CN110911963B - 一种高稳定性的偏振光谱稳频装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光稳频技术领域，具体为适用于偏振光谱稳频的一种高稳定性的偏振光谱稳频装置。本发明解决了现有偏振光谱稳频技术中鉴频曲线（或偏振光谱）线型易受到输出激光功率波动、光学元件振动和激光偏振变化影响的问题，通过反馈电路稳定偏振光谱中需要探测的两束弱光光强，使每次稳频时鉴频曲线线型一样，提高了偏振光谱锁频的绝对精度。一种高稳定性的偏振光谱稳频装置，包括半导体激光器、整形棱镜、二分之一波片、偏振分光棱镜（偏振分光棱镜）、凸透镜、声光调制器、射频信号发生器、功率放大器、四分之一波片、反射镜、单通道光电探测器、原子蒸汽泡、挡光块、平衡光电探测器、反馈电路。

Description

一种高稳定性的偏振光谱稳频装置
技术领域
本发明涉及激光稳频技术领域，具体是适用于偏振光谱稳频的一种高稳定性的偏振光谱稳频装置。
背景技术
随着激光技术的快速发展，激光器在精密测量、激光通信、激光雷达和冷原子钟的诸多领域得到了广泛应用。激光器输出激光频率的稳定性是一个极其重要的指标，激光稳频成为激光技术的重要研究内容，在科学研究与应用领域中发挥着至关重要的作用。一般情况下，激光器在受到周围环境影响时，如环境温度和机械振动等，会使激光器的谐振腔和工作电流发生变化，导致激光器输出激光频率不稳定。当前用于稳定激光频率的主要方法有饱和吸收光谱稳频、偏振光谱稳频、法布里-珀罗腔稳频和锁相环稳频等。这里，偏振光谱稳频技术是基于原子吸收线稳频技术发展起来的无调制稳频方法，不需要对激光器的驱动电流进行调制。相比于需要调制的饱和吸收光谱稳频技术，偏振光谱技术提高了激光频率的锁定精度，被广泛应用于高分辨原子分子光谱、精密测量、原子干涉仪和冷原子钟的研究。然而，激光器输出激光功率的波动、光学元件的微振动和激光偏振的微小变化都会对偏振光谱中需探测的两束弱光光强造成很大影响，引起鉴频曲线（或偏振光谱）线型变化，从而影响锁频结果。因此，若能稳定偏振光谱中最终入射到平衡光电探测器两束弱光的光强，不但能使每次稳频时鉴频曲线线型保持一样，还能保证每次激光频率锁定的绝对精度。基于此，需要发明一种产生稳定偏振光谱的装置，以解决现阶段被用于偏振光谱稳频的激光光强不稳定引起鉴频曲线线型不稳定的问题。
发明内容
本发明为了解决现有被用于偏振光谱稳频的激光光强不稳定引起鉴频曲线线型变化的问题，提供了适用于偏振光谱稳频的一种产生稳定偏振光谱的装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种高稳定性的偏振光谱稳频装置，其特征在于，包括：半导体激光器、整形棱镜、第一二分之一波片、第一偏振分光棱镜、第二二分之一波片、第二偏振分光棱镜、第一透镜、声光晶体、第二透镜、第一挡光板、第一四分之一波片、第一反射镜、第二挡光板、射频信号发生器、功率放大器、第二反射镜、第三二分之一波片、第三偏振分光棱镜、第三反射镜、第四二分之一波片、原子蒸汽玻璃泡、第三挡光板、第五二分之一波片、第四偏振分光棱镜、第二四分之一波片、第四反射镜、第五偏振分光棱镜、第五反射镜、平衡光电探测器和反馈电路；
其中，半导体激光器输出激光经整形棱镜后，射入由第一二分之一波片和第一偏振分光棱镜组成的分光光路；第一偏振分光棱镜一侧设有由第二二分之一波片、第二偏振分光棱镜和双次通过声光调制器组成的光路，其中双次通过声光调制器光路由第一透镜、声光晶体、第二透镜、第一挡光板、第一四分之一波片、第一反射镜、第二挡光板、射频信号发生器和功率放大器依次连接组成；激光从第二偏振分光棱镜射出后，射入第二反射镜、第三二分之一波片和偏振光谱光路，所述的偏振光谱光路由第三偏振分光棱镜、第三反射镜、第四二分之一波片、原子蒸汽玻璃泡、第三挡光板、第二四分之一波片、第四反射镜、第五偏振分光棱镜、第五反射镜、平衡光电探测器依序连接组成；第三偏振分光棱镜的反射光作为弱探测光，在进入原子蒸汽玻璃泡前通过由第五二分之一波片和第四偏振分光棱镜构成的分光光路，第四偏振分光棱镜的反射光经第六反射镜耦合到单通道光电探测器中，单通道光电探测器的输出电压接入到反馈电路，被用于稳定偏振光谱的线型；所述反馈电路包括由第一电阻R1、第二电阻R3、第三电阻R4、第四电阻R5、第一电位器R2和第一运放U1构成的加法器及由第二电位器R6、第三电位器R7、电容C1和第二运放U2构成的比例、积分电路，单通道光电探测器的输出电压输入到反馈电路的第一电阻R1。
区别于现有技术，本发明提供了一种高稳定性的偏振光谱稳频装置，包括半导体激光器、整形棱镜、二分之一波片、偏振分光棱镜（偏振分光棱镜）、凸透镜、声光调制器、射频信号发生器、功率放大器、四分之一波片、反射镜、单通道光电探测器、原子蒸汽泡、挡光块、平衡光电探测器、反馈电路。本发明解决了现有偏振光谱稳频技术中鉴频曲线（或偏振光谱）线型易受到输出激光功率波动、光学元件振动和激光偏振变化影响的问题，通过反馈电路稳定偏振光谱中需要探测的两束弱光光强，使每次稳频时鉴频曲线线型一样，提高了偏振光谱锁频的绝对精度。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
图2是本发明的反馈电路示意图。
具体实施方式
参阅图1，一种高稳定性的偏振光谱稳频装置，包括：半导体激光器1、整形棱镜2、第一二分之一波片3、第一偏振分光棱镜4、第二二分之一波片5、第二偏振分光棱镜6、第一透镜7、声光晶体8、第二透镜9、第一挡光板10、第一四分之一波片11、第一反射镜12、第二挡光板13、射频信号发生器14、功率放大器15、第二反射镜16、第三二分之一波片17、第三偏振分光棱镜18、第三反射镜19、第四二分之一波片20、原子蒸汽玻璃泡21、第三挡光板22、第五二分之一波片23、第四偏振分光棱镜24、第二四分之一波片25、第四反射镜26、第五偏振分光棱镜27、第五反射镜28、平衡光电探测器29和反馈电路；
其中，半导体激光器1输出激光经整形棱镜2后，射入由第一二分之一波片3和第一偏振分光棱镜4组成的分光光路；第一偏振分光棱镜4一侧设有由第二二分之一波片5、第二偏振分光棱镜6和双次通过声光调制器组成的光路，其中双次通过声光调制器光路由第一透镜7、声光晶体8、第二透镜9、第一挡光板10、第一四分之一波片11、第一反射镜12、第二挡光板13、射频信号发生器14和功率放大器15依次连接组成；激光从第二偏振分光棱镜6射出后，射入第二反射镜16、第三二分之一波片17和偏振光谱光路，所述的偏振光谱光路由第三偏振分光棱镜18、第三反射镜19、第四二分之一波片20、原子蒸汽玻璃泡21、第三挡光板22、第二四分之一波片25、第四反射镜26、第五偏振分光棱镜27、第五反射镜28、平衡光电探测器29依序连接组成；第三偏振分光棱镜18的反射光作为弱探测光，在进入原子蒸汽玻璃泡21前通过由第五二分之一波片23和第四偏振分光棱镜24构成的分光光路，第四偏振分光棱镜24的反射光经第六反射镜30耦合到单通道光电探测器31中，单通道光电探测器31的输出电压接入到反馈电路，被用于稳定偏振光谱的线型；所述反馈电路包括由第一电阻R1、第二电阻R3、第三电阻R4、第四电阻R5、第一电位器R2和第一运放U1构成的加法器及由第二电位器R6、第三电位器R7、电容C1和第二运放U2构成的比例、积分电路，单通道光电探测器31的输出电压输入到反馈电路的第一电阻R1。，如图2所示。
工作时，一台半导体激光器1输出的激光束通过整形棱镜2后获得质量较好的光斑，然后依次通过第一二分之一波片3、第一偏振分光棱镜4，调节第一二分之一波片3使一小部分非常弱的激光经第一偏振分光棱镜4反射进入第二二分之一波片5。调节第二二分之一波片5，将激光束全部经第二偏振分光棱镜6反射进入由第一透镜7、声光调制器8、第二透镜9、第一四分之一波片11和第一反射镜12依次组成的双次通过声光调制器光路。所述的第一透镜7和第二透镜9的间距等于两者焦距之和，且声光调制器8被置于第一透镜7和第二透镜9的焦点处。激光第一次通过声光调制器8后，利用第一挡光板10挡住零级光，负一级光经第二透镜9后穿过第一四分之一波片11被第一反射镜12反射并沿原路返回；被反射的负一级光再次通过声光调制器8，本次的零级光（即负一级光）被第二挡光板13挡住，而本次的负一级光（即负二级光）通过第一透镜7后入射到第二偏振分光棱镜6；通过调节第一四分之一波片11，将第二偏振分光棱镜6透射出来的负二级激光的效率提高至50%以上。随后，采用第二反射镜16将双次通过声光调制器8后的激光耦合到偏振光谱的光路。通过调节第三二分之一波片17，将第三偏振分光棱镜18的反射激光光强和透射激光光强之比调节为1:20，其中强光被第三反射镜19反射后经过第四二分之一波片20斜入射到原子蒸汽泡21，采用第三挡光板22将从原子蒸汽泡21射出来的强光挡住；弱光则依次经过第五二分之波片23、第四偏振分光棱镜24、原子蒸汽泡21、第三四分之一波片25、第四反射镜26后入射到第五偏振分光棱镜27，其透射激光直接进入平衡探测器29的一个光电二极管，而反射光则通过第五反射镜28耦合到平衡探测器29的另一个光电二极管。这里，强光和弱光都通过了原子蒸汽泡21，并在蒸汽泡内相交于一点，实现偏振光谱锁频技术中圆偏振的强光和线偏振的弱光同时作用；弱光经过原子蒸汽泡后通过第二四分之一波片25将分解的左、右旋圆偏振光变为偏振方向不同的线偏振光，经第四反射镜26耦合到第五偏振分光棱镜27并被平衡光电探测器29探测；弱光在进入原子蒸汽泡21前，采用第五二分之一波片23和第四偏振分光棱镜24将弱光中的一小部分从第四偏振分光棱镜24反射出来，经第六反射镜30耦合到单通道光电探测器31中，，单通道光电探测器31的输出电压接入到反馈电路，被用于稳定偏振光谱的线型，即每次获得的误差曲线都一样。
进一步地，还包括反馈电路、射频信号发生器14和功率放大器15。将单通道光电探测器的输出电压信号通过反馈电路中的第一电阻R1加载到第一运放U1的负输入端，第一电位器R2的输出信号则通过第二电阻R3加载到第一运放U1的负输入端，经过由第一电阻R1、第二电阻R3、第三电阻R4、第四电阻R5及第一运放U1构成的加法器后，获得反馈误差信号。将第一运放U1输出的误差信号通过第二电位器R6输入到第二运放U2的负输入端，经由第二电位器R6、第三电位器R7、电容C1及第二运放U2构成的比例、积分电路，得到可以反馈电压信号。将第二运放U2输出的反馈信号加载到射频信号发生器14的幅值调节端口，而射频信号发生器14产生的射频信号则通过功率放大器15后加载到声光调制器8的晶体上。调节第一电位器的输出电压，通过反馈电路及本发明所述的高稳定性偏振光谱稳频装置，可以将用于产生偏振光谱的部分激光光强稳定到一定值，确保了每次都能获得相同的鉴频曲线，提高了激光频率稳定的绝对精度。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种高稳定性的偏振光谱稳频装置，其特征在于，包括：半导体激光器（1）、整形棱镜（2）、第一二分之一波片（3）、第一偏振分光棱镜（4）、第二二分之一波片（5）、第二偏振分光棱镜（6）、第一透镜（7）、声光晶体（8）、第二透镜（9）、第一挡光板（10）、第一四分之一波片（11）、第一反射镜（12）、第二挡光板（13）、射频信号发生器（14）、功率放大器（15）、第二反射镜（16）、第三二分之一波片（17）、第三偏振分光棱镜（18）、第三反射镜（19）、第四二分之一波片（20）、原子蒸汽玻璃泡（21）、第三挡光板（22）、第五二分之一波片（23）、第四偏振分光棱镜（24）、第二四分之一波片（25）、第四反射镜（26）、第五偏振分光棱镜（27）、第五反射镜（28）、平衡光电探测器（29）和反馈电路；
其中，半导体激光器（1）输出激光经整形棱镜（2）后，射入由第一二分之一波片（3）和第一偏振分光棱镜（4）组成的分光光路；第一偏振分光棱镜（4）一侧设有由第二二分之一波片（5）、第二偏振分光棱镜（6）和双次通过声光调制器组成的光路，其中双次通过声光调制器光路由第一透镜（7）、声光晶体（8）、第二透镜（9）、第一挡光板（10）、第一四分之一波片（11）、第一反射镜（12）、第二挡光板（13）依次连接组成；激光从第二偏振分光棱镜（6）射出后，射入第二反射镜（16）、第三二分之一波片（17）和偏振光谱光路，所述的偏振光谱光路由第三偏振分光棱镜（18）、第三反射镜（19）、第四二分之一波片（20）、原子蒸汽玻璃泡（21）、第三挡光板（22）、第五二分之一波片（23）、第四偏振分光棱镜（24）、第二四分之一波片（25）、第四反射镜（26）、第五偏振分光棱镜（27）、第五反射镜（28）、平衡光电探测器（29）依序连接组成；激光入射到第四偏振分光棱镜（24）时，大部分进入原子蒸汽玻璃泡（21），出射后经过由第二四分之一波片（25）、第四反射镜（26）、第五偏振分光棱镜（27）、第五反射镜（28）组成的光路分光并被平衡光电探测器（29）探测，而反射光经第六反射镜（30）耦合到单通道光电探测器（31）中，被用于稳定偏振光谱的误差信号射入反馈电路；所述反馈电路包括由第一电阻R1、第二电阻R3、第三电阻R4、第四电阻R5、第一电位器R2和第一运放U1构成的加法器及由第二电位器R6、第三电位器R7、电容C1和第二运放U2构成的比例、积分电路，其中单通道光电探测器（31）输出的电压信号通过BNC线接入到反馈电路第一电阻R1的输入端。
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