CN110018581B - 基于多程声光移频技术的声光扫频系统 - Google Patents

基于多程声光移频技术的声光扫频系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多程声光移频技术的声光扫频系统，涉及多程声光移频技术领域。本系统包括第1、2、3二分之一波片，第1、2、3偏振分光棱镜，法拉第旋光器，格兰泰勒棱镜，第1、2反射镜，第1、2、3平凸透镜，第1、2直角反射镜，声光调制器，射频驱动源，电动旋转台，四分之一波片，光电探测器，第1、2电缆线和反馈模块。本发明在已有的多程声光移频技术的基础上，利用同步扫描、角度控制和功率稳定等技术，实现了兼具高带宽、高衍射效率以及高纯净度等优点的声光扫频技术，为光谱学、激光通信和冷原子实验等领域提供了一个优良的实用技术。

Description

基于多程声光移频技术的声光扫频系统
技术领域
本发明涉及多程声光移频技术领域，尤其涉及一种基于多程声光移频技术的声光扫频系统。
背景技术
激光的大范围扫频技术在光通信、光谱学以及冷原子物理等多方面有着重要的应用。拍频锁相等技术可以直接对激光器的输出激光进行扫频，其带宽较大，但是具体实现时通常需要另一台已锁频的激光器和一系列相关器件，价格昂贵，而且无法兼顾扫描精度与扫描速度。
除了激光器直接扫描外，实验中通常使用电光调制器或者声光调制器对激光进行扫频操作。电光调制器具有很高的带宽，但是其效率理论上低于34％，且产生的移频光与载波光无法分开，影响激光的纯净度；而声光调制器虽然在空间上将两个光分开，但它的移频范围和带宽通常较小，而一些高带宽声光调制器往往效率极低。
针对电光调制器和声光调制器所存在的缺陷，有人提出了一些方法。比如利用锯齿波驱动电光调制器可以极大地提高它的效率，但是受锯齿波的限制其带宽只有不到2GHz，而且无法解决移频光与载波光的重合问题，可参考文献(Wideband,efficientoptical serrodyne frequency shifting with a phase modulator and a nonlineartransmission line，R.Houtz等，Opt.Express第17卷，19235页，2009年)；四程声光移频技术的移频范围可达2GHz，且效率能达到25％，但其带宽很小，仅有几十MHz，可参考文献(Afour-pass acousto-optic modulator system for lasercooling of sodium atoms，B.Lu等，Rev.Sci.Instrum.第88卷,076105页，2017年)；高阶声光移频尽管移频范围大，可达几个GHz，但其带宽较低且效率非常低，高阶时仅有0.1％甚至更低，可参考文献(Highcoherent bi-chromatic laser with gigahertz splitting producedby the highdiffraction orders of acousto-optic modulator usedfor coherent populationtrapping experiments，P.Yun等，Rev.Sci.Instrum.第82卷,123104页，2011年)。
由此可见现有的技术均存在一定的缺陷，无法同时满足带宽、效率、激光纯净度、扫描速度和精度等多方面的要求。因此我们需要一个兼具带宽高，效率高和激光纯净度高等优点的扫频技术。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于多程声光移频技术的声光扫频系统，即利用已有的多程声光移频技术，实现高带宽、高效率和激光纯净的大范围扫频。
本发明的目的是这样实现：
通过12次通过声光调制器，实现大范围的移频。通过对射频驱动源与电动旋转台的实时控制，保证了高带宽和高效率，从而实现大范围扫频。
如图1，本系统包括第1、2、3二分之一波片，第1、2、3偏振分光棱镜，法拉第旋光器，格兰泰勒棱镜，第1、2反射镜，第1、2、3平凸透镜，第1、2直角反射镜，声光调制器，射频驱动源，电动旋转台，四分之一波片、，光电探测器，第1、2电缆线和反馈模块；
其位置和连通关系是：
第1二分之一波片、第2偏振分光棱镜、法拉第旋光器和格兰泰勒棱镜依次排列，其中第2偏振分光棱镜的透射偏振方向与格兰泰勒棱镜透射偏振方向相差45°，且改变方向与法拉第旋光器旋转方向一致；
第2二分之一波片、第2偏振分光棱镜和第一反射镜依次排列和交互，第2二分之一波片的偏振轴方向保证入射光a1有最大透过率；
第1平凸透镜、第1直角反射镜、第2平凸透镜、声光调制器、第3平凸透镜、四分之一波片、第2直角反射镜和第2反射镜依次排列和交互；
第2平凸透镜与第3平凸透镜焦距相同且小于第1平凸透镜的焦距；第1直角反射镜与第1平凸透镜右侧焦平面及第2平凸透镜的左侧焦平面均重合；声光调制器晶体中心与第2平凸透镜右焦点及第3平凸透镜左焦点重合；第2直角反射镜、第2反射镜均与第3平凸透镜右侧焦平面重合；四分之一波片位于第二反射镜前方；
上述所有器件将共同构成一个12程声光移频系统；
射频驱动源、电动旋转台均与声光调制器连接，构成同步扫频与角度控制模块；
第3二分之一波片、第3偏振分光棱镜、光电探测器、第1电缆线、反馈模块、第2电缆线和射频驱动源依次连通和交互，构成功率稳定模块。
本发明具有下列优点和积极效果：
1、带宽高：其带宽可达1GHz以上；
2、效率高：在整个带宽范围内其效率均在5％以上，最高效率可达15％以上；
3、纯净度较好：由于声光调制器载波与衍射光空间分开，最终消光比高于50：1，远高过电光调制器；
4、扫描精度高，速度快：扫频由射频驱动源的输出频率决定，而速度则取决于电动旋转台的转速，本发明可以兼顾扫描速度与扫描精度；
5、工作模式灵活：除了扫频模式外，也可以用于跳频工作模式。
总之，在已有的多程声光移频技术的基础上，利用同步扫描、角度控制和功率稳定等技术，实现了兼具高带宽、高衍射效率以及高纯净度等优点的声光扫频技术；为光谱学、激光通信和冷原子实验等领域提供了一个优良的实用技术。
附图说明
图1为本系统的结构方框图；
其中：
1-1—第1二分之一波片，1-2—第2二分之一波片；
2-1—第1偏振分光棱镜，2-2—第2偏振分光棱镜；
3—法拉第旋光器；
4—格兰泰勒棱镜；
5-1—第1反射镜；5-2—第2反射镜；
6-1—第1平凸透镜，6-2—第2平凸透镜，6-3—第3平凸透镜；
7-1—第1直角反射镜，7-2—第2直角反射镜；
8—声光调制器；
9—射频驱动源；
10—电动旋转台；
11—四分之一波片；
12—光电探测器；
13-1—第1电缆线，13-2—第2电缆线；
14—反馈模块；
a1—入射光，a2—出射光。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、总体
通过12次通过声光调制器，实现大范围的移频。通过对射频驱动源与电动旋转台的实时控制，保证了高带宽和高效率，从而实现大范围扫频。
如图1，本系统包括第1、2、3二分之一波片1-1、1-2、1-3，第1、2、3偏振分光棱镜2-1、2-2、2-3，法拉第旋光器3，格兰泰勒棱镜4，第1、2反射镜5-1、5-2，第1、2、3平凸透镜6-1、6-2、6-3，第1、2直角反射镜7-1、7-2，声光调制器8、射频驱动源9、电动旋转台10、四分之一波片11、光电探测器12，第1、2电缆线13-1、13-2和反馈模块14；
其位置和连通关系是：
第1二分之一波片1-1、第2偏振分光棱镜2-1、法拉第旋光器3和格兰泰勒棱镜4依次排列，其中第2偏振分光棱镜2-1的透射偏振方向与格兰泰勒棱镜4透射偏振方向相差45°，且改变方向与法拉第旋光器3旋转方向一致；
第2二分之一波片1-2、第2偏振分光棱镜2-2和第一反射镜5-1依次排列，第2二分之一波片1-2的偏振轴方向保证入射光a1有最大透过率；
第1平凸透镜6-1、第1直角反射镜7-1、第2平凸透镜6-2、声光调制器8、第3平凸透镜6-3、四分之一波片11、第2直角反射镜7-2、第2反射镜5-2依次连通和交互；
第2平凸透镜6-2与第3平凸透镜6-3焦距相同且小于第1平凸透镜6-1的焦距；第1直角反射镜7-1与第1平凸透镜6-1右侧焦平面及第2平凸透镜6-2的左侧焦平面均重合；声光调制器8晶体中心与第2平凸透镜6-2右焦点及第3平凸透镜6-3左焦点重合；第2直角反射镜7-2、第2反射镜5-2均与第3平凸透镜右侧焦平面重合；四分之一波片11位于第二反射镜5-2前方；
上述所有器件将共同构成一个12程声光移频系统；
射频驱动源9、电动旋转台10均与声光调制器8连接，构成同步扫频与角度控制模块；
第3二分之一波片1-3、第3偏振分光棱镜2-3、光电探测器12、第1电缆线13-1、反馈模块14、第2电缆线13-2和射频驱动源9依次连通和交互，构成功率稳定模块。
二、功能部件
下面所述的功能部件均为常用标准件。
1、第1、2、3二分之一波片1-1、1-2、1-3
二分之一波片是一种调整激光偏振方向的器件。
2、第1、2、3偏振分光棱镜2-1、2-2、2-3
偏振分光棱镜是一种对不同偏振方向激光成分分别透射和反射的器件。
3、法拉第旋光器3
法拉第旋光器3是一种无论激光入射方向，均可将激光偏振方向按固定方向旋转一定角度的器件，本系统使用的为45°旋光器。
4、格兰泰勒棱镜4
格兰泰勒棱镜4是一种仅有特定偏振方向的激光可以通过的器件。
5、第1、2反射镜5-1、5-2
反射镜是按反射规律将入射激光反射回去的器件。
6、第1、2、3平凸透镜6-1、6-2、6-3
平凸透镜可以对激光进行会聚，本系统使用的透镜焦距依次为150mm，100mm和100mm。
7、第1、2直角反射镜7-1、7-2
直角反射镜可将入射激光平行地反射回去，同时改变其光束位置。
8、声光调制器8
声光调制器8是一种用于调制激光频率和幅度的器件，能使其±1级衍射光与零级光以两倍布拉格角分开，并将大部分激光功率集中调制到衍射级；其±1级衍射激光与载波激光频率相差为声光调制器的驱动频率。
9、射频驱动源9
射频驱动源9是一种可输出一定功率的射频正弦波信号的器件，并可对信号进行频率调制。
10、电动旋转台10
电动旋转台10是一种可以电动控制其旋转角度的器件，可控制转台上器件的角度。
11、四分之一波片11
四分之一波片11是一种可以改变激光的偏振的器件。
12、光电探测器
光电探测器12可以将激光的功率信号转换为电信号。
13、第1、2电缆线13-1和13-2
电缆线可以传播电信号。
14、反馈模块14
反馈模块14可以进行反馈控制；针对接受到的信号可以输出特定控制信号。
三、工作原理
以12程声光移频技术为例，下面详细阐述本发明的工作原理。
二分之一波片1-1、第一偏振分光棱镜2-1、法拉第旋光器3、格兰泰勒棱镜4、第2二分之一波片1-2、第2偏振分光棱镜2-2、第1反射镜5-1、第1平凸透镜6-1、第1直角反射镜7-1、第2平凸透镜6-2、声光调制器8、射频驱动源9、第3平凸透镜6-3、第2直角反射镜7-2、四分之一波片11和第2反射镜5-2共同构成12程声光移频系统，入射光a1经过12程声光移频系统后，输出光为a2。
本系统采用的声光调制器8中心频率为350MHz(AA optoelectronic，MT350-B60)，12程移频下的中心频率为4.2GHz，相对应的总效率大于15％。
射频驱动源9和电动旋转台10均与声光调制器8相连，构成扫频和角度控制模块。其中射频驱动源9可以产生一定频率和功率的正弦信号并作为驱动信号提供给声光调制器8，而电动旋转台10可以在水平方向上调节声光调制器8的角度。
射频驱动源9可以进行调频、调幅和扫频等操作，本发明实施例使用的是RIGOL公司的DG4202信号发生器，并将之倍频后作为射频信号提供给声光调制器8。信号发生器提供的信号频率范围是0-200MHz，经过倍频后为0-400MHz。随着射频驱动源9频率的改变，激光通过声光调制器8后衍射光的衍射角度以及衍射效率均会变化。在12程声光移频系统中，少许的角度和效率变化会随着12次通过声光调制器8而累积，最终将导致出射光效率的大幅下降，因此射频驱动源9频率的改变将极大地影响12程声光移频系统的效率。为解决这个问题，本发明实施例采用了大恒光电的GCD-012060M型电动旋转台。声光调制器8安装固定在电动旋转台10的转动平台上并通过配套的控制器调节它的转动角度和方向。在本实施例中，调节射频驱动源9的输出频率后，我们通过调整电动旋转台10的角度以补偿衍射光因频率改变而带来的角度和效率变化。此外，通过手动调节第1、2反射镜5-1、5-2来进一步补偿衍射角度的变化带来的效率下降。本发明实施例中，信号发生器的频率在140-200MHz范围内变化时，通过上述补偿方式，最终的效率均在10％-20％之间。
本发明的扫频操作是通过对射频驱动源9进行扫频的同时通过程序同步转动电动旋转台10实现的。每改变一次频率，电动旋转台10均有一个最佳位置对应着最大的12程效率。通过这样的频率与位置的一一匹配，我们可以实现效率最大的扫频操作。由于扫频操作时无法对第1、2反射镜5-1、5-2进行调节，因此其效率与带宽均略低于手动扫频的结果。本实施例中，信号发生器进行从145-190MHz扫频时，最终12程效率均高于5％，即本发明实施可在大于1GHz的范围内进行扫频。本发明的扫描精度由射频驱动源9决定，其精度远高于一般的激光快速扫描技术；扫描速度则取决于电动旋转台10的转速，本发明实施例使用的电动旋转台10转速可达3转每分钟，可在50ms左右的时间完成整个扫描过程。
扫频时的功率稳定功能由功率稳定模块实现。具体过程是将出射光的一小部分通过第3偏振分光棱镜2-3反射到光电探测器12的探测窗口，光电探测器12则将光功率信号转换为电信号。反馈模块14接收到光电探测器12传输来的电信号后根据设定的参数输出特定的反馈信号给射频驱动源9。反馈信号将对射频驱动源9产生幅度调制的作用从而改变射频驱动源9输出的信号幅度进而改变激光通过声光调制器8时的效率，保证输出光的功率稳定。经过功率稳定模块的反馈操作，信号发生器进行从145-190MHz扫频时，可将输出光的效率稳定在约5％。
因此，将扫频与角度控制模块和功率稳定模块与12程声光移频技术相结合，我们可以实现带宽超过1GHz的大范围扫频。
除了扫频之外，还可以利用射频驱动源9的跳频和电动旋转台10的角度控制，进行两个甚至多个频率点之间的跳频操作，其参数与扫频操作相同。
由于采用了多程声光移频技术，相对于电光调制器本发明具有较高的光谱纯度，最终输出光的消光比在50：1以上。
综上所述，本发明克服了现有的技术存在的带宽低、效率低和纯净度低等缺点，实现了高带宽、高效率和高消光比的大范围扫频，为激光通信、光谱和冷原子物理等相关领域提供了一种十分实用的扫频技术。

Claims (1)

1.一种基于多程声光移频技术的声光扫频系统，其特征在于：
包括第1、2、3二分之一波片（1-1、1-2、1-3），第1、2、3偏振分光棱镜（2-1、2-2、2-3），法拉第旋光器（3），格兰泰勒棱镜（4），第1、2反射镜（5-1、5-2），第1、2、3平凸透镜（6-1、6-2、6-3），第1、2直角反射镜（7-1、7-2），声光调制器（8）、射频驱动源（9）、电动旋转台（10）、四分之一波片（11）、光电探测器（12），第1、2电缆线（13-1、13-2）和反馈模块（14）；
其位置和连通关系是：
第1二分之一波片（1-1）、第2偏振分光棱镜（2-1）、法拉第旋光器（3）和格兰泰勒棱镜（4）依次排列和交互，其中第2偏振分光棱镜（2-1）的透射偏振方向与格兰泰勒棱镜（4）透射偏振方向相差45°，且改变方向与法拉第旋光器3旋转方向一致；
第2二分之一波片（1-2）、第2偏振分光棱镜（2-2）和第一反射镜（5-1）依次排列和交互，第2二分之一波片（1-2）的偏振轴方向保证入射光（a1）有最大透过率；
第1平凸透镜（6-1）、第1直角反射镜（7-1）、第2平凸透镜（6-2）、声光调制器（8）、第3平凸透镜（6-3）、四分之一波片（11）、第2直角反射镜（7-2）和第2反射镜（5-2）依次排列和交互；
第2平凸透镜（6-2）与第3平凸透镜（6-3）焦距相同且小于第1平凸透镜（6-1）的焦距；第1直角反射镜（7-1）与第1平凸透镜（6-1）右侧焦平面及第2平凸透镜（6-2）的左侧焦平面均重合；声光调制器（8）晶体中心与第2平凸透镜（6-2）右焦点及第3平凸透镜（6-3）左焦点重合；第2直角反射镜（7-2）、第2反射镜（5-2）均与第3平凸透镜（6-3）右侧焦平面重合；四分之一波片（11）位于第二反射镜（5-2）前方；
上述所有器件将共同构成一个12程声光移频系统；
射频驱动源（9）、电动旋转台（10）均与声光调制器（8）连接，构成同步扫频与角度控制模块；
第3二分之一波片（1-3）、第3偏振分光棱镜（2-3）、光电探测器（12）、第1电缆线（13-1）、反馈模块（14）、第2电缆线（13-2）和射频驱动源（9）依次连通和交互，构成功率稳定模块。
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