腔体的第二法布里珀罗腔通道，第二法布里珀罗腔通道的两端的腔镜为多波长高反射率腔镜对，与第二法布里珀罗腔通道入射激光的光路反向的第二法布里珀罗腔通道反射激光经过四分之一波长偏振元件后由第三偏振分光棱镜反射到第四滤光元件，由第四滤光元件分束为与第四入射激光的波长对应第四出射激光，以及与第五入射激光的波长对应第五出射激光, 第四出射激光和第五出射激光均由对应的光电探测器探测。
第一法布里珀罗腔通道和第二法布里珀罗腔通道正交分布。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
可以通过稳频方式的多种组合，在获得多束激光线宽约1Hz，频率漂移小于5KHz/天，频率稳定度约在1×10-15水平或者更低的超稳激光的同时，获得多束频率漂移优于1MHz/天的超稳激光，以满足不同稳频的目标效果和需求，其多个稳频光路共用一个法布里珀罗腔和真空系统，以及配套使用的一个温度控制系统和隔振系统，因此体积小、结构简单、集成性高、而且成本低。
附图说明
图1为本发明的透射激光稳频模块的光路示意图。
图2为本发明的PDH激光稳频模块的光路示意图。
图3为本发明的光路示意图。
图中：1-真空系统；2-法布里珀罗腔腔体；3-多波长高反射率腔镜对；4-多波长腔镜对；5- PDH激光稳频模块；6-透射激光稳频模块；7-1～7-12分别为第一反射镜～第十二反射镜；8-1～8-4分别为第一二分之一波长偏振元件～第四二分之一波长偏振元件；8-5-四分之一波长偏振元件；9-1～9-3分别为第一偏振分光棱镜～第三偏振分光棱镜；10-1-第一电光调制器；10-2-第二电光调制器；11-1～11-4分别为第一滤光元件～第四滤光元件；12-1～12-5分别为第一光电探测器～第五光电探测器。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图3所示，一种组合式的多通道超稳激光稳频装置，包括设置在真空系统1中的法布里珀罗腔腔体2，还包括透射激光稳频模块6，透射激光稳频模块6包括第一二分之一波长偏振元件8-1、第二二分之一波长偏振元件8-2、第一偏振分光棱镜9-1、第二偏振分光棱镜9-2、第一滤光元件11-1、第二滤光元件11-2、第一光电探测器12-1、第二光电探测器12-2、第三光电探测器12-3。
波长相同或者波长接近的第一入射激光A和第二入射激光B分别经过第一二分之一波长偏振元件8-1和第二二分之一波长偏振元件8-2，分别形成S偏振激光和P偏振激光，S偏振激光和P偏振激光经过第一偏振分光棱镜9-1合束得到第一合束入射激光d。波长与第一入射激光A和第二入射激光B的波长不同的第三入射激光C通过第一滤光元件11-1与第一合束入射激光d合束后形成第二合束入射激光e，优选的第三入射激光C的波长与第一入射激光A以及第二入射激光B的波长相差不小于10nm，第二合束入射激光e通过法布里珀罗腔腔体2的第一法布里珀罗腔通道，第一法布里珀罗腔通道的两端的腔镜为多波长腔镜对4，形成稳定的驻波。第二合束入射激光e透过第一法布里珀罗腔通道后，由第二滤光元件11-2分光为与第三入射激光C的波长对应的第三出射激光C1，以及与第一合束激光d的波长对应的第一合束出射激光d1，第一合束出射激光d1经过第二偏振分光棱镜9-2分为与第一入射激光A的波长对应的第一出射激光A1，以及与第二入射激光B的波长对应的第二出射激光B1。第一出射激光A1、第二出射激光B1、第三出射激光C1分别由第一光电探测器12-1、第二光电探测器12-2、第三光电探测器12-3进行测量，获得透射峰信号，实现对第一入射激光A、第二入激光B、第三入射激光C的频率稳定。多波长腔镜对的多波长是指可反射与第一入射激光A、第二入射激光B、第三入射激光C的波长相同或者相近的激光。
如图2和图3所示，一种组合式的多通道超稳激光稳频装置，包括PDH激光稳频模块5，PDH激光稳频模块5包括第三二分之一波长偏振元件8-3、第四二分之一波长偏振元件8-4、四分之一波长偏振元件8-5、第三偏振分光棱镜9-3、第一电光调制器10-1、第二电光调制器10-2，第三滤光元件11-3、第四滤光元件11-4、第四光电探测器12-4、第五光电探测器12-5。
第四入射激光F经过第三二分之一波长偏振元件8-3和第一电光调制器10-1后获得的激光通过第三滤光元件11-3与第五入射激光G经过第四二分之一波长偏振元件8-4和第二电光调制器10-2后获得的激光合束，形成第三合束入射激光H，第三合束入射激光H透射通过第三偏振分光棱镜9-3后再经过四分之一波长偏振元件8-5获得第二法布里珀罗腔通道入射激光，第二法布里珀罗腔通道入射激光入射法布里珀罗腔腔体2的第二法布里珀罗腔通道，耦合形成稳定的激光模式，第二法布里珀罗腔通道的两端的腔镜为多波长高反射率腔镜对3，上述多波长是指可反射与第四入射激光F、第五入射激光G的波长相同或者相近的激光，高反射率是指反射率优于99.998%的反射率。
与第二法布里珀罗腔通道入射激光的光路反向的第二法布里珀罗腔通道反射激光（包括腔镜反射以及第二法布里珀罗腔通道谐振后的透射光）经过四分之一波长偏振元件8-5后由第三偏振分光棱镜9-3反射到第四滤光元件11-4，并由第四滤光元件11-4分束为与第四入射激光F的波长对应第四出射激光F1，以及与第五入射激光G的波长对应第五出射激光G1, 第四出射激光F1由第四光电探测器12-4探测，第五出射激光G1由第五光电探测器12-5探测，由此分别获得PDH稳频方式的误差信号。
如图3所示，法布里珀罗腔腔体2安装在真空系统1中，第一法布里珀罗腔通道和第二法布里珀罗腔通道均设置在法布里珀罗腔腔体2内，第一法布里珀罗腔通道两端设置有多波长腔镜对4，第二法布里珀罗腔通道两端设置有多波长高反射率腔镜对3，多波长高反射率腔镜对3通过光胶的方式固定在法布里珀罗腔腔体2上，多波长腔镜对4过光胶的方式固定在法布里珀罗腔腔体2上。真空系统1为法布里珀罗腔腔体2、多波长高反射率腔镜对3、多波长腔镜对4提供优于1×10-6Pa的高真空环境。PDH激光稳频光路5实现同时对多束激光以PDH稳频的方式进行激光稳频，从而获得激光线宽约1Hz，频率漂移小于5KHz/天，频率稳定度约在1×10-15水平或者更低的超稳激光。透射激光稳频光路6实现同时对多束激光以锁定透射峰的方式，进行激光稳频，由此可以获得多束频率漂移优于1MHz/天的超稳激光。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。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)
1.一种组合式的多通道超稳激光稳频装置，包括设置在真空系统（1）中的法布里珀罗腔腔体（2），法布里珀罗腔腔体（2）内设置有第一法布里珀罗腔通道，
第一入射激光（A）经过第一二分之一波长偏振元件（8-1）形成S偏振激光，与第一入射激光（A）的波长相同或者接近的第二入射激光（B）经过第二二分之一波长偏振元件（8-2）形成P偏振激光，S偏振激光和P偏振激光经过第一偏振分光棱镜（9-1）合束得到第一合束入射激光（D），与第一入射激光（A）和第二入射激光（B）的波长不同的第三入射激光（C）通过第一滤光元件（11-1）与第一合束入射激光（D）合束后形成第二合束入射激光（E），
第二合束入射激光（E）通过第一法布里珀罗腔通道，第一法布里珀罗腔通道的两端的腔镜为多波长腔镜对（4），第二合束入射激光（E）透过第一法布里珀罗腔通道后，由第二滤光元件（11-2）分光为与第三入射激光（C）的波长对应的第三出射激光（C1），以及与第一合束入射激光（D）的波长对应的第一合束出射激光（D1），第一合束出射激光（D1）经过第二偏振分光棱镜（9-2）分为与第一入射激光A的波长对应的第一出射激光（A1），以及与第二入射激光（B）的波长对应的第二出射激光（B1），第一出射激光（A1）、第二出射激光（B1）、第三出射激光（C1）分别由对应的光电探测器进行测量。
2.根据权利要求1所述的一种组合式的多通道超稳激光稳频装置，其特征在于，法布里珀罗腔腔体（2）内设置有第二法布里珀罗腔通道，
第四入射激光（F）经过第三二分之一波长偏振元件（8-3）和第一电光调制器（10-1）后获得的激光通过第三滤光元件（11-3）与第五入射激光（G）经过第四二分之一波长偏振元件（8-4）和第二电光调制器（10-2）后获得的激光合束，形成第三合束入射激光（H），第三合束入射激光（H）透射通过第三偏振分光棱镜（9-3）后再经过四分之一波长偏振元件（8-5）获得第二法布里珀罗腔通道入射激光，第二法布里珀罗腔通道入射激光入射法布里珀罗腔腔体（2）的第二法布里珀罗腔通道，第二法布里珀罗腔通道的两端的腔镜为多波长高反射率腔镜对（3），与第二法布里珀罗腔通道入射激光的光路反向的第二法布里珀罗腔通道反射激光经过四分之一波长偏振元件（8-5）后由第三偏振分光棱镜（9-3）反射到第四滤光元件（11-4），由第四滤光元件（11-4）分束为与第四入射激光（F）的波长对应第四出射激光（F1），以及与第五入射激光（G）的波长对应第五出射激光（G1）, 第四出射激光（F1）和第五出射激光（G1）均由对应的光电探测器探测。
3.根据权利要求2所述的一种组合式的多通道超稳激光稳频装置，其特征在于，所述的第一法布里珀罗腔通道和第二法布里珀罗腔通道正交分布。
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