CN111224310A - 一种单纵模中红外opo激光器的锁频系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于单纵模中红外光参量振荡器的锁频系统及方法。该系统为单纵模中红外光参量振荡器设计，由超稳氦氖激光器、法布里波罗干涉腔、分光镜、光电探测器、压电陶瓷促动器、压电陶瓷驱动器、数据采集卡及存储有相应程序的计算机组成。工作时氦氖激光与被锁定闲频光同轴入射到法布里波罗干涉腔内，由于波长与干涉腔的腔长存在匹配关系，出射光强度会随着腔长变化而变化。氦氖激光波长已知，可作为波长校正标准，对腔长进行扫描，根据氦氖信号得知单纵模中红外光参量振荡器输出的光对应的波长，以此为依据运算得到所需腔长偏移量，通过压电陶瓷驱动器驱动压电陶瓷促动器进行修正，该系统可实现被锁单纵模中红外光参量振荡器波长的稳定。

Description

一种单纵模中红外OPO激光器的锁频系统及方法

技术领域

本发明属于光电技术及控制技术领域，涉及一种单纵模中红外OPO激光器的锁频系统及方法。

背景技术

自从1960年世界上第一台红宝石激光器问世，50多年来，激光技术发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如激光加工技术、激光检测与计量技术、激光光谱分析技术、非线性光学、超快激光学、激光化学、激光雷达等。为了适应不同的需求，激光器也向着更高能量，更宽覆盖波长，更窄线宽，更短脉宽等方向发展。

中红外激光位于大气窗口，该波段激光对大雾烟尘等具有较强穿透力，在大气污染探测和激光遥感等领域具有广泛的用途，同时在光通信、光化学、同等不同位素分类等不同行业都有非常重要的应用，是国内外激光领域研究热点之一。但由于波长比较特殊，中红外激光器种类一直比较少，包括光学参量震荡器即OPO，量子级联激光器，CO₂激光器。其中只有单纵模OPO结构简单、转化效率高、光束质量好、稳定性强，成为中红外激光器的首选。但在实际使用过程中，由于OPO本身容易受到使用环境的影响，OPO输出的激光模式并不能保持一直稳定，这为实际使用带来了不便。

发明内容

针对上述问题，为了使单纵模中红外OPO激光器被稳定的使用，发挥应有的作用，本发明设计了一种单纵模中红外OPO激光器的锁频方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种单纵模中红外OPO激光器的锁频系统，包括：单纵模中红外光参量振荡器、超稳氦氖激光器、法布里波罗干涉腔、分光镜、光电探测器、压电陶瓷驱动器、压电陶瓷促动器、数据采集卡及存储有执行程序的计算机；

单纵模中红外光参量振荡器接收OPO泵浦光源、输出单纵模中红外信号光和闲频光；超稳氦氖激光器输出氦氖激光；氦氖激光与闲频光同轴入射到法布里波罗干涉腔内，法布里波罗干涉腔的输出光经过分光镜后分别被两个光电探测器检测输出闲频光检测信号、氦氖激光检测信号，再经过数据采集卡发送至计算机；

计算机输出两路信号给两个压电陶瓷驱动器，分别控制设置在法布里波罗干涉腔一侧的压电陶瓷促动器、设置在单纵模中红外光参量振荡器上的压电陶瓷促动器工作，改变法布里波罗干涉腔和单纵模中红外光参量振荡器的腔长。

所述单纵模中红外光参量振荡器包括：泵浦光输入镜、腔镜、闲频光输出镜、信号光输出镜、非线性效应晶体构成振荡腔；腔镜的镜架上安装有用于调节振荡腔腔长的压电陶瓷促动器；泵浦光为1064nm的单纵模激光。

所述氦氖激光与闲频光同轴入射到法布里波罗干涉腔内，是通过多个设置在氦氖激光与闲频光的光路上的反射镜、合束镜构成的调节光路来完成的。

所述法布里波罗干涉腔包括：2个用于构成振荡腔的腔镜，腔镜内侧为凹面且镀有对闲频光所在波段和氦氖激光的高反射率镀膜，外侧为平面且镀有对闲频光所在波段和氦氖光的高透光率增透膜。

所述光电探测器能够分别探测600nm-700nm的可见光、2000nm-5000nm的中波段红外光，并在不同的光强下输出不同幅值的模拟信号。

所述数据采集板卡，将闲频光检测信号、氦氖激光检测信号转换成数字信号输出给计算机。

所述压电陶瓷促动器在压电陶瓷驱动器的驱动下产生位移，推动腔镜产生同样的位移，从而调节了振荡腔的长度。

一种利用权利要求1所述的单纵模中红外OPO激光器的锁频系统的锁频方法，包括以下步骤：

启动超稳氦氖激光器输出氦氖激光，启动泵浦光源输出泵浦光至单纵模中红外光参量振荡器后输出单纵模中红外信号光和闲频光；氦氖激光与闲频光同轴入射到法布里波罗干涉腔内；

计算机输出控制信号实时改变法布里波罗干涉腔的腔长，根据检测的闲频光检测信号、氦氖激光检测信号得到闲频光检测信号的准确波长；

计算机计算单纵模中红外光参量振荡器腔长的变化量，输出控制信号改变单纵模中红外光参量振荡器腔长，从而调节单纵模中红外信号光的输出波长。

所述计算机输出控制信号实时改变法布里波罗干涉腔的腔长，根据检测的闲频光检测信号、氦氖激光检测信号得到闲频光检测信号的准确波长，包括：

计算机输出信号使压电陶瓷驱动器控制压电陶瓷促动器实时改变法布里波罗干涉腔的腔长，接收光电探测器输出的闲频光检测信号、氦氖激光检测信号，得到氦氖激光检测信号的周期变化曲线、闲频光检测信号的周期变化曲线，以以氦氖激光检测信号的峰值间隔标定闲频光检测信号的峰值间隔，从而得到闲频光检测信号的准确波长。

所述计算机计算单纵模中红外光参量振荡器腔长的变化量，输出控制信号改变单纵模中红外光参量振荡器腔长，从而调节单纵模中红外信号光的输出波长，包括：

计算机根据闲频光检测信号的准确波长与预期设定波长的差值，得到单纵模中红外光参量振荡器腔长的变化量，输出对应的控制电压给压电陶瓷驱动器控制压电陶瓷促动器产生位移，改变单纵模中红外光参量振荡器内振荡腔的腔长，从而调节单纵模中红外信号光的输出波长。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.实现1MHz级别的频率稳定；

2.稳定时间可达到8小时以上；

3.响应迅速，稳定过程快。

附图说明

图1是本发明的系统结构原理图；

图2是单纵模中红外光参量震荡器详细示意图；

图3是法布里波罗干涉腔详细示意图；

图4是氦氖激光检测信号-法布里波罗干涉腔扫描电压信号的周期变化曲线、闲频光检测信号-法布里波罗干涉腔扫描电压信号的周期变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的用于单纵模中红外光参量振荡器锁频系统，由光路系统和控制系统两大部分组成。该锁频系统为单纵模中红外光参量振荡器设计使用，由超稳氦氖激光器、法布里波罗干涉腔、分光镜、光电探测器、压电陶瓷促动器、压电陶瓷驱动器、数据采集卡及存储有相应程序的计算机组成。该系统工作时，超稳氦氖激光与被锁定闲频光同轴入射到法布里波罗干涉腔内，由于波长与干涉腔的腔长存在一定的匹配关系，因而出射光强度会随着腔长的变化而变化，这个强度的变化被光电探测器实时探测，通过数据采集板卡采集。由于超稳氦氖激光器的波长为已知，且在锁频过程中可以认为没有改变，于是可以作为波长校正的标准，对腔长进行扫描，根据超稳氦氖的信号得知单纵模中红外光参量振荡器输出的光对应的波长，程序以此为依据进行运算，得到待锁光波长所需要的腔长偏移量，通过压电陶瓷驱动器来驱动压电陶瓷促动器工作来进行修正，在该反馈系统下可实现被锁单纵模中红外光参量振荡器波长的稳定。超稳氦氖激光器输出波长为632.8nm，波长稳定性好，体现在8小时波长改变量不超过±1MHz。光电探测器1，其特征在于，能够探测600nm-700nm的可见光，并在不同的光强下输出不同幅值的模拟信号。光电探测器2，其特征在于，能够探测2000nm-5000nm的中波段红外光，并在不同的光强下输出不同幅值的模拟信号。

所述氦氖激光与闲频光同轴入射到法布里波罗干涉腔内，是通过多个设置在氦氖激光与闲频光的光路上的反射镜、合束镜构成的调节光路来完成的。

1)本方法调节光路部分使用的光学元件参数如下：

i)氦氖激光器输出光反射镜：平面镜，单面镀反射膜，600nm-700nm波段反射率＞99％；

ii)单纵模中红外光参量振荡器输出光反射镜：平面镜，单面镀反射膜，2000nm-4200nm，波段反射率＞90％；

iii)光路合束镜：平面镜，双面镀膜，第一面：2000nm-4200nm波段增透，透射率＞95％，第二面：2000nm-4200nm增透，透射率＞90％，600nm-700nm反射率＞99％，使用时第二面面对法布里玻罗干涉腔。

2)本方法使用的稳频级氦氖激光器参考型号：

美国Melles Griot，25-STP-910-230，输出波长：633nm，输出功率最大1mW，光斑直径0.48mm，8小时波长稳定性：±1MHz，关键参数为8小时波长稳定性。

3)压电陶瓷促动器需要的参数：

扫描电压：0-360V，对应最大位移：1.3μm，扫描频率最大50Hz，通常为定制。驱动器与促动器相匹配即可。

4)光电探测器参考型号：

氦氖激光器光强测量：美国索雷博，PDA10A2，同测量性能或更优性能均可。

中红外光光强测量：美国索雷博，PDA20H，同测量性能或更优性能均可。

5)数据采集板卡参考型号：

美国国家仪器公司，PCI6221，相同测量性能或更优性能均可。

6)单纵模中红外光参量振荡器：自研。

如图2所示，给出了单纵模中红外光参量振荡器的详细示意图，包含了四个腔镜，其中M1为泵浦光输入镜，M2为具备腔长调节功能的腔镜，在镜架上安装有压电陶瓷促动器，用于调节腔长，M3为闲频光输出镜，M4为信号光输出镜。使用时，需将泵浦光从M1引入光参量振荡器中，通过调节M1、M2、M3、M4四个腔镜的角度，满足信号光振荡条件，产生信号光与闲频光，信号光通过M4输出，用于实验，闲频光通过M3输出，作为该方案中的锁频用光。闲频光经反射镜反射，与作为标准光源的超稳氦氖激光器输出的标准光合束进入干涉腔。

如图3所示，为该发明所使用的干涉腔示意图。要能够保持干涉腔的温度稳定，两束光同轴进入干涉腔发生干涉，出射光的光强分别被对应的探测器测量，由数据采集卡采集输出给计算机。在计算机主动控制下，调节共振腔一侧的压电陶瓷促动器，从而对腔长进行扫描，随着腔长的改变，输出光的光强也随之改变，这一变化过程被计算机采集。通过程序进行运算，变可以得出当前单纵模中红外光参量振荡器的输出光波长，再根据需要的波长目标值，输出对应的控制电压来调节腔内的压电陶瓷促动器，从而实现对波长的控制。

干涉腔腔镜的光学参数如下：

腔镜使用平凹镜面，凹面朝向干涉腔内，其焦距满足关系：

式中f为凹面镜焦距，L‘为干涉腔设计腔长，二者单位均使用㎝。

凹面镀反射膜，反射率参数：600nm-700nm＞98％，2000nm-4200nm＞90％，

平面镀透射膜，透射率参数：600nm-700nm＞99％，2000nm-4200nm＞90％。

具体锁频方法包括以下步骤：

打开用作参考的超稳氦氖激光器，将OPO产生的待锁定光与氦氖光通过反射镜调节光路，使两者在合束镜后同轴入射进入法布里波罗干涉腔。该法布里波罗干涉腔的两个腔镜均为凹面反射镜，对两束光均具有很高的反射率，因而两束光在干涉腔内会多次反射，多次反射后进一步参与多光束干涉。其中会有极少一部分光在另一侧输出。输出的光经过分束镜(分束镜参数与之前的合束镜参数相同，使用时仍然将第二面面对法布里玻罗干涉腔即可)被分开，分别入射到对应的光电探测器上。

光电探测器探测不同的光强会输出不同的模拟信号，该信号能被控制电脑的数据采集板卡采集，采集后显示在程序中。程序能够通过板卡输出一个模拟信号，该信号输入压电陶瓷驱动器，经压电陶瓷驱动器放大电压用来控制干涉腔一侧的压电陶瓷，从而调节干涉腔的腔长。由于输出光的光强取决于波长与腔长的匹配关系，因此通过程序控制压电陶瓷对腔长进行扫描，就能得到光强的周期性变化。氦氖激光的波长比待锁定中红外OPO激光器的输出波长短，氦氖激光的光强变化周期也就比中红外OPO输出的激光光强变化周期短。以氦氖激光的变化做为参考，就可以得到现在中红外OPO输出激光的准确波长。程序根据该波长与预期波长的差值进行计算，从而得到单纵模中红外OPO腔长的变化量，输出对应的电压给OPO腔内调节腔长的压电陶瓷驱动器，驱动压电陶瓷调节OPO内振荡腔的腔长，从而调节OPO的输出波长。对干涉腔进行不断的扫描，便可以不断的对OPO的输出波长进行调节，使其保持稳定，从而达到想要的效果。

干涉腔内能够形成共振的激光波长与腔长满足匹配关系：

L为共振腔长，N为正整数，λ为对应的激光波长。

由该公式可知，不同波长有着不同的匹配腔长。满足匹配关系的激光能够在共振腔内共振，对应的，输出光就弱，随着腔长的改变，测量的光强呈周期性变化。对应的两个周期的间距被称作自由谱线范围FSR(free spectral range)，满足以下公式：

其中，c为光速，n为激光的在该温度下的空气中的折射率，d为共振腔的透镜焦距，由公式(2)可计算出对应激光在扫描时两个峰的间距。例如，以氦氖激光器为例，取d＝25㎝，n＝1.000271373，算得FSR＝299.7MHz，约为300MHz，在扫描过程中以此参考。

如图4所示，为氦氖激光检测信号-法布里波罗干涉腔扫描电压信号的周期变化曲线、闲频光检测信号-法布里波罗干涉腔扫描电压信号的周期变化曲线，横坐标为压电陶瓷扫描电压，纵坐标为测得的光电探测器输出电压，B所标注的为两个氦氖激光的峰值间隔，对应300MHz，A为待测的中红外单纵模光参量振荡器的信号，由此进一步可以得到待测的中红外单纵模闲频光的检测波长λ₂，软件将该方法得到的波长λ₂与设定的目标波长λ₁作差按照公式(1)进行计算，计算单纵模中红外光参量振荡器所需要的腔长改变量，进而对压电陶瓷促动器施加电压，从而达到调节的目的。不断的对法布里玻罗干涉腔进行扫描，便可以不断的将波长调节至目标波长，从而实现波长的稳定。

Claims (10)

1.一种单纵模中红外OPO激光器的锁频系统，其特征在于，包括：单纵模中红外光参量振荡器、超稳氦氖激光器、法布里波罗干涉腔、分光镜、光电探测器、压电陶瓷驱动器、压电陶瓷促动器、数据采集卡及存储有执行程序的计算机；

单纵模中红外光参量振荡器接收OPO泵浦光源、输出单纵模中红外信号光和闲频光；超稳氦氖激光器输出氦氖激光；氦氖激光与闲频光同轴入射到法布里波罗干涉腔内，法布里波罗干涉腔的输出光经过分光镜后分别被两个光电探测器检测输出闲频光检测信号、氦氖激光检测信号，再经过数据采集卡发送至计算机；

计算机输出两路信号给两个压电陶瓷驱动器，分别控制设置在法布里波罗干涉腔一侧的压电陶瓷促动器、设置在单纵模中红外光参量振荡器上的压电陶瓷促动器工作，改变法布里波罗干涉腔和单纵模中红外光参量振荡器的腔长。

2.按照权利要求1所述的一种单纵模中红外OPO激光器的锁频系统，其特征在于，所述单纵模中红外光参量振荡器包括：泵浦光输入镜(M1)、腔镜(M2)、闲频光输出镜(M3)、信号光输出镜(M4)、非线性效应晶体构成振荡腔；腔镜(M2)的镜架上安装有用于调节振荡腔腔长的压电陶瓷促动器；泵浦光为1064nm的单纵模激光。

3.按照权利要求1所述的一种单纵模中红外OPO激光器的锁频系统，其特征在于，所述氦氖激光与闲频光同轴入射到法布里波罗干涉腔内，是通过多个设置在氦氖激光与闲频光的光路上的反射镜、合束镜构成的调节光路来完成的。

4.按照权利要求1所述的一种单纵模中红外OPO激光器的锁频系统，其特征在于，所述法布里波罗干涉腔，包括：2个用于构成振荡腔的腔镜，腔镜内侧为凹面且镀有对闲频光所在波段和氦氖激光的高反射率镀膜，外侧为平面且镀有对闲频光所在波段和氦氖光的高透光率增透膜。

5.按照权利要求1所述的一种单纵模中红外OPO激光器的锁频系统，其特征在于，所述光电探测器能够分别探测600nm-700nm的可见光、2000nm-5000nm的中波段红外光，并在不同的光强下输出不同幅值的模拟信号。

6.按照权利要求1所述的一种单纵模中红外OPO激光器的锁频系统，其特征在于，所述数据采集板卡，将闲频光检测信号、氦氖激光检测信号转换成数字信号输出给计算机。

7.按照权利要求1-6任意一项所述的一种单纵模中红外OPO激光器的锁频系统，其特征在于，所述压电陶瓷促动器在压电陶瓷驱动器的驱动下产生位移，推动腔镜产生同样的位移，从而调节了振荡腔的长度。

8.一种利用权利要求1所述的单纵模中红外OPO激光器的锁频系统的锁频方法，其特征在于，包括以下步骤：

启动超稳氦氖激光器输出氦氖激光，启动泵浦光源输出泵浦光至单纵模中红外光参量振荡器后输出单纵模中红外信号光和闲频光；氦氖激光与闲频光同轴入射到法布里波罗干涉腔内；

计算机输出控制信号实时改变法布里波罗干涉腔的腔长，根据检测的闲频光检测信号、氦氖激光检测信号得到闲频光检测信号的准确波长；

计算机计算单纵模中红外光参量振荡器腔长的变化量，输出控制信号改变单纵模中红外光参量振荡器腔长，从而调节单纵模中红外信号光的输出波长。

9.按照权利要求8所述的锁频方法，其特征在于，所述计算机输出控制信号实时改变法布里波罗干涉腔的腔长，根据检测的闲频光检测信号、氦氖激光检测信号得到闲频光检测信号的准确波长，包括：

计算机输出信号使压电陶瓷驱动器控制压电陶瓷促动器实时改变法布里波罗干涉腔的腔长，接收光电探测器输出的闲频光检测信号、氦氖激光检测信号，得到氦氖激光检测信号的周期变化曲线、闲频光检测信号的周期变化曲线，以以氦氖激光检测信号的峰值间隔标定闲频光检测信号的峰值间隔，从而得到闲频光检测信号的准确波长。

10.按照权利要求8所述的锁频方法，其特征在于，所述计算机计算单纵模中红外光参量振荡器腔长的变化量，输出控制信号改变单纵模中红外光参量振荡器腔长，从而调节单纵模中红外信号光的输出波长，包括：

计算机根据闲频光检测信号的准确波长与预期设定波长的差值，得到单纵模中红外光参量振荡器腔长的变化量，输出对应的控制电压给压电陶瓷驱动器控制压电陶瓷促动器产生位移，改变单纵模中红外光参量振荡器内振荡腔的腔长，从而调节单纵模中红外信号光的输出波长。

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