CN112117636A - 一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统，该系统利用高精度波长和声光调制器分别对激光器频率进行闭环反馈控制，先用计算机及PID控制单元对激光输出频率进行粗略的控制，再通过声光调制器对激光频率将其偏移一定的频率并进行快速准确的控制，接着与光学频率梳进行拍频，对激光频率进行高精度、高稳定的锁定。最后，将激光器频率调谐稳定后的激光作为抽运激光应用于SERF磁强计装置，可保证激光抽运碱金属原子的长期稳定性能，从而提高SERF磁强计磁场测量的检测灵敏度。本发明利用光学频率梳实现了激光器频率长期高精度、高稳定的锁定，并通过构建的双闭环反馈控制可实现对激光器频率进行快速、准确调制。

Description

一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统

技术领域

本发明涉及半导体激光器稳频领域，具体涉及一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统。

背景技术

半导体激光器具有体积小、效率高、线宽窄等优点，已被公认为原子物理实验中的理想光源。随着半导体激光器技术的快速发展，以及半导体激光器本身性能的不断提高，半导体激光广泛地应用于量子光学、量子传感、高精度计量学、激光光谱及高精密测量的实验系统中，诸如激光冷却与俘获、原子干涉测量、原子钟或光学时钟等。稳定的激光频率是这些实验系统的最重要的要求之一。在这些系统中，为了减小半导体激光器输出激光的频率漂移，通常将半导体激光频率锁定在某一稳定的参考频率标准上，以期获得长期频率稳定的激光源。

常见的半导体激光器稳频方法有以吸收谱线作为频率参考的饱和吸收稳频技术、以法布里-珀罗(FP)腔作为频率参考的PDH稳频技术。饱和吸收稳频技术可以实现较高的长期稳定度，但是存在稳定度极限并对半导体激光器的波长有一定的限制。PDH技术可以实现较高的短期频率稳定度，但是由于频率稳定度与腔长的稳定性有关，所以易受环境干扰而导致频率长期稳定度不高。随着掺杂光纤工艺和电子技术的迅速发展，光学频率梳产品日趋成熟，并广泛应用在精密光谱测量、光纤通信和引力波探测等领域，成为激光稳频中常用的稳频激光器。

在无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free,SERF)磁强计装置中，半导体激光器对原子自旋的光抽运是实现超高灵敏原子自旋惯性磁场测量的前提。半导体激光器的频率会直接影响激光与原子的相互作用，通常没有经过特殊的稳频手段处理、自由运转1h的半导体激光器频率可以达到GHz量级，而实现高灵敏度的SERF极弱磁场测量所需要求的激光频率稳定度要达到MHz量级，还要实现一定失谐激光频率稳定。因此，急需一种用于SERF磁强计的激光稳频系统，以解决在一定的失谐频率半导体激光器抽运碱金属原子激光频率不稳定的现象，从而进一步提高SERF磁强计磁场测量的检测灵敏度。

发明内容

本发明为了解决在一定的失谐频率半导体激光器抽运碱金属原子激光频率不稳定的问题，提供了一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统。本发明采用基于光学频率梳作为频率参考来稳定SERF磁强计的半导体激光器，以保证激光抽运碱金属原子的长期稳定度，提高SERF磁强计磁场测量的检测灵敏度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统，包括激光频率偏移单元、激光与光频梳拍频单元、激光稳频信号处理单元。

半导体激光器输出的激光束通过第一光纤耦合器耦合后分成三路，其中第一路为激光稳频光路，第二路用于抽运碱金属气室内部原子的抽运激光，第三路用于导入波长计进行激光频率的实时监测，所述波长计与计算机连接。

所述激光稳频光路的光束经过第一光学透镜和第二光学透镜进行整形，再经过第一光电隔离器和第二光电隔离器，消除光反馈对激光器的影响，再依次经过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一1/2波片和第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜分出的一束光进入激光频率偏移单元中。

激光频率偏移单元包括声光调制器AOM、第三光学透镜、1/4波片、第一孔径光阑及第四反射镜，其中声光调制器AOM用于将激光器的激光频率进行偏移。经过频率偏移反射的光束原路进入第一偏振分光棱镜，再由第五反射镜、第六反射镜调整导入第二光纤耦合器中，然后由第二光纤耦合器准直进入激光与光频梳拍频单元中。

从光学频率梳出射的光束进入激光与光频梳拍频单元中，与第二光纤耦合器导入的光束进行拍频，从而获得两者的拍频信号。

获得的拍频信号由激光稳频信号处理单元分成两部分，一部分通过PID反馈控制半导体激光器输出频率，另一部分通过闭环稳定控制实现声光调制器AOM移频后的激光频率稳定，最后将激光频率锁定在光学频率梳上的某一梳齿频率上。

进一步地，激光频率偏移单元中声光调制器AOM对第一偏振分光棱镜反射的激光光束进行调制，AOM出射出0级和﹢1级衍射光束，经过第三光学透镜会聚入射至1/4波片和光阑，光阑吸收0级衍射光，只通过﹢1级衍射光，再由第四反射镜让光束沿原光路返回，保证出射激光光束频率产生偏移。

进一步地，激光与光频梳拍频单元包括第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第十反射镜、第十一反射镜、第三1/2波片、第四1/2波片、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜，第二孔径光阑、衍射光栅及光电探测器，激光与光频梳拍频单元用于将半导体激光器的激光与光学频率梳进行拍频；由第二光纤耦合器将激光器频率发生偏移后的光束导出，经由第七反射镜和第八反射镜，反射进入第三1/2波片和第二偏振分光棱镜；同时，与光学频率梳出射的经由第九反射镜和第十反射镜进入第二1/2波片和第二偏振分光棱镜的光束进行拍频；

拍频后的光束再经过第四1/2波片和第三偏振分光棱镜进行合束后，入射到衍射光栅上，接着由衍射光栅将各梳梳齿以不同的角度进行反射，调整第十一反射镜将光束导入孔径光阑，调整孔径光阑至合适大小完成空间梳齿滤波，最后由光电探测器接收到拍频信号。

进一步地，激光稳频信号处理单元包括激光频率偏移单元电路部分和半导体激光频率输出电路部分，光电探测器接收到的拍频信号由功率分配器将功率平均分成两路，第一路为半导体激光频率输出电路部分，依次经过第二带通滤波器、第二锁相放大器、计算机及PID控制单元将拍频信号的测量值与目标设定值进行对比，PID控制单元与半导体激光器连接，通过PID反馈控制实现对半导体激光器输出频率的反馈控制。第二路为激光频率偏移单元电路部分，依次经过第一带通滤波器、第一锁相放大器、混频器、高通滤波器及声光驱动器对激光频率进行调制，用于实现声光调制器AOM移频后的激光频率闭环稳定控制。

进一步地，混频器还与一个信号发生器相连，信号发生器产生一个固定的参考频率，通过混频器与拍频频率进行混频，经过高通滤波器得到对应声光驱动器驱动频率，从而驱动声光调制器AOM进行频率调制。

本发明的有益效果为：区别于现有的激光稳频技术，本发明提供了一种基于光学频率梳的、且具有高稳定性的，适用于SERF磁强计光抽运的激光稳频系统。与传统的激光频率稳定技术相比，本发明基于光学频率梳稳频稳定度高，可以达到10^-16量级，并支持半导体激光器在一定频率范围内偏移的锁定控制。此外，本发明通过双闭环反馈的粗细控制，能够保证半导体激光输出频率的一个快速、精确的锁定，而且还能对输出激光频率的实时监测，为SERF磁强计装置提供了一个稳定且有效的激光光源。

附图说明

图1为本发明一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统的结构示意图；

其中：1—半导体激光器，2—第一光纤耦合器，3—高精度波长计，4—第一光学透镜，5—第二光学透镜，6—第一光电隔离器，7—第二光电隔离器，8—第一反射镜，9—第二反射镜，10—第三反射镜，11—第一1/2波片，12—第一偏振分光棱镜，13—声光调制器(AOM)，14—第三光学透镜，15—1/4波片，16—第一孔径光阑，17—第四反射镜，18—第五反射镜，19—第六反射镜，20—第二光纤耦合器，21—第七反射镜，22—第八反射镜，23—光学频率梳，24—第九反射镜，25—第十反射镜，26—第二1/2波片，27—第三1/2波片，28—第二偏振分光棱镜，29—第四1/2波片，30—第三偏振分光棱镜，31—衍射光栅，32—第十一反射镜，33—第二孔径光阑，34—光电探测器，35—功率分配器，36—第一带通滤波器，37—第一锁相放大器，38—混频器，39—信号发生器，40—高通滤波器，41—声光驱动器，42—第二带通滤波器，43—第二锁相放大器，44—计算机，45—PID控制单元，其中粗实线是光路部分，细实线是电路部分。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点表达的更加清楚，下面结合附图以及具体实施系统进一步对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明实施例提供一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统，本发明的具体实施结构如图1所示。包括激光频率偏移单元，激光与光频梳拍频单元、激光稳频信号处理单元；具有包含：半导体激光器1，第一光纤耦合器2，高精度波长计3，第一光学透镜4，第二光学透镜5，第一光电隔离器6，第二光电隔离器7，第一反射镜8，第二反射镜9，第三反射镜10，第一1/2波片11，第一偏振分光棱镜12，声光调制器(AOM)13，第三光学透镜14，1/4波片15，第一孔径光阑16，第四反射镜17，第五反射镜18，第六反射镜19，第二光纤耦合器20，第七反射镜21，第八反射镜22，光学频率梳23，第九反射镜24，第十反射镜25，第二1/2波片26，第三1/2波片27，第二偏振分光棱镜28，第四1/2波片29，第三偏振分光棱镜30，衍射光栅31，第十一反射镜32，第二孔径光阑33，光电探测器34，功率分配器35，第一带通滤波器36，第一放大器37，混频器38，信号发生器39，高通滤波器40，声光驱动器41，第二带通滤波器42，第二锁相放大器43，计算机44，PID控制单元45。

其中，半导体激光器输出的激光束通过第一光纤耦合器耦合2后分成三路，第一路为激光稳频光路，第二路用于抽运碱金属气室内部原子的抽运激光，第三路用于导入高精度波长计3并实时监测，所述波长计与计算机连接。

用于激光稳频光路的光束经过第一光学透镜4和第二光学透镜5进行整形，第二光学透镜5位于第一光学透镜4的焦距处，再经过第一光电隔离器5和第二光电隔离器6，消除光反馈对激光器的影响，再经过第一反射镜8、第二反射镜9、第三反射镜10、使光束进入第一1/2波片11后出射线偏振光束，再入射到第一偏振分光棱镜12，同时调整第一反射镜8、第二反射镜9、第三反射镜10使激光光束都反射进入激光频率偏移单元中。

从激光频率偏移单元反射出来的光束入射到第一偏振分光棱镜12、通过调整第五反射镜18、第六反射镜19使光束导入第二光纤耦合器20中，通过光纤准直进入激光与光频梳拍频单元中。

从光学频率梳23(德国Menlo System公司生产的FC1500)出来的光束经过第九反射镜24和第十反射镜25进入激光与光频梳拍频单元中，再与第二光纤耦合器20导入的光束进行拍频，从而获得两者的拍频信号。

获得的拍频信号由激光稳频信号处理单元分成两部分，一部分通过PID反馈控制半导体激光器输出频率，另一部分通过闭环稳定控制实现声光调制器(AOM)13移频后的激光频率稳定，最后将激光频率锁定在光学频率梳23上的某一梳齿频率上。

所述激光频率偏移单元，包括声光调制器(AOM)13、第三光学透镜14、1/4波片15、第一孔径光阑16及第四反射镜17，用于将激光器输出的激光频率进行一定的偏移。由第一偏振分光棱镜12反射的激光光束入射到声光调制器(AOM)13中进行调制，声光调制器(AOM)13出射出0级和﹢1级衍射光束，经过第三光学透镜14会聚入射至1/4波片15、第一孔径光阑16，调整第一孔径光阑光圈大小吸收0级衍射光，只通过﹢1级衍射光，再由第四反射镜17让光束沿原光路返回，保证出射激光光束频率发生一定的偏移。

所述激光与光频梳拍频单元，包括第二1/2波片26、第三1/2波片27、第二偏振分光棱镜28、第四1/2波片29、第三偏振分光棱镜30、衍射光栅31、第十一反射镜32、第二孔径光阑33及光电探测器34，用于将半导体激光器的激光与光学频率梳进行拍频；由第二光纤耦合器20将激光器频率发生偏移后的光束导出，经由第七反射镜21和第八反射镜22，反射进入第三1/2波片27和第二偏振分光棱镜28；同时与经由第九反射镜24和第十反射镜25进入第二1/2波片和第二偏振分光棱镜28光学频率梳出射的光束进行拍频，再经过第四1/2波片29和第三偏振分光棱镜30进行合束后，入射到衍射光栅31上，接着由衍射光栅31将各梳梳齿以不同的角度进行反射，调整第十一反射镜32将光束导入孔径光阑33，调整孔径光阑33至合适大小完成空间梳齿滤波，最后由光电探测器34接收到拍频信号。

所述激光稳频信号处理单元，包括激光频率偏移单元电路部分和半导体激光频率输出电路部分，由光电探测器34接收到的拍频信号由功率分配器35将功率平均分成两路，第一路为半导体激光频率输出电路部分，经过第二带通滤波器42、第二锁相放大器43、计算机44及PID控制单元45将拍频信号的测量值与目标设定值进行对比，通过PID反馈控制实现对半导体激光器输出频率的粗略反馈控制。第二路为激光频率偏移单元电路部分，经过第一带通滤波器36提取出拍频信号、再经过第一锁相放大器37将信号放大，信号发生器39产生一个参考频率与拍频信号再由混频器38进行混频、再由高通滤波器40进行高频滤波，得到对应的声光驱动器41的驱动频率，从而实现声光调制器AOM对激光频率进行调制，确保移频后的激光频率一个快速的闭环稳定控制。通过双闭环的粗细控制，能够实现对半导体激光输出频率的一个快速、精确的锁定，为SERF磁强计装置提供了一个稳定且有效的激光光源。

最后需要指出，本发明并不限于SERF磁强计使用，也可以是诸如光抽运铷束原子钟、激光冷却原子等其他量子传感装置，都可以通过本发明，提高激光器的稳频效果，实现测量性能的提升。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统，其特征在于，包括激光频率偏移单元、激光与光频梳拍频单元、激光稳频信号处理单元。

半导体激光器输出的激光束通过第一光纤耦合器耦合后分成三路，其中第一路为激光稳频光路，第二路用于抽运碱金属气室内部原子的抽运激光，第三路用于导入波长计进行激光频率的实时监测，所述波长计与计算机连接。

所述激光稳频光路的光束经过第一光学透镜和第二光学透镜进行整形，再经过第一光电隔离器和第二光电隔离器，消除光反馈对激光器的影响，再依次经过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一1/2波片和第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜分出的一束光进入激光频率偏移单元中。

激光频率偏移单元包括声光调制器AOM、第三光学透镜、1/4波片、第一孔径光阑及第四反射镜，其中声光调制器AOM用于将激光器的激光频率进行偏移。经过频率偏移反射的光束原路进入第一偏振分光棱镜，再由第五反射镜、第六反射镜调整导入第二光纤耦合器中，然后由第二光纤耦合器准直进入激光与光频梳拍频单元中。

从光学频率梳出射的光束进入激光与光频梳拍频单元中，与第二光纤耦合器导入的光束进行拍频，从而获得两者的拍频信号。

获得的拍频信号由激光稳频信号处理单元分成两部分，一部分通过PID反馈控制半导体激光器输出频率，另一部分通过闭环稳定控制实现声光调制器AOM移频后的激光频率稳定，最后将激光频率锁定在光学频率梳上的某一梳齿频率上。

2.如权利要求1所述的一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统，其特征在于，激光频率偏移单元中声光调制器AOM对第一偏振分光棱镜反射的激光光束进行调制，AOM出射出0级和﹢1级衍射光束，经过第三光学透镜会聚入射至1/4波片和光阑，光阑吸收0级衍射光，只通过﹢1级衍射光，再由第四反射镜让光束沿原光路返回，保证出射激光光束频率产生偏移。

3.如权利要求1所述的一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统，其特征在于，激光与光频梳拍频单元包括第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第十反射镜、第十一反射镜、第三1/2波片、第四1/2波片、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜，第二孔径光阑、衍射光栅及光电探测器，激光与光频梳拍频单元用于将半导体激光器的激光与光学频率梳进行拍频；由第二光纤耦合器将激光器频率发生偏移后的光束导出，经由第七反射镜和第八反射镜，反射进入第三1/2波片和第二偏振分光棱镜；同时，与光学频率梳出射的经由第九反射镜和第十反射镜进入第二1/2波片和第二偏振分光棱镜的光束进行拍频；

拍频后的光束再经过第四1/2波片和第三偏振分光棱镜进行合束后，入射到衍射光栅上，接着由衍射光栅将各梳梳齿以不同的角度进行反射，调整第十一反射镜将光束导入孔径光阑，调整孔径光阑至合适大小完成空间梳齿滤波，最后由光电探测器接收到拍频信号。

4.如权利要求1所述的一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统，其特征在于，激光稳频信号处理单元包括激光频率偏移单元电路部分和半导体激光频率输出电路部分，光电探测器接收到的拍频信号由功率分配器将功率平均分成两路，第一路为半导体激光频率输出电路部分，依次经过第二带通滤波器、第二锁相放大器、计算机及PID控制单元将拍频信号的测量值与目标设定值进行对比，PID控制单元与半导体激光器连接，通过PID反馈控制实现对半导体激光器输出频率的反馈控制。第二路为激光频率偏移单元电路部分，依次经过第一带通滤波器、第一锁相放大器、混频器、高通滤波器及声光驱动器对激光频率进行调制，用于实现声光调制器AOM移频后的激光频率闭环稳定控制。

5.如权利要求4所述的一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统，其特征在于，混频器还与一个信号发生器相连，信号发生器产生一个固定的参考频率，通过混频器与拍频频率进行混频，经过高通滤波器得到对应声光驱动器驱动频率，从而驱动声光调制器AOM进行频率调制。

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