CN110571644A - 基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统及使用方法，激光驱动器的输出连接DBR激光二极管，为DBR激光二极管提供驱动电流，DBR激光二极管还连接用于提供温度控制的激光二极管温度控制器，DBR激光二极管发出的激光光路上依次设置有第一光学透镜、激光衰减片、第一四分之一玻片、偏振片、位于通电线圈内的充有铯原子的铯原子气室、第二光学透镜、第二四分之一玻片和PBS分光棱镜，PBS分光棱镜的一路输出通过第一光电探测器连接反馈回路，PBS分光棱镜的另一路输出通过第二光电探测器连接反馈回路，反馈回路的输出端连接激光驱动器。本发明简化了稳频系统的结构，在满足磁力仪的测磁精度基础上，可以有效降低磁力仪的空间复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光稳频。特别是涉及一种应用于原子光泵磁力、冷原子钟等的基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统及使用方法。
背景技术
激光自诞生以来就发展迅速，被广泛应用于工业、农业、通信、医疗、军事等领域。而在一些特殊领域中，对激光的性能有着很高的要求，如激光原子冷却、冷原子钟等。本课题主要研究高精度铯光泵磁力仪，由于原子磁力仪需要与原子超精细能级共振的激光来实现原子的极化和检测。激光器的频率稳定度直接影响原子磁力仪的灵敏度，而自由运转的半导体激光器的输出频率对注入电流、工作温度以及机械振动很敏感，即使是在单纵模情况下运转，其光谱线宽也较宽，使它的中心波长会在很大的一个范围内波动，频率稳定性差，因此需要对激光器进行稳频研究。
目前的主流激光稳频法有饱和吸收谱稳频、消多普勒极化谱稳频、原子气室二向色性稳频(Dichroic Atomic Vapour Laser Lack,DAVLL)。由于饱和吸收谱稳频和消多普勒极化谱稳频的结构简单，信噪比高，长期稳定度好等优点，是半导体激光器中最常用的两种稳频方式。但是这两种稳频法都需要让泵浦光和检测光以相反方向相同路径通过原子气室，这是很难实现的。所以本人在研究铯光泵磁力仪时，选用原子气室二向色性稳频。
2014年东北石油大学的刘强和卓艳男等人设计了基于DAVLL技术的半导体激光器稳频装置(参见在先技术[1]：“刘强,卓艳男,刘超,王家兴,牟海维.基于DAVLL技术的半导体激光器稳频装置设计[J].光学仪器,2014,36(06):551-554.”)，并且详细阐述了该装置的调整方法。但是该装置并没有PID调制模块，无法得到理想的鉴频曲线，而且在该装置中反馈信号直接作为激光器的驱动电流，因此该装置的稳频效果并不是很好。
2015年中北大学的孙黎对比研究了半导体激光器的几种稳频法(参见在先技术[2]：“孙黎.半导体激光器稳频方法的对比研究[D].中北大学,2015.”)，在文章中也搭建了DAVLL稳频系统及相应的调制方法。虽然该系统有PID调制模块，能得到相对较好的鉴频曲线，但该系统引入了压电陶瓷模块，将鉴频曲线反馈给激光器的压电陶瓷，利用压电陶瓷改变激光器的腔长，从而改变激光器输出激光的频率，实现稳频效果。但是由于压电陶瓷的引入，增加了系统的空间复杂度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以有效降低磁力仪的空间复杂度的基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统及使用方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统，包括激光驱动器，所述激光驱动器的输出连接DBR激光二极管，为DBR激光二极管提供驱动电流，所述DBR激光二极管还连接用于提供温度控制的激光二极管温度控制器，所述DBR激光二极管发出的激光光路上依次设置有第一光学透镜、激光衰减片、第一四分之一玻片、偏振片、位于通电线圈内的充有铯原子的铯原子气室、第二光学透镜、第二四分之一玻片和PBS分光棱镜，所述PBS分光棱镜的一路输出通过第一光电探测器连接反馈回路，所述PBS分光棱镜的另一路输出通过第二光电探测器连接反馈回路，所述反馈回路的输出端连接激光驱动器。
所述的反馈回路包括有依次串联的差分放大模块和PID模块，所述差分放大模块的两个输入端分别连接第一光电探测器和第二光电探测器的输出端，所述PID模块的调制输入端连接三角波发生模块的输出端，所述PID模块的输出端连接激光驱动器。
所述DBR激光二极管的电流电压转换系数为0.1A/V，所述差分放大模块的增益倍数为10。
一种基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统的使用方法，包括如下步骤：
1)通过调节激光二极管温度控制器的输出温度，将DBR激光二极管输出激光的波长调至铯原子D1线λ＝894.5nm处；
2)调节激光驱动器，使得激光驱动器的输出电流上限为0.1356A；
3)将三角波发生模块的输出端接到PID模块的调制端口处，通过调节PID模块，使得三角波发生模块的输出幅值为1V，实现DBR激光二极管的频率在铯原子D1线附近从低到高扫描；
4)不断调节通电线圈外加电流的大小，并用示波器观察差分放大模块的输出信号，直到示波器上出现鉴频曲线，记住此时通电线圈外加电流的大小，并保持不变；
5)将差分放大模块输出的鉴频曲线送至PID模块，调节PID模块中的比例积分微分环节，使得鉴频曲线的形状达到设定的曲线形状；
6)断开三角波发生模块与PID模块的连接，将经过PID模块调制后的鉴频曲线送至激光驱动器的调制端口。
本发明的基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统及使用方法，在搭建原子气室二向色性稳频系统的基础上，优化设计了该系统的反馈回路，将DAVLL的类色散线型引入激光器的驱动电流中，从而实现激光器的稳频。本发明结合了饱和吸收谱稳频法和原子气室二向色性稳频法，根据半导体激光器电流-频率的影响关系，将原子气室二向色性的类色散线性曲线通过PID调节电路后反馈回激光器的驱动模块上，避免了压电陶瓷的使用，简化了稳频系统的结构，同时在将稳频系统搭建到铯光泵磁力仪系统中，在满足磁力仪的测磁精度基础上，可以有效降低磁力仪的空间复杂度。
附图说明
图1是本发明基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统的构成示意图；
图2是本发明中差分放大模块的电路原理图；
图3是本发明中PID模块的电路原理图。
图中
1：激光驱动器 2：激光二极管温度控制器
3：DBR激光二极管 4：第一光学透镜
5：激光衰减片 6：第一四分之一玻片
7：偏振片 8：铯原子气室
9：通电线圈 10：第二光学透镜
11：第二四分之一玻片 12：PBS分光棱镜
13：第一光电探测器 14：第二光电探测器
15：差分放大模块 16：三角波发生模块
17：PID模块
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统及使用方法做出详细说明。
如图1所示，本发明的基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统，包括激光驱动器1，所述激光驱动器1的输出连接DBR激光二极管3，为DBR激光二极管3提供驱动电流，所述DBR激光二极管3还连接用于提供温度控制的激光二极管温度控制器2，所述DBR激光二极管3发出的激光光路上依次设置有第一光学透镜4、激光衰减片5、第一四分之一玻片6、偏振片7、位于通电线圈9内的充有铯原子的铯原子气室8、第二光学透镜10、第二四分之一玻片11和PBS分光棱镜12，所述PBS分光棱镜12的一路输出通过第一光电探测器13连接反馈回路，所述PBS分光棱镜12的另一路输出通过第二光电探测器14连接反馈回路，所述反馈回路的输出端连接激光驱动器1。
所述的反馈回路包括有依次串联的差分放大模块15和PID模块17，所述差分放大模块15的两个输入端分别连接第一光电探测器13和第二光电探测器14的输出端，所述PID模块17的调制输入端连接三角波发生模块16的输出端，所述PID模块17的输出端连接激光驱动器1。
所述差分放大模块15将第一光电探测器13和第二光电探测器14转化的电压信号做差后按照DBR激光二极管3的电压-电流转换关系，将电压信号转换成电流信号送至PID模块17并反馈回DBR激光二极管3的电流驱动模块，即激光驱动器1，所述三角波发生模块16经过PID模块17调整幅值后送至激光驱动器1。
本发明中，所述DBR激光二极管3的电流电压转换系数为0.1A/V，所述差分放大模块15的增益倍数为10。
本发明中所述的DBR激光二极管是采用Photodigm公司的PH895DBR系列高功率高频率单频DBR激光二极管，主要用于铯原子研究领域。
所述的激光二极管温度控制器选用Newport公司研制的ILX Lightwave LDT-5525B型号的精密热电温度控制器，根据激光二极管出射光波长—温度特性，将激光二极管温度控制器的温度设定为19.5℃。
所述的差分放大模块选用AD8627运算放大器，电路原理图如图2所示。
所述的激光驱动器选用Wavelength公司的MPL250激光器驱动，DAVLL类色散线型经过调制后作为反馈信号反馈到该激光驱动器的引脚2处。
所述的PID模块17的电路原理图如图3所示。
本发明的基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统的使用方法，包括如下步骤：
1)通过调节激光二极管温度控制器2的输出温度，将DBR激光二极管3输出激光的波长调至铯原子D1线λ＝894.5nm处；
2)调节激光驱动器1，使得激光驱动器1的输出电流上限为0.1356A，本发明实施例中实际工作输出电流为0.1301A；
3)将三角波发生模块16的输出端接到PID模块17的调制端口处，通过调节PID模块17，使得三角波发生模块16的输出幅值为1V，实现DBR激光二极管3的频率在铯原子D1线附近从低到高扫描；
4)不断调节通电线圈9外加电流的大小，并用示波器观察差分放大模块15的输出信号，直到示波器上出现鉴频曲线，记住此时通电线圈9外加电流的大小，并保持不变；
5)将差分放大模块15输出的鉴频曲线送至PID模块17，调节PID模块17中的比例积分微分环节，使得鉴频曲线的形状达到设定的曲线形状；
6)断开三角波发生模块16与PID模块17的连接，将经过PID模块17调制后的鉴频曲线送至激光驱动器1的调制端口。
本发明的基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统及使用方法：
1、与现有技术[1]相比，本发明基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统的反馈信号经过PID模块处理后接入激光驱动器上，可利用PID模块将鉴频曲线调节成最理想的线型。
2、与现有技术[2]相比，本发明基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统的应用具有针对性，主要应用于铯光泵磁力仪系统，对激光器及其驱动器的选型都有一定的描述，而且在保证激光器的稳定度满足磁力仪的精度要求情况下，省去了压电陶瓷的引入，简化了系统结构，降低成本。
Claims (4)
1.一种基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统，包括激光驱动器(1)，其特征在于，所述激光驱动器(1)的输出连接DBR激光二极管(3)，为DBR激光二极管(3)提供驱动电流，所述DBR激光二极管(3)还连接用于提供温度控制的激光二极管温度控制器(2)，所述DBR激光二极管(3)发出的激光光路上依次设置有第一光学透镜(4)、激光衰减片(5)、第一四分之一玻片(6)、偏振片(7)、位于通电线圈(9)内的充有铯原子的铯原子气室(8)、第二光学透镜(10)、第二四分之一玻片(11)和PBS分光棱镜(12)，所述PBS分光棱镜(12)的一路输出通过第一光电探测器(13)连接反馈回路，所述PBS分光棱镜(12)的另一路输出通过第二光电探测器(14)连接反馈回路，所述反馈回路的输出端连接激光驱动器(1)。
2.根据权利要求1所述的基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统，其特征在于，所述的反馈回路包括有依次串联的差分放大模块(15)和PID模块(17)，所述差分放大模块(15)的两个输入端分别连接第一光电探测器(13)和第二光电探测器(14)的输出端，所述PID模块(17)的调制输入端连接三角波发生模块(16)的输出端，所述PID模块(17)的输出端连接激光驱动器(1)。
3.根据权利要求2所述的基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统，其特征在于，所述DBR激光二极管(3)的电流电压转换系数为0.1A/V，所述差分放大模块(15)的增益倍数为10。
4.一种权利要求1所述的基于铯光泵磁力仪的激光稳频系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)通过调节激光二极管温度控制器(2)的输出温度，将DBR激光二极管(3)输出激光的波长调至铯原子D1线λ＝894.5nm处；
2)调节激光驱动器(1)，使得激光驱动器(1)的输出电流上限为0.1356A；
3)将三角波发生模块(16)的输出端接到PID模块(17)的调制端口处，通过调节PID模块(17)，使得三角波发生模块(16)的输出幅值为1V，实现DBR激光二极管(3)的频率在铯原子D1线附近从低到高扫描；
4)不断调节通电线圈(9)外加电流的大小，并用示波器观察差分放大模块(15)的输出信号，直到示波器上出现鉴频曲线，记住此时通电线圈(9)外加电流的大小，并保持不变；
5)将差分放大模块(15)输出的鉴频曲线送至PID模块(17)，调节PID模块(17)中的比例积分微分环节，使得鉴频曲线的形状达到设定的曲线形状；
6)断开三角波发生模块(16)与PID模块(17)的连接，将经过PID模块(17)调制后的鉴频曲线送至激光驱动器(1)的调制端口。
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