CN110867720A - 一种小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统及方法。本发明采用双激光器结构，尺寸为50mm×25mm×20mm；成本低，在6000元人民币量级；采用VCSEL激光器控制频率，通过电流调制(调制频率连续可调)可调出两个边带，即可做到在两倍10GHz的大范围内连续调谐频率，调制信号线宽为赫兹量级，激光线宽为兆赫兹量级，调制信号对激光线宽的增宽可忽略；通过改变调制信号频率就能对激光器进行调谐且不影响其稳定性；单模激光器输出功率高，成本低，易获得；整个激光器系统由零温漂微晶玻璃实现，可靠性高；本发明的方法可以广泛应用在激光精密测量、原子钟、原子干涉仪以及超冷原子实验技术研究等基础研究和精密测量技术领域。

Description

一种小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统及方法
技术领域
本发明涉及光电子技术，具体涉及一种小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统及方法。
背景技术
在原子干涉仪、原子重力仪、原子陀螺仪以及原子、分子操控的基础实验研究中，稳频激光器是不可或缺的装置，此类激光器需要具有以下特性：1.具有GHz调谐范围且可锁定在调谐范围内所有频点；2.相对频率稳定性优于10-10；3.输出功率百毫瓦量级。
通常，稳频激光器可锁定在光学谐振腔基准或原子、分子频率基准上。光学谐振腔受温度变化和应力释放影响，相对漂移可能大于10-10；锁定在原子、分子频率基准上的稳频激光器只能锁定在几个固定共振频率点，需要使用外置的调制器辅助完成调谐，例如声光调制器、电光调制器等。
满足上述应用的现有小型化激光器解决方案有：1.外腔半导体激光器，此类激光器结构复杂，受温度和震动影响较大，易失锁，可靠性低，成本在16000元人民币量级，尺寸在150mm×100mm×120mm量级；2.DFB激光器，DFB激光器线宽在兆赫兹量级，所以不需要外腔进一步压缩线宽，受震动影响较小，可靠性好，成本在23000元人民币量级，尺寸在40mm×40mm×70mm量级。这两种激光器都不能独立实现调谐范围内所有频点可锁定。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统及方法，此激光器系统尺寸为50mm×25mm×20mm，成本为6000元人民币量级，能在其调谐范围内任意频率点锁定，频率稳定性优于10-10，且输出功率可达到百毫瓦量级。
本发明的一个目的在于提出一种小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统。
本发明的小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统包括：调制信号、垂直腔面发射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)激光器、单模激光器、光纤、原子气室、光电探测器以及第一至第四分光镜片；其中，调制信号加载在VCSEL激光器的电源上，对VCSEL激光器的电流进行调制，从而输出种子光，种子光具有一个载波和两个边带，载波和边带的频率差等于调制信号的频率；VCSEL激光器输出的种子光经过第一分光镜片分成两束，反射光束经过透镜耦合进光纤，透射光束穿过自由空间，两束光束在第二分光镜片合束，由于具有光程差而形成自差拍频信号，将种子光的线宽从百兆赫兹量级压缩至兆赫兹量级；合束光经第二分光镜片分成两束，一束光透过第三分光镜片作为泵浦光进入原子气室，利用原子气室自身的后窗片反射光作为探测光，原子气室内产生饱和吸收光谱，此饱和吸收光谱在原子共振频点及原子共振频点加上调制信号频率的频点上都有透射峰；探测光沿原路返回再次经过第三分光镜片反射进入光电探测器，光电探测器探测饱和吸收光谱，得到透射峰的位置，反馈给VCSEL激光器的电源，进行激光中心频率锁定，饱和吸收光谱的透射峰处都能进行激光中心频率锁定；经第二分光镜片的另一束光经第四分光镜片反射后进入单模激光器，对单模激光器进行注入锁定，通过调节单模激光器的温度和电流进行选模，使单模激光器的频率等于VCSEL激光器的载波的频率，抑制所有其他模式；单模激光器输出选模后的激光，透过第四分光镜片输出激光。
调制信号的频率在10MHz～10GHz连续可调，所以VCSEL激光器锁定后能够在两倍10GHz范围内连续调谐。单模激光器的输出功率为百毫瓦量级的激光。
单模激光器采用小型化激光器，采用G封装单模激光器或C封装单模激光器。
原子气室自身的后窗片为凹透镜，凹透镜的焦距为原子气室的长度的一半，从而减少光反馈。
第一至第三分光镜片采用分光平片，第四分光镜片采用偏振分束棱镜。
本发明的另一个目的在于提供一种小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统的控制方法。
本发明的小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统的控制方法，包括以下步骤：
1)将调制信号加载在VCSEL激光器的电源上，对VCSEL激光器的电流进行调制，从而输出种子光，种子光具有一个载波和两个边带，载波和边带的频率差等于调制信号的频率；
2)VCSEL激光器输出的种子光经过第一分光镜片分成两束，反射光束经过透镜耦合进光纤，透射光束穿过自由空间，两束光束在第二分光镜片合束，由于具有光程差而形成自差拍频信号，自差拍频信号中包含激光的相位噪声，自差拍频信号与调制信号产生的鉴相信号反馈给VCSEL激光器，调整其频率，将种子光的线宽从百兆赫兹量级压缩至兆赫兹量级；
3)合束光经第二分光镜片分成两束，一束光透过第三分光镜片作为泵浦光进入原子气室，利用原子气室自身的后窗片反射光作为探测光，原子气室内产生饱和吸收光谱，此饱和吸收光谱在原子共振频点及原子共振频点加上调制信号频率的频点上都有透射峰；
4)探测光沿原路返回再次经过第三分光镜片反射进入光电探测器，光电探测器探测饱和吸收光谱，得到透射峰的位置，反馈给VCSEL激光器的电源，进行激光中心频率锁定，饱和吸收光谱的透射峰处都能进行激光中心频率锁定，饱和吸收光谱的透射峰对应的频率为原子超精细能级间跃迁频率偏移调制信号频率，由于调制信号频率连续可调，所以VCSEL激光器锁定后能够在两倍的最大调制信号频率10GHz范围内连续调谐；
5)经第二分光镜片的另一束光经偏振分束棱镜反射后进入单模激光器，对单模激光器进行注入锁定，通过调节单模激光器的温度和电流进行选模，使单模激光器的频率等于VCSEL激光器的载波的频率，抑制所有其他模式；
6)单模激光器输出选模后的激光，透过第四分光镜片输出激光。
在步骤1)中，调制信号频率在10MHz～10GHz范围内连续可调。
在步骤4)中，由于调制信号频率在10MHz～10GHz范围内连续可调，所以VCSEL激光器锁定后能够在两倍的最大调制信号频率10GHz范围内连续调谐。
本发明的小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统的工作原理：1.由于VCSEL激光器的管芯尺寸小，结电容小，频率在10GHz范围内的调制信号能够加载到激光器上；2.VCSEL激光器的线宽在百兆赫兹量级，而原子饱和谱线宽低于十兆赫兹，所以需要压窄激光线宽；3.VCSEL激光器输出功率在毫瓦量级，所以需要利用注入锁定实现百毫瓦量级功率的激光输出；4.VCSEL激光器经电流调频后除中心频率外会产生两个边带，边带也与原子共振并产生饱和吸收光谱，且其频率直接取决于可以连续调整的电流调制频率，因此饱和吸收光谱透射峰可以做到无缝覆盖光谱，这样改变频率时激光在很大范围内任何一个频点都能够锁定；5.注入锁定时，调节单模激光器的温度和电流能够抑制所有其他边带使载波在竞争中胜出，此激光器最终输出单模、频率可大范围调谐且被锁定的激光。
本发明的优点：
本发明1.采用双激光器结构，尺寸为50mm×25mm×20mm；2.成本低，在6000元人民币量级；3.采用VCSEL激光器控制频率，通过电流调制(调制频率连续可调)可调出两个边带，即可做到在两倍10GHz的大范围内连续调谐频率，调制信号线宽为赫兹量级，激光线宽为兆赫兹量级，调制信号对激光线宽的增宽可忽略；4.通过改变调制信号频率就能对激光器进行调谐且不影响其稳定性；5.单模激光器输出功率高，成本低，易获得；6.整个激光器系统由零温漂微晶玻璃实现，可靠性高；本发明的方法可以广泛应用在激光精密测量、原子钟、原子干涉仪以及超冷原子实验技术研究等基础研究和精密测量技术领域。
附图说明
图1为本发明的小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器的一个实施例的光路原理框图；
图2为本发明的小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器的一个实施例的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器包括：调制信号、VCSEL激光器、G封装单模激光器、光纤、原子气室、光电探测器、第一至第三分光平片M1～M3和偏振分束棱镜M4；其中，调制信号加载在VCSEL激光器的电源上，调制信号的频率在10MHz～10GHz连续可调，对VCSEL激光器的电流进行调制，从而输出种子光，种子光具有一个载波和两个边带，载波和边带的频率差等于调制信号的频率；VCSEL激光器输出的种子光经过第一分光平片M1分成两束，反射光束经过透镜耦合进光纤，透射光束穿过自由空间，两束光束在第二分光平片M2合束，由于具有光程差而形成自差拍频信号，自差拍频信号中包含激光的相位噪声，自差拍频信号与调制信号产生的鉴相信号反馈给VCSEL激光器，调整其频率，将种子光的线宽从百兆赫兹量级压缩至兆赫兹量级；合束光经第二分光平片分成两束，一束光透过第三分光平片M3作为泵浦光进入原子气室，利用原子气室自身的后窗片反射光作为探测光，原子气室内产生饱和吸收光谱，此饱和吸收光谱在原子共振频点及原子共振频点加上调制信号频率的频点上都有透射峰；探测光沿原路返回再次经过第三分光平片反射进入光电探测器，光电探测器探测饱和吸收光谱，得到透射峰的位置，反馈给VCSEL激光器的电源，进行激光中心频率锁定，饱和吸收光谱的透射峰处都能进行激光中心频率锁定，饱和吸收光谱的透射峰对应的频率为原子超精细能级间跃迁频率偏移调制信号频率，由于调制信号频率在10MHz～10GHz范围内连续可调，所以VCSEL激光器锁定后能够在两倍10GHz范围内连续调谐；经第二分光平片的另一束光经偏振分束棱镜M4反射后进入G封装单模激光器，对G封装单模激光器进行注入锁定，通过调节G封装单模激光器的温度和电流进行选模，使G封装单模激光器的频率等于VCSEL激光器的载波的频率，抑制所有其他模式；G封装单模激光器输出选模后的激光，透过偏振分束棱镜输出激光，G封装单模激光器输出功率为百毫瓦量级的激光。
如图2所示，本实施例的小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统整体尺寸为：长50mm，宽25mm，高20mm。VCSEL激光器和G封装单模激光器尺寸均在毫米量级；原子气室直径12mm，长15mm；激光器、光纤、分光镜片、原子气室、光电探测器均固定在零温漂微晶玻璃上。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统，其特征在于，所述激光器系统包括：调制信号、垂直腔面发射VCSEL激光器、单模激光器、光纤、原子气室、光电探测器以及第一至第四分光镜片；其中，调制信号加载在VCSEL激光器的电源上，对VCSEL激光器的电流进行调制，从而输出种子光，种子光具有一个载波和两个边带，载波和边带的频率差等于调制信号的频率；VCSEL激光器输出的种子光经过第一分光镜片分成两束，反射光束经过透镜耦合进光纤，透射光束穿过自由空间，两束光束在第二分光镜片合束，由于具有光程差而形成自差拍频信号，将种子光的线宽从百兆赫兹量级压缩至兆赫兹量级；合束光经第二分光镜片分成两束，一束光透过第三分光镜片作为泵浦光进入原子气室，利用原子气室自身的后窗片反射光作为探测光，原子气室内产生饱和吸收光谱，此饱和吸收光谱在原子共振频点及原子共振频点加上调制信号频率的频点上都有透射峰；探测光沿原路返回再次经过第三分光镜片反射进入光电探测器，光电探测器探测饱和吸收光谱，得到透射峰的位置，反馈给VCSEL激光器的电源，进行激光中心频率锁定，饱和吸收光谱的透射峰处都能进行激光中心频率锁定；经第二分光镜片的另一束光经第四分光镜片反射后进入单模激光器，对单模激光器进行注入锁定，通过调节单模激光器的温度和电流进行选模，使单模激光器的频率等于VCSEL激光器的载波的频率，抑制所有其他模式；单模激光器输出选模后的激光，透过第四分光镜片输出激光。
2.如权利要求1所述的激光器系统，其特征在于，所述调制信号的频率在10MHz～10GHz连续可调。
3.如权利要求2所述的激光器系统，其特征在于，所述VCSEL激光器锁定后能够在两倍10GHz范围内连续调谐。
4.如权利要求1所述的激光器系统，其特征在于，所述单模激光器的输出功率为百毫瓦量级的激光。
5.如权利要求1所述的激光器系统，其特征在于，所述单模激光器采用小型化激光器，采用G封装单模激光器或C封装单模激光器。
6.如权利要求1所述的激光器系统，其特征在于，所述第一至第三分光镜片采用分光平片，所述第四分光镜片采用偏振分束棱镜。
7.一种小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
1)将调制信号加载在VCSEL激光器的电源上，对VCSEL激光器的电流进行调制，从而输出种子光，种子光具有一个载波和两个边带，载波和边带的频率差等于调制信号的频率；
2)VCSEL激光器输出的种子光经过第一分光镜片分成两束，反射光束经过透镜耦合进光纤，透射光束穿过自由空间，两束光束在第二分光镜片合束，由于具有光程差而形成自差拍频信号，自差拍频信号中包含激光的相位噪声，自差拍频信号与调制信号产生的鉴相信号反馈给VCSEL激光器，调整其频率，将种子光的线宽从百兆赫兹量级压缩至兆赫兹量级；
3)合束光经第二分光镜片分成两束，一束光透过第三分光镜片作为泵浦光进入原子气室，利用原子气室自身的后窗片反射光作为探测光，原子气室内产生饱和吸收光谱，此饱和吸收光谱在原子共振频点及原子共振频点加上调制信号频率的频点上都有透射峰；
4)探测光沿原路返回再次经过第三分光镜片反射进入光电探测器，光电探测器探测饱和吸收光谱，得到透射峰的位置，反馈给VCSEL激光器的电源，进行激光中心频率锁定，饱和吸收光谱的透射峰处都能进行激光中心频率锁定，饱和吸收光谱的透射峰对应的频率为原子超精细能级间跃迁频率偏移调制信号频率，由于调制信号频率连续可调，所以VCSEL激光器锁定后能够在两倍的最大调制信号频率10GHz范围内连续调谐；
5)经第二分光镜片的另一束光经偏振分束棱镜反射后进入单模激光器，对单模激光器进行注入锁定，通过调节单模激光器的温度和电流进行选模，使单模激光器的频率等于VCSEL激光器的载波的频率，抑制所有其他模式；
6)单模激光器输出选模后的激光，透过第四分光镜片输出激光。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在步骤1)中，调制信号频率在10MHz～10GHz范围内连续可调。
9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在步骤4)中，由于调制信号频率在10MHz～10GHz范围内连续可调，所以VCSEL激光器锁定后能够在两倍的最大调制信号频率10GHz范围内连续调谐。
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