CN112787213B - 可调谐激光系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种可调谐激光系统。第一激光经法布里‑珀罗谐振腔形成透射光。第二光探测模块设置于透射光光路。扫描伺服模块的输入端与第二光探测模块连接，输出端与法布里‑珀罗谐振腔的控制端连接。反射光经第一光分束模块形成第一透射光与第二透射光。第一光探测模块设置于第一反射光光路上。调制解调模块的输入端与第一光探测模块连接，输出端与第一PID控制模块的输入端连接。加法器的第一输入端与扫描伺服模块的输出端连接，第二输入端与第一PID控制模块的输出端连接。法布里‑珀罗谐振腔的控制端与加法器的输出端连接。第二PID控制模块的输入端与调制解调模块的输出端连接。第二PID控制模块的输出端与主激光模块的控制端连接。

Description

可调谐激光系统
技术领域
本申请涉及激光器技术领域，特别是涉及一种可调谐激光系统。
背景技术
可调谐激光器是一种可受控改变工作波长的激光器，调谐范围是指激光工作波长的最大值和最小值之间的范围。线宽指激光光谱的半高全宽，即为功率达到峰值1/e对应的频谱宽度。在精密测量中，除了可调谐范围和线宽外，还需要关注激光其它频率的纵模与荧光输出，例如在超冷原子光缔合光谱实验中，线宽外的激光噪声会极大的干扰探测结果。
目前市场上的可调谐半导体激光器，主要是外腔半导体激光器(external-cavitydiode lasers，ECDL)，其通过在半导体激光管和光栅之间形成外腔，利用光栅的波长选择特性，可达到几个纳米的调谐范围。传统的外腔半导体激光器，其线宽通常为～MHz量级。然而，对于精密原子分子操控和频谱测量而言，例如分子光缔合等，外腔半导体激光器存在以下两个技术问题：一个问题是MHz量级的线宽无法适用于kHz量级的原子分子跃迁；另一个问题是激光大范围的频谱噪声，例如其它纵模(几个GHz的间隔)和背景荧光的激光噪声，会对测量带来干扰。20世纪80年代，三位科学家R.V.Pound，R.Drever和J.L.Hall提出的PDH(Pound-Drever-Hall)技术，利用法布里-珀罗腔将激光器的频率噪声转化为幅度噪声，再通过快速PID反馈激光电流压制激光噪声的方法，可以大大减小激光线宽。然而，由于光电路探测与反馈带宽限制，PDH技术往往只能压制小于10MHz的激光噪声，对于更高频率的激光噪声则无能为力，无法压制外腔半导体激光器GHz周期调制的其它纵模频域噪声。目前用于PDH的商用PID由控制激光管电流的快速PID和控制外腔光栅压电陶瓷电压的低速PID构成，然而受到压电陶瓷以及外腔半导体激光器的不跳模范围限制，无法在全调谐范围内跟随锁定外部鉴频器(例如法布里-珀罗腔)，造成系统缺乏足够的可靠性和可调谐性。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种可调谐激光系统。
本申请提供一种可调谐激光系统，所述可调谐激光系统包括主激光模块、第一光分束模块、法布里-珀罗谐振腔、第二光探测模块以及扫描伺服模块。所述主激光模块用于发射第一激光。所述第一光分束模块设置于所述第一激光的光路上，所述第一激光经过所述第一光分束模块形成初始透射光。所述法布里-珀罗谐振腔设置于所述第一激光的光路上。所述初始透射光部分经所述法布里-珀罗谐振腔透射，形成透射光。所述第二光探测模块设置于所述透射光的光路上，用于接收所述透射光，并将所述透射光转换成第一信号。所述扫描伺服模块的输入端与所述第二光探测模块连接，用于接收所述第一信号，并将所述第一信号与第一阈值信号进行对比。若所述第一信号小于所述第一阈值信号时，则所述扫描伺服模块输出周期性电压信号。若所述第一信号大于或等于所述第一阈值信号时，则所述扫描伺服模块输出稳定电压信号。
所述第一激光经所述法布里-珀罗谐振腔还形成反射光。所述可调谐激光系统还包括第一光探测模块、调制解调模块、第一PID控制模块以及加法器。所述初始透射光部分经所述法布里-珀罗谐振腔反射，形成反射光，所述反射光被所述第一光分束模块反射，形成第一反射光。所述第一光探测模块设置于所述第一反射光的光路上，用于接收所述第一反射光，并将所述第一反射光转换成第二信号。所述调制解调模块的输入端与所述第一光探测模块连接，用于对所述第二信号进行解调，形成稳频误差信号。所述第一PID控制模块的输入端与所述调制解调模块的输出端连接，用于对所述稳频误差信号进行转换，形成反馈电压信号。所述加法器的第一输入端与所述扫描伺服模块的输出端连接。所述加法器的第二输入端与所述第一PID控制模块的输出端连接，用于将所述反馈电压信号与所述周期性电压信号叠加形成谐振腔控制信号，或者将所述反馈电压信号与所述稳定电压信号叠加形成谐振腔控制信号。所述法布里-珀罗谐振腔的控制端与所述加法器的输出端连接，用于接收所述谐振腔控制信号。
所述可调谐激光系统还包括第二PID控制模块。所述第二PID控制模块的输入端与所述调制解调模块的输出端连接，用于对所述稳频误差信号进行转换，形成反馈电流信号。所述第二PID控制模块的输出端与所述主激光模块的控制端连接，用于将所述反馈电流信号传输至所述主激光模块，实现对所述主激光模块的电流进行调控。
在一个实施例中，所述可调谐激光系统还包括第二光分束模块、光隔离模块以及伺服激光模块。所述第二光分束模块设置于所述透射光的光路上，用于对所述透射光进行分束，形成第一透射光与第二透射光。所述第二光探测模块设置于所述第一透射光的光路上，用于接收所述第一透射光。所述光隔离模块设置于所述第二透射光的光路上，用于实现所述第二透射光的单向传输。所述伺服激光模块设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述光隔离模块后的所述第二透射光，形成第二激光。所述第二激光经所述光隔离模块后输出。
在一个实施例中，所述法布里-珀罗谐振腔包括压电陶瓷。所述压电陶瓷的控制端与所述加法器的输出端连接，用于接收所述谐振腔控制信号。
在一个实施例中，所述调制解调模块包括低通滤波器、混频器以及调制器。所述混频器的输入端与所述第一光探测模块连接，用于接收所述第二信号。所述调制器的输入端与所述混频器的第一输出端连接。所述调制器的输出端与所述主激光模块的电流调制接口连接，用于对所述主激光模块的电流进行调制。所述低通滤波器的输入端与所述混频器的第二输出端连接。所述低通滤波器的输出端用于输出所述稳频误差信号。
在一个实施例中，所述可调谐激光系统还包括信号分束器。所述信号分束器的输入端与所述低通滤波器的输出端连接。所述信号分束器的第一输出端与所述第一PID控制模块的输入端连接。所述信号分束器的第二输出端与所述第二PID控制模块的输入端连接。
在一个实施例中，所述第一光分束模块包括第一偏振分光棱镜与第一四分之一波片。所述第一偏振分光棱镜设置于所述第一激光的光路上。所述第一四分之一波片设置于所述第一激光的光路上。所述反射光依次经所述第一四分之一波片与所述第一偏振分光棱镜形成所述第一反射光，所述第一反射光入射至所述第一光探测模块。
在一个实施例中，所述第二光分束模块包括第二四分之一波片、第一半波片以及第二偏振分光棱镜。所述第二四分之一波片设置于所述透射光的光路上。所述第一半波片设置于所述透射光的光路上，用于接收经所述第二四分之一波片后的所述透射光。所述第二偏振分光棱镜设置于所述透射光的光路上，用于接收经所述第一半波片后的所述透射光。经所述第二偏振分光棱镜后的所述透射光形成所述第一透射光与所述第二透射光。
在一个实施例中，所述可调谐激光系统还包括光路转换模块、第二半波片、第三半波片以及透镜。所述光路转换模块设置于所述第二透射光的光路上，用于对所述第二透射光进行光路转换。所述第二半波片设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述光路转换模块后的所述第二透射光。经所述第二半波片后的所述第二透射光入射至所述光隔离模块。所述第三半波片设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述光隔离模块后的所述第二透射光。所述透镜设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述第三半波片后的所述第二透射光。经所述透镜后的所述第二透射光入射至所述伺服激光模块。
在一个实施例中，所述光路转换模块包括第一反射镜、第二反射镜以及第三反射镜。所述第一反射镜设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述第二偏振分光棱镜后的所述第二透射光。所述第二反射镜设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述第一反射镜后的所述第二透射光。所述第三反射镜设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述第二反射镜后的所述第二透射光。经所述第三反射镜后的所述第二透射光入射至所述第二半波片。
在一个实施例中，所述可调谐激光系统还包括单模光纤。所述单模光纤的输入端与所述主激光模块连接。所述单模光纤的输出端与所述第一光分束模块连接。
上述可调谐激光系统，所述主激光模块发出具有一定波长的激光，经模式匹配入射至所述法布里-珀罗谐振腔(FP)中。经所述法布里-珀罗谐振腔后的透射光被所述第二光探测模块接收输入到所述扫描伺服模块中。所述扫描伺服模块为扫描伺服器。所述扫描伺服模块将所述第一信号与所述第一阈值信号进行对比。
如果所述第一信号小于所述第一阈值信号，未达到所述第一阈值信号时，所述扫描伺服模块将输出所述周期性电压信号。所述周期性电压信号施加在所述法布里-珀罗谐振腔(FP)上以改变腔长，腔长变化将改变所述法布里-珀罗谐振腔(FP)的中心透射波长。当所述主激光模块发射的所述第一激光的波长和所述法布里-珀罗谐振腔(FP)共振时，透射光功率信号将大大增加。当所述扫描伺服模块输出的所述周期性电压信号使得所述第二光探测模块接收的所述第一信号大于或等于所述第一阈值信号时，所述扫描伺服模块将停止扫描并保持输出所述稳定电压信号，电压不变，进而实现所述法布里-珀罗谐振腔(FP)的锁定，使得所述法布里-珀罗谐振腔(FP)的腔体共振峰和激光频率保持近共振。
所述主激光模块发出具有一定波长的激光，经模式匹配入射至所述法布里-珀罗谐振腔(FP)中。经所述法布里-珀罗谐振腔后的形成反射光。反射光经过所述第一光分束模块被所述第一光探测模块接收，并形成所述第二信号。所述调制解调模块可以为信号解调器。所述第二信号经过所述调制解调模块解调后产生所述稳频误差信号(PDH误差信号)。所述第一PID控制模块可以为比例积分微分器。所述稳频误差信号(PDH误差信号)经过所述第一PID控制模块输出所述反馈电压信号。所述反馈电压信号经过所述加法器，与所述周期性电压信号或者所述稳定电压信号进行叠加形成所述谐振腔控制信号。经所述加法器叠加之后的所述谐振腔控制信号反馈给所述法布里-珀罗谐振腔(FP)的压电陶瓷，从而实现所述法布里-珀罗谐振腔(FP)的精细锁定。
当外界环境扰动导致激光大范围偏离共振位置时，所述扫描伺服模块将脱离锁定并重新周期扫描所述法布里-珀罗谐振腔(FP)的压电陶瓷电压，并协同所述第一PID控制模块实现自动锁定。由于仅有共振光可以透射，因此经过所述法布里-珀罗谐振腔(FP)之后的激光，其频域噪声被大大压制。其中，对于反射率为99.9％的所述法布里-珀罗谐振腔(FP)而言，噪声被压制40dB左右。由于所述法布里-珀罗谐振腔(FP)具有宽频域滤波性，因此可以实现在宽带频率范围内进行噪声过滤。
所述稳频误差信号(PDH误差信号)经过所述第二PID控制模块反馈给所述主激光模块的电流。所述法布里-珀罗谐振腔(FP)能将激光频率噪声转化为强度信号。此时，通过所述第二PID控制模块能对激光电流进行反馈，实现对所述主激光模块的电流进行调控，进而实现激光线宽压缩。此时，通过所述可调谐激光系统，不仅能够实现所述法布里-珀罗谐振腔(FP)的精细锁定，而且能够对激光线宽进行压缩。所述可调谐激光系统，实现了腔体跟随自锁定技术与激光线宽压缩技术相结合，进而能够实现更优质的锁定和更好的稳定性，同时降低对主动FP腔体的压电陶瓷的反馈带宽要求。
传统系统中，当激光线宽和所述法布里-珀罗谐振腔(FP)线宽可比拟或更大时，压电陶瓷响应频率通常较低，无法压制高频噪声，信号锁定较差，导致FP腔投射激光功率不稳定和噪声较大。此时，通过本申请所述可调谐激光系统，将腔体跟随自锁定技术与激光线宽压缩技术相结合，将高频响应反馈给激光电流，低频响应反馈给所述法布里-珀罗谐振腔，由所述法布里-珀罗谐振腔的压电陶瓷完成，大大降低对压电陶瓷的响应频率要求。同时，通过本申请所述可调谐激光系统，可以实现更高质量的锁定和更优质的激光线宽和噪声压缩。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一个实施例中提供的可调谐激光系统的整体原理框图。
图2为本申请提供的激光锁定流程示意图。
图3为本申请另一个实施例中提供的可调谐激光系统的整体原理框图。
图4为本申请提供的锁定过程中的信号图。
图5为本申请提供的采用可调谐激光系统与传统系统的透射信号对比图。
附图标记说明：
可调谐激光系统200、主激光模块100、法布里-珀罗谐振腔120、第二光探测模块131、扫描伺服模块132、第一光分束模块110、第一光探测模块111、调制解调模块112、第一PID控制模块134、加法器133、第二PID控制模块113、第二光分束模块130、光隔离模块140、伺服激光模块150、压电陶瓷121、平面反射镜122、低通滤波器260、混频器270、调制器280、信号分束器250、第一偏振分光棱镜221、第一四分之一波片220、第二四分之一波片230、第一半波片240、第二偏振分光棱镜350、光路转换模块341、第二半波片310、第三半波片300、透镜290、第一反射镜340、第二反射镜330、第三反射镜320、单模光纤210。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
请参见图1与图2，本申请提供一种可调谐激光系统200，所述可调谐激光系统200包括主激光模块100、第一光分束模块110、法布里-珀罗谐振腔120、第二光探测模块131以及扫描伺服模块132。所述主激光模块100用于发射第一激光。所述第一光分束模块110设置于所述第一激光的光路上，所述第一激光经过所述第一光分束模块110形成初始透射光。所述法布里-珀罗谐振腔120设置于所述第一激光的光路上。所述初始透射光部分经所述法布里-珀罗谐振腔120透射，形成透射光。所述第二光探测模块131设置于所述透射光的光路上，用于接收所述透射光，并将所述透射光转换成第一信号。所述扫描伺服模块132的输入端与所述第二光探测模块131连接，用于接收所述第一信号，并将所述第一信号与第一阈值信号进行对比。若所述第一信号小于所述第一阈值信号时，则所述扫描伺服模块132输出周期性电压信号。若所述第一信号大于或等于所述第一阈值信号时，则所述扫描伺服模块132输出稳定电压信号。
所述第一激光经所述法布里-珀罗谐振腔120还形成反射光。所述可调谐激光系统200还包括第一光探测模块111、调制解调模块112、第一PID控制模块134以及加法器133。所述初始透射光部分经所述法布里-珀罗谐振腔120反射，形成反射光，所述反射光被所述第一光分束模块反射，形成第一反射光。所述第一光探测模块111设置于所述第一反射光的光路上，用于接收所述第一反射光，并将所述第一反射光转换成第二信号。所述调制解调模块112的输入端与所述第一光探测模块111连接，用于对所述第二信号进行解调，形成稳频误差信号。所述第一PID控制模块134的输入端与所述调制解调模块112的输出端连接，用于对所述稳频误差信号进行转换，形成反馈电压信号。所述加法器133的第一输入端与所述扫描伺服模块132的输出端连接。所述加法器133的第二输入端与所述第一PID控制模块134的输出端连接，用于将所述反馈电压信号与所述周期性电压信号叠加形成谐振腔控制信号，或者将所述反馈电压信号与所述稳定电压信号叠加形成谐振腔控制信号。所述法布里-珀罗谐振腔120的控制端与所述加法器133的输出端连接，用于接收所述谐振腔控制信号。
所述可调谐激光系统200还包括第二PID控制模块113。所述第二PID控制模块113的输入端与所述调制解调模块112的输出端连接，用于对所述稳频误差信号进行转换，形成反馈电流信号。所述第二PID控制模块113的输出端与所述主激光模块100的控制端连接，用于将所述反馈电流信号传输至所述主激光模块100，实现对所述主激光模块100的电流进行调控。
本实施例中，所述主激光模块100发出具有一定波长的激光，经模式匹配入射至所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)中。经所述法布里-珀罗谐振腔120后的透射光被所述第二光探测模块131接收输入到所述扫描伺服模块132中。所述扫描伺服模块132为扫描伺服器。所述扫描伺服模块132将所述第一信号与所述第一阈值信号进行对比。
如果所述第一信号小于所述第一阈值信号，未达到所述第一阈值信号时，所述扫描伺服模块132将输出所述周期性电压信号。所述周期性电压信号施加在所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)上以改变腔长，腔长变化将改变所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)的中心透射波长。当所述主激光模块100发射的所述第一激光的波长和所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)共振时，透射光功率信号将大大增加。当所述扫描伺服模块132输出的所述周期性电压信号使得所述第二光探测模块131接收的所述第一信号大于或等于所述第一阈值信号时，所述扫描伺服模块132将停止扫描并保持输出所述稳定电压信号，电压不变，进而实现所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)的锁定，使得所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)的腔体共振峰和激光频率保持近共振。
所述主激光模块100发出具有一定波长的激光，经模式匹配入射至所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)中。经所述法布里-珀罗谐振腔120后的形成反射光。反射光经过所述第一光分束模块110被所述第一光探测模块111接收，并形成所述第二信号。所述调制解调模块112可以为信号解调器。所述第二信号经过所述调制解调模块112解调后产生所述稳频误差信号(PDH误差信号)。所述第一PID控制模块134可以为比例积分微分器。所述稳频误差信号(PDH误差信号)经过所述第一PID控制模块134输出所述反馈电压信号。所述反馈电压信号经过所述加法器133，与所述周期性电压信号或者所述稳定电压信号进行叠加形成所述谐振腔控制信号。经所述加法器133叠加之后的所述谐振腔控制信号反馈给所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)的压电陶瓷，从而实现所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)的精细锁定。
当外界环境扰动导致激光大范围偏离共振位置时，所述扫描伺服模块132将脱离锁定并重新周期扫描所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)的压电陶瓷电压，并协同所述第一PID控制模块134实现自动锁定。由于仅有共振光可以透射，因此经过所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)之后的激光，其频域噪声被大大压制。其中，对于反射率为99.9％的所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)而言，噪声被压制40dB左右。由于所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)具有宽频域滤波性，因此可以实现在宽带频率范围内进行噪声过滤。
所述稳频误差信号(PDH误差信号)经过所述第二PID控制模块113反馈给所述主激光模块100的电流。所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)能将激光频率噪声转化为强度信号。此时，通过所述第二PID控制模块113能对激光电流进行反馈，实现对所述主激光模块100的电流进行调控，进而实现激光线宽压缩。此时，通过所述可调谐激光系统200，不仅能够实现所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)的精细锁定，而且能够对激光线宽进行压缩。所述可调谐激光系统200，实现了腔体跟随自锁定技术与激光线宽压缩技术相结合，进而能够实现更优质的锁定和更好的稳定性，同时降低对主动FP腔体的压电陶瓷的反馈带宽要求。
传统系统中，当激光线宽和所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)线宽可比拟或更大时，压电陶瓷响应频率通常较低，无法压制高频噪声，信号锁定较差，导致FP腔投射激光功率不稳定和噪声较大。此时，通过本申请所述可调谐激光系统200，将腔体跟随自锁定技术与激光线宽压缩技术相结合，将高频响应反馈给激光电流，低频响应反馈给所述法布里-珀罗谐振腔120，由所述法布里-珀罗谐振腔120的压电陶瓷完成，大大降低对压电陶瓷的响应频率要求。同时，通过本申请所述可调谐激光系统200，可以实现更高质量的锁定和更优质的激光线宽和噪声压缩。
在一个实施例中，所述可调谐激光系统200还包括第二光分束模块130、光隔离模块140以及伺服激光模块150。所述第二光分束模块130设置于所述透射光的光路上，用于对所述透射光进行分束，形成第一透射光与第二透射光。所述第二光探测模块131设置于所述第一透射光的光路上，用于接收所述第一透射光。所述光隔离模块140设置于所述第二透射光的光路上，用于实现所述第二透射光的单向传输。所述伺服激光模块150设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述光隔离模块140后的所述第二透射光，形成第二激光。所述第二激光经所述光隔离模块140后输出。
经所述法布里-珀罗谐振腔120滤波和线宽压缩之后的透射光，经过所述第二光分束模块130后形成所述第二透射光。所述第二透射光通过所述光隔离模块140注入到所述伺服激光模块150。所述伺服激光模块150可以为伺服激光器，实现激光功率的进一步放大。此时，通过将所述第二透射光注入所述伺服激光模块150，可将所述伺服激光模块150的激光功率提升1到2两个数量级，扩宽了应用范围。
因此，本申请所述可调谐激光系统200综合利用所述法布里-珀罗谐振腔120腔体自锁定、PDH线宽压缩和注入锁定，大大降低了对主动FP腔的压电陶瓷响应频率的要求。并且，所述可调谐激光系统200可以实现在宽频域范围内的激光噪声压制，实现激光线宽2～3个量级的压缩以及全调谐范围内的自动跟随锁定。所以，所述可调谐激光系统200解决了外腔半导体激光器的激光频率噪声和线宽较差的问题，大大的提高了激光器相干性、鲁棒性和实用性。
在一个实施例中，所述主激光模块100可以为外腔半导体激光器，中心波长为671nm，激光线宽约为1MHz，通过激光器的激光头的接口可以对其进行电流调制。所述法布里-珀罗谐振腔120的腔长为10cm，反射率为99.7％，对应的自由光谱范围(free spectralrange，FSR)为1.5GHz，精细度约为1000，对应腔体透射线宽为1.5MHz。
在一个实施例中，所述第一光探测模块111为最大响应频率为1GHz的交流光电探测器。所述第二光探测模块131为直流光电探测器。所述伺服激光模块150为中心频率为670nm的增透镀膜的激光二极管子。
请参见图3，在一个实施例中，所述法布里-珀罗谐振腔120包括压电陶瓷121。所述压电陶瓷121的控制端与所述加法器133的输出端连接，用于接收所述谐振腔控制信号。所述法布里-珀罗谐振腔120还包括两个平行平面反射镜122。所述压电陶瓷121设置在所述平面反射镜122的背面。所述第一激光通过模式匹配耦合进所述法布里-珀罗谐振腔120中。
本实施例中，所述反馈电压信号经过所述加法器133，与所述周期性电压信号或者所述稳定电压信号进行叠加形成所述谐振腔控制信号。经所述加法器133叠加之后的所述谐振腔控制信号施加到所述法布里-珀罗谐振腔120(FP)的压电陶瓷121上以改变腔长，腔长变化将改变FP腔中心透射波长。
在一个实施例中，所述调制解调模块112包括低通滤波器260、混频器270以及调制器280。所述混频器270的输入端与所述第一光探测模块111连接，用于接收所述第二信号。所述调制器280的输入端与所述混频器270的第一输出端连接。所述调制器280的输出端与所述主激光模块100的电流调制接口连接，用于对所述主激光模块100的电流进行调制。所述低通滤波器260的输入端与所述混频器270的第二输出端连接。所述低通滤波器260的输出端用于输出所述稳频误差信号。所述第一光分束模块110包括第一偏振分光棱镜221与第一四分之一波片220。所述第一偏振分光棱镜221设置于所述第一激光的光路上。所述第一四分之一波片220设置于所述第一激光的光路上。所述反射光依次经所述第一四分之一波片220与所述第一偏振分光棱镜221形成所述第一反射光，所述第一反射光入射至所述第一光探测模块111。
所述可调谐激光系统200还包括信号分束器250。所述信号分束器250的输入端与所述低通滤波器260的输出端连接。所述信号分束器250的第一输出端与所述第一PID控制模块134的输入端连接。所述信号分束器250的第二输出端与所述第二PID控制模块113的输入端连接。
本实施例中，所述调制器280连接所述主激光模块100的电流调制接口，进行30MHz的频率调制。此时，所述主激光模块100输出的激光在频域上除了主峰之外，含有两个30MHz的边带。经所述法布里-珀罗谐振腔120反射的激光，依次经过所述第一四分之一波片220与所述第一偏振分光棱镜221之后被所述第一光探测模块111接收，经所述混频器270和10MHz的所述低通滤波器260产生标准的PDH误差信号。PDH误差信号被所述信号分束器250等比例分为两路。一路给所述第二PID控制模块113，所述第二PID控制模块113为比例积分微分器。通过对激光电流反馈，实现所述第一激光和所述法布里-珀罗谐振腔120的高频锁定，使得激光线宽压缩。另外一路输入到所述第一PID控制模块134经所述加法器133与所述扫描伺服模块132的输出电压叠加，反馈给所述法布里-珀罗谐振腔120的压电陶瓷121，实现激光和FP腔的低频锁定。
在一个实施例中，所述可调谐激光系统200还包括单模光纤210。所述单模光纤210的输入端与所述主激光模块100连接。所述单模光纤210的输出端与所述第一光分束模块110连接。
本实施例中，所述主激光模块100输出的激光经过所述单模光纤210过滤高阶横模，调节所述单模光纤210出口的准直器焦距对FP腔进行模式匹配。同时，所述主激光模块100输出的所述第一激光依次经过所述单模光纤210、所述第一偏振分光棱镜221以及所述第一四分之一波片220后形成圆偏光，圆偏光入射至所述法布里-珀罗谐振腔120中。
在一个实施例中，所述第二光分束模块130包括第二四分之一波片230、第一半波片240以及第二偏振分光棱镜350。所述第二四分之一波片230设置于所述透射光的光路上。所述第一半波片240设置于所述透射光的光路上，用于接收经所述第二四分之一波片230后的所述透射光。所述第二偏振分光棱镜350设置于所述透射光的光路上，用于接收经所述第一半波片240后的所述透射光。经所述第二偏振分光棱镜350后的所述透射光形成所述第一透射光与所述第二透射光。
本实施例中，经所述法布里-珀罗谐振腔120形成的所述透射光，依次经过所述第二四分之一波片230、所述第一半波片240以及所述第二偏振分光棱镜350后被所述第二光探测模块131接收。
在一个实施例中，所述可调谐激光系统200还包括光路转换模块341、第二半波片310、第三半波片300以及透镜290。所述光路转换模块341设置于所述第二透射光的光路上，用于对所述第二透射光进行光路转换。所述第二半波片310设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述光路转换模块341后的所述第二透射光。经所述第二半波片310后的所述第二透射光入射至所述光隔离模块140。所述第三半波片300设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述光隔离模块140后的所述第二透射光。所述透镜290设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述第三半波片300后的所述第二透射光。经所述透镜290后的所述第二透射光入射至所述伺服激光模块150。
本实施例中，所述第一激光经过所述法布里-珀罗谐振腔120噪声过滤和线宽压缩之后，输出光功率减低了。为了进一步增大激光功率，将滤波和线宽压缩之后的所述第二透射光注入所述伺服激光模块150中，并经过所述光隔离模块140之后输出激光功率较大的激光。
在一个实施例中，所述光隔离模块140可以为隔离器。所述伺服激光模块150可以为中心波长为670nm的伺服激光二极管。所述主激光模块100的注入激光功率为3mW，并输出所述第一激光。所述第一激光经过所述法布里-珀罗谐振腔120噪声过滤和线宽压缩之后输出光功率为1mW。为了进一步增大激光功率，将滤波和线宽压缩之后的所述第二透射光注入到中心波长为670nm的伺服激光二极管中，并经过隔离器之后激光输出激光功率大于20mW。
在一个实施例中，所述光路转换模块341包括第一反射镜340、第二反射镜330以及第三反射镜320。所述第一反射镜340设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述第二偏振分光棱镜350后的所述第二透射光。所述第二反射镜330设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述第一反射镜340后的所述第二透射光。所述第三反射镜320设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述第二反射镜330后的所述第二透射光。经所述第三反射镜320后的所述第二透射光入射至所述第二半波片310。
本实施例中，通过所述第一反射镜340、所述第二反射镜330以及所述第三反射镜320对所述第二透射光的光路进行转换，并经过所述光隔离模块140注入到所述伺服激光模块150中，实现激光功率的进一步放大。此时，通过所述第一反射镜340、所述第二反射镜330以及所述第三反射镜320对所述第二透射光的光路进行转换，可以更有利于集成，缩小整体所述可调谐激光系统200的体积。
请参见图4，图4中400表示所述扫描伺服模块132的输入端的输入信号(即上述实施例中经所述第二光探测模块131将所述透射光转换形成的所述第一信号)。图4中410表示所述第一阈值信号。图4中420表示周期性扫描压电陶瓷电压(即上述实施例中所述周期性电压信号)，用于施加到所述压电陶瓷121上。图4中430表示所述扫描伺服模块132输出的不变电压(即上述实施例中所述稳定电压信号)。图4中440表示PDH误差信号(即上述实施例中所述稳频误差信号)。
结合图4所示，当所述主激光模块100的激光器频率和所述法布里-珀罗谐振腔120的腔体中心频率非共振时，所述第二光探测模块131输出的所述第一信号为图4中400平坦的部分，透射信号几乎为0。当所述主激光模块100的激光器频率和所述法布里-珀罗谐振腔120的腔体中心频率共振时，透射信号变为400中的尖峰信号。此时，440信号为三尖瓣的PDH误差信号，此信号将用来进行激光线宽压缩和腔体精细锁定。为了确保所述主激光模块100的激光器频率和所述法布里-珀罗谐振腔120的腔体中心频率接近，需要在所述扫描伺服模块132中设定所述第一阈值信号，即图4中410。其中，410小于400峰值但大于0。
在本实例中将所述第一阈值信号设定为0.5倍的400峰值。当400信号小于410值时，所述扫描伺服模块132将会周期性扫描压电陶瓷电压，如图4中420所示。当400信号等于410时，即A点处的电压，所述扫描伺服模块132将保持此电压不变，如430所示。同时，440误差信号通过所述第一PID控制模块134产生反馈信号叠加在A点电压上，使得所述法布里-珀罗谐振腔120锁定在440B点位置，即完全共振位置。440信号一部分作为所述第二PID控制模块113的输入，所述第二PID控制模块113的输出信号反馈给所述主激光模块100的电流，利用电流快速反馈的特性进行所述第一激光与所述法布里-珀罗谐振腔120(FP腔)的高频锁定，实现线宽压缩。这部分的反馈将使得所述法布里-珀罗谐振腔120(FP腔)的压电陶瓷121的反馈只需要响应较低频率的噪声，大大降低了系统对压电陶瓷121响应频率的要求。
请参见图5，采用传统的可调谐激光系统时，所述第二光探测模块131的透射信号如图5中的520所示，信号呈现梳齿状，意味着此时所述法布里-珀罗谐振腔120(FP腔)的压电陶瓷121的反馈带宽小于PDH误差信号的频率，激光与FP腔的锁定不稳定。然而，采用本申请提供的可调谐激光系统200，透射信号就变得非常纯净，如图5中510所示，表示锁定非常稳定。
因此，通过所述可调谐激光系统200，可以过滤激光的其它纵模与背景自发辐射输出并压制频谱噪声，提高了激光相干性。同时，所述可调谐激光系统200利用两路比例积分微分(PID)电路和一路扫描伺服器电路实现了激光与光学腔体的自动锁定以及频谱噪声压缩，大大提高窄线宽激光系统的可调谐性和实用性。所述可调谐激光系统200可以实现在宽频域范围内的激光噪声压制，并实现激光线宽从MHz到kHz量级的压缩，实现窄线宽激光输出，且实现全调谐范围内激光对FP腔的自动跟随锁定，无需人为干预。同时，所述可调谐激光系统200对主动FP腔的压电陶瓷响应频率要求低，具有更高的鲁棒性。
本申请的所述可调谐激光系统200，通过主动FP腔体自动跟随锁定以及同时对激光电流进行高频反馈，能够提供波长可大范围调谐的窄线宽和无边带的光源，此时，所述可调谐激光系统200可以应用于对激光线宽要求较高、频率调节范围要求较大的领域，例如精密光谱学、精密测量等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种可调谐激光系统，其特征在于，所述可调谐激光系统包括：
主激光模块(100)，用于发射第一激光；
第一光分束模块(110)，设置于所述第一激光的光路上，所述第一激光经过所述第一光分束模块(110)形成初始透射光；
法布里-珀罗谐振腔(120)，设置于所述第一激光的光路上，所述初始透射光部分经所述法布里-珀罗谐振腔(120)透射，形成透射光，所述初始透射光部分经所述法布里-珀罗谐振腔(120)反射，形成反射光；
所述反射光被所述第一光分束模块(110)反射，形成第一反射光；
第二光探测模块(131)，设置于所述透射光的光路上，用于接收所述透射光，并将所述透射光转换成第一信号；
扫描伺服模块(132)，所述扫描伺服模块(132)的输入端与所述第二光探测模块(131)连接，用于接收所述第一信号，并将所述第一信号与第一阈值信号进行对比；若所述第一信号小于所述第一阈值信号时，则所述扫描伺服模块(132)输出周期性电压信号；若所述第一信号大于或等于所述第一阈值信号时，则所述扫描伺服模块(132)输出稳定电压信号；
第一光探测模块(111)，设置于所述第一反射光的光路上，用于接收所述第一反射光，并将所述第一反射光转换成第二信号；
调制解调模块(112)，所述调制解调模块(112)的输入端与所述第一光探测模块(111)连接，用于对所述第二信号进行解调，形成稳频误差信号；
第一PID控制模块(134)，所述第一PID控制模块(134)的输入端与所述调制解调模块(112)的输出端连接，用于对所述稳频误差信号进行转换，形成反馈电压信号；
加法器(133)，所述加法器(133)的第一输入端与所述扫描伺服模块(132)的输出端连接，所述加法器(133)的第二输入端与所述第一PID控制模块(134)的输出端连接，用于将所述反馈电压信号与所述周期性电压信号叠加形成谐振腔控制信号，或者将所述反馈电压信号与所述稳定电压信号叠加形成谐振腔控制信号；
所述法布里-珀罗谐振腔(120)的控制端与所述加法器(133)的输出端连接，用于接收所述谐振腔控制信号；
第二PID控制模块(113)，所述第二PID控制模块(113)的输入端与所述调制解调模块(112)的输出端连接，用于对所述稳频误差信号进行转换，形成反馈电流信号；
所述第二PID控制模块(113)的输出端与所述主激光模块(100)的控制端连接，用于将所述反馈电流信号传输至所述主激光模块(100)，实现对所述主激光模块(100)的电流进行调控。
2.根据权利要求1所述的可调谐激光系统，其特征在于，所述可调谐激光系统还包括：
第二光分束模块(130)，设置于所述透射光的光路上，用于对所述透射光进行分束，形成第一透射光与第二透射光；
所述第二光探测模块(131)设置于所述第一透射光的光路上，用于接收所述第一透射光；
光隔离模块(140)，设置于所述第二透射光的光路上，用于实现所述第二透射光的单向传输；
伺服激光模块(150)，设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述光隔离模块(140)后的所述第二透射光，形成第二激光；
所述第二激光经所述光隔离模块(140)后输出。
3.根据权利要求1所述的可调谐激光系统，其特征在于，所述法布里-珀罗谐振腔(120)包括压电陶瓷(121)；
所述压电陶瓷(121)的控制端与所述加法器(133)的输出端连接，用于接收所述谐振腔控制信号。
4.根据权利要求1所述的可调谐激光系统，其特征在于，所述调制解调模块(112)包括：
混频器(270)，所述混频器(270)的输入端与所述第一光探测模块(111)连接，用于接收所述第二信号；
调制器(280)，所述调制器(280)的输入端与所述混频器(270)的第一输出端连接，所述调制器(280)的输出端与所述主激光模块(100)的电流调制接口连接，用于对所述主激光模块(100)的电流进行调制；
低通滤波器(260)，所述低通滤波器(260)的输入端与所述混频器(270)的第二输出端连接，所述低通滤波器(260)的输出端用于输出所述稳频误差信号。
5.根据权利要求4所述的可调谐激光系统，其特征在于，所述可调谐激光系统还包括信号分束器(250)，所述信号分束器(250)的输入端与所述低通滤波器(260)的输出端连接，所述信号分束器(250)的第一输出端与所述第一PID控制模块(134)的输入端连接，所述信号分束器(250)的第二输出端与所述第二PID控制模块(113)的输入端连接。
6.根据权利要求1所述的可调谐激光系统，其特征在于，所述第一光分束模块(110)包括：
第一偏振分光棱镜(221)，设置于所述第一激光的光路上；
第一四分之一波片(220)，设置于所述第一激光的光路上；
所述反射光依次经所述第一四分之一波片(220)与所述第一偏振分光棱镜(221)形成所述第一反射光，所述第一反射光入射至所述第一光探测模块(111)。
7.根据权利要求2所述的可调谐激光系统，其特征在于，所述第二光分束模块(130)包括：
第二四分之一波片(230)，设置于所述透射光的光路上；
第一半波片(240)，设置于所述透射光的光路上，用于接收经所述第二四分之一波片(230)后的所述透射光；
第二偏振分光棱镜(350)，设置于所述透射光的光路上，用于接收经所述第一半波片(240)后的所述透射光；
经所述第二偏振分光棱镜(350)后的所述透射光形成所述第一透射光与所述第二透射光。
8.根据权利要求7所述的可调谐激光系统，其特征在于，所述可调谐激光系统包括：
光路转换模块(341)，设置于所述第二透射光的光路上，用于对所述第二透射光进行光路转换；
第二半波片(310)，设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述光路转换模块(341)后的所述第二透射光；
经所述第二半波片(310)后的所述第二透射光入射至所述光隔离模块(140)；
第三半波片(300)，设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述光隔离模块(140)后的所述第二透射光；
透镜(290)，设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述第三半波片(300)后的所述第二透射光；
经所述透镜(290)后的所述第二透射光入射至所述伺服激光模块(150)。
9.根据权利要求8所述的可调谐激光系统，其特征在于，所述光路转换模块(341)包括：
第一反射镜(340)，设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述第二偏振分光棱镜(350)后的所述第二透射光；
第二反射镜(330)，设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述第一反射镜(340)后的所述第二透射光；
第三反射镜(320)，设置于所述第二透射光的光路上，用于接收经所述第二反射镜(330)后的所述第二透射光；
经所述第三反射镜(320)后的所述第二透射光入射至所述第二半波片(310)。
10.根据权利要求1所述的可调谐激光系统，其特征在于，所述可调谐激光系统还包括单模光纤(210)，所述单模光纤(210)的输入端与所述主激光模块(100)连接，所述单模光纤(210)的输出端与所述第一光分束模块(110)连接。
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