CN112952534A - 一种利用倍频腔抑制激光强度噪声的装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用倍频腔抑制激光强度噪声的装置及其测量方法，1550nm单频激光器发出的基频光经电光调制器、透镜、法拉第隔离器、双色镜后入射到倍频腔，倍频腔的反射信号被锁相回路探测，双色镜是对基频光高透、倍频光高反的镜片，倍频腔经参量上转换过程产生的波长为775nm的倍频光经双色镜反射后，入射至功率计进行探测功率，第一探测器设置在倍频腔的另一端，用于接收并探测倍频腔透射峰信号，经倍频腔产生的倍频光的功率被功率计探测，倍频腔产生的返回基频信号经法拉第隔离器的分束棱镜、功率波片后，被第二探测器接收并探测，第二探测器产生的探测信号由频谱仪接收并探测。本发明调节精确、方便、直观等优点，可以广泛应用于倍频腔应用领域。

Description

一种利用倍频腔抑制激光强度噪声的装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种利用倍频腔抑制激光强度噪声的装置及其测量方法。

背景技术

激光技术的应用使得我们的生产技术、医疗技术等都获得了新的发展。其作用不仅仅体现在生产经济领域，还体现在国防军事领域，为此，世界各国都致力于加强对激光的研究。全固态1550nm单频激光器作为近年来新兴的1550nm单频激光器，只有半个世纪的发展史，但是却在激光领域占有重要地位。全固态1550nm单频激光器又称半导体泵浦固体1550nm单频激光器，简称DPSS(Diode Pumped Solid State laser)。全固态单频(单纵模)1550nm单频激光器更是以窄线宽、低噪声的优良特性大幅提升了微弱信号测量的精度。而对于实验上的低频探测如引力波探测器，就需要实现高功率、高稳定、低噪声的激光输出。

激光精密测量的测量精度主要受限于光场噪声和各种技术噪声，在去耦合技术噪声后，光场量子噪声成为限制其测量精度的主要因素。在量子光学中,量子噪声包括散粒噪声和量子辐射压力噪声。经过几十年的发展，已形成多种不同的方法可以用来稳定激光功率噪声，其中技术最为成熟的是被动滤波和主动反馈控制降噪。但两种技术也都存在缺点：在被动滤波降噪中，大多数光学器件降噪受限于器件的频率特性，只能满足器件特定参数范围内的噪声抑制，抑噪水平有限，并且环境中的额外噪声也会通过器件耦合到光束中，这将降低有效的噪声滤波效果。在主动反馈控制降噪中，降噪水平主要受限于控制环路的带宽，通常控制环路的带宽越大，在特定频率处环路的增益就越高。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足，提供一种利用倍频腔抑制激光强度噪声的装置及其测量方法，利用倍频腔实现宽频段激光强度噪声抑制，无需反馈控制环路增益带宽限制，装置简单，易操作，并且使激光强度噪声降低，改善实验上激光的性能。

为实现本发明目的而提供的一种利用倍频腔抑制激光强度噪声的装置及其测量方法，包括1550nm单频激光器、法拉第隔离器、倍频腔、功率波片、功率计、频谱仪、双色镜、电光调制器、锁相回路和第一探测器、第二探测器，所述1550nm单频激光器发出的基频光经所述电光调制器、透镜、法拉第隔离器、双色镜后入射到所述倍频腔，所述倍频腔的反射信号被所述锁相回路探测，所述双色镜是对基频光高透、倍频光高反的镜片，所述倍频腔经参量上转换过程产生的波长为775nm的倍频光经双色镜反射后，入射至功率计进行探测功率，所述第一探测器设置在倍频腔的另一端，用于接收并探测所述倍频腔透射峰信号，经所述倍频腔产生的倍频光的功率被所述功率计探测，所述倍频腔产生的返回基频信号经所述法拉第隔离器的分束棱镜、功率波片后，被所述第二探测器接收并探测，所述第二探测器产生的探测信号由所述频谱仪接收并探测。法拉第隔离器用于隔离倍频腔的两个镜面产生的两个反射信号，以保护1550nm单频激光器，避免反射光反馈至1550nm单频激光器内，造成1550nm单频激光器损坏。

作为上述方案的进一步改进，所述倍频腔为两镜腔或多晶腔，且所述倍频腔内至少一片腔镜上设置有用于改变腔长的压电陶瓷。

作为上述方案的进一步改进，所述倍频腔由弯月形凹面镜和非线性晶体组成。

作为上述方案的进一步改进，所述非线性晶体为PPKTP、PPLN、KTP、LBO、BBO或BIBO。

作为上述方案的进一步改进，所述非线性晶体为PPKTP晶体，尺寸为1*2*10mm，所述非线性晶体的前端面凸面曲率半径为12mm，镀膜为HR1550nm/775nm，用以充当倍频腔的输入镜；非线性晶体的后端面为平面，镀膜为AR1550/775。

作为上述方案的进一步改进，所述弯月形凹面镜的曲率半径为25mm，凹面镀膜T775＝2.5％、T1550＝15％，弯月形凹面镜的后端面镀膜AR1550/775。弯月形凹面镜的弯月形设计可以保证激光通过时，不会改变光斑大小，有助于辅助光路的调节。

作为上述方案的进一步改进，所述倍频腔的总腔长为31mm，对应的基模腰斑半径为49μm，基模腰斑位置在非线性晶体的中心。

作为上述方案的进一步改进，所述双色镜的两面均有镀膜，一面为HT1550nm/HR775nm，另一面为AR1550nm/775nm。当1550nm的基频光入射到双色镜上时，可以透射至倍频腔中，当775nm的倍频光从倍频腔中射出至双色镜上时，可以反射至功率计中。此外，本实施例中，双色镜的镀膜也可以是对基频光1550nm高反，对倍频光775nm高透，则倍频腔应设置在双色镜的光反射方向上。双色镜另一面设置增透膜1550nm/775nm，可以降低从倍频腔中出来的基频光和倍频光的功率损耗，使进入功率计的光功率增加，提高系统的信噪比。

采用权利要求1中装置进行倍频腔降低激光强度噪声的测量方法，包括有如下步骤：

第一步：扫描倍频腔的腔长，使第一探测器可以探测到倍频腔在一个自由光谱区范围的透射峰曲线，不断调节透镜，通过第一探测器观察并记录基频光入射到倍频腔的模式匹配效率，直至匹配效率达到最高；

第二步：通过锁相回路对倍频腔的反射信号进行相位锁定；

第三步：调节倍频腔中的非线性晶体的温度，并通过功率计测量各个温度点下倍频腔中输出的倍频光的功率；

第四步：根据倍频光的功率值随非线性晶体温度的变化曲线，得到倍频腔的转化效率。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明通过把基频光注入倍频腔，产生倍频光；通过改变倍频腔内非线性晶体的温度，观察倍频光的输出功率，比较不同温度下倍频腔的转换效率。实验结果显示出明显地降低光场强度噪声的效果，具有调节精确、方便、直观等优点。

附图说明

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明的原理示意简图。

具体实施方式

理论分析：

由于1550nm单频激光器1发出的角频率为ω的基频光2中也存在着各种频率的噪声，当基频光2经过倍频腔7后，只有基频光2中满足阻抗匹配的部分才可以转变为倍频光8，因此倍频腔7中存在着一个转化效率的问题。我们用η来表征：η＝P_2ωout/P_ωin,其中P_2ωout指倍频腔7输出的倍频光8的功率，P_ωin指输入倍频腔7的基频光2的功率。倍频腔7的转换效率与温度和光功率有关，此发明只用调节倍频腔7的温度，倍频腔7转换效率与温度的关系可以用sinc函数又称辛格函数来表示。本装置即通过控制倍频腔7内非线性晶体的温度来改变激光通过倍频腔7后的转化效率。倍频腔7此时相当于一个低通滤波器，通过控制温度使带宽内的噪声通过倍频腔7，反射回来的噪声通过第二探测器13显示在频谱仪14上，使η值增大，激光转化效率增大，达到降低激光强度噪声的目的。

其中要特别注意的是：

1550nm单频激光器1输入倍频腔7的值是一个定值。调节倍频腔7温度，通过观测功率计11和频谱仪14(降噪水平)的数值来表征转化效率η。使用功率波片10调节功率，控制进入第二探测器13的数值也是一个定值，保证在同一功率下观察η值的改变对于降噪的影响。

实施例一：

如图1所示，本发明提供的一种利用倍频腔抑制激光强度噪声的装置，包括1550nm单频激光器1、法拉第隔离器5、倍频腔7、功率波片10、功率计11、频谱仪14、双色镜6、电光调制器3、锁相回路12和第一探测器9、第二探测器13，其中电光调制器3用于光电信号转变，并且施加120MHz的正弦波信号，1550nm单频激光器1发出的基频光2经电光调制器3、透镜4、法拉第隔离器5、双色镜6后入射到倍频腔7，倍频腔7的反射信号被锁相回路12探测，双色镜6是对基频光2高透、倍频光8高反的镜片，倍频腔7经参量上转换过程产生的波长为775nm的倍频光8经双色镜6反射后，入射至功率计11进行探测功率，第一探测器9设置在倍频腔7的另一端，用于接收并探测倍频腔7透射峰信号，经倍频腔7产生的倍频光8的功率被功率计11探测，倍频腔7产生的返回基频信号经法拉第隔离器5的分束棱镜、功率波片10后，被第二探测器13接收并探测，第二探测器13产生的探测信号由频谱仪14接收并探测。

采用上述装置进行倍频腔降低激光强度噪声的测量方法，包括有如下步骤：

第一步：扫描倍频腔7的腔长，使第一探测器9可以探测到倍频腔7在一个自由光谱区范围的透射峰曲线，不断调节透镜4，通过第一探测器9观察并记录基频光2入射到倍频腔7的模式匹配效率，直至匹配效率达到最高；

第二步：通过锁相回路12对倍频腔7的反射信号进行相位锁定；

第三步：调节倍频腔7中的非线性晶体的温度，并通过功率计11测量各个温度点下倍频腔7中输出的倍频光8的功率；

第四步：根据倍频光8的功率值随非线性晶体温度的变化曲线，得到倍频腔7的转化效率。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，所采用的倍频腔7不同。本实例中的倍频腔7采用四镜腔，由两个凹面镜、两个平面镜和一块PPKTP晶体组成。需要说明的是，由于本实施例中，倍频腔7的结构不同，则用于探测倍频腔7透射峰的第一探测器9与用于探测倍频光8功率的功率计11需要设置在同一光路上。

以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种利用倍频腔抑制激光强度噪声的装置，其特征在于：包括1550nm单频激光器、法拉第隔离器、倍频腔、功率波片、功率计、频谱仪、双色镜、电光调制器、锁相回路和第一探测器、第二探测器，所述1550nm单频激光器发出的基频光经所述电光调制器、透镜、法拉第隔离器、双色镜后入射到所述倍频腔，所述倍频腔的反射信号被所述锁相回路探测，所述双色镜是对基频光高透、倍频光高反的镜片，所述倍频腔经参量上转换过程产生的波长为775nm的倍频光经双色镜反射后，入射至功率计进行探测功率，所述第一探测器设置在倍频腔的另一端，用于接收并探测所述倍频腔透射峰信号，经所述倍频腔产生的倍频光的功率被所述功率计探测，所述倍频腔产生的返回基频信号经所述法拉第隔离器的分束棱镜、功率波片后，被所述第二探测器接收并探测，所述第二探测器产生的探测信号由所述频谱仪接收并探测。

2.根据权利要求1所述的一种利用倍频腔抑制激光强度噪声的装置，其特征在于：所述倍频腔为两镜腔或多晶腔，且所述倍频腔内至少一片腔镜上设置有用于改变腔长的压电陶瓷。

3.根据权利要求2所述的一种利用倍频腔抑制激光强度噪声的装置，其特征在于：所述倍频腔由弯月形凹面镜和非线性晶体组成。

4.根据权利要求3所述的一种利用倍频腔抑制激光强度噪声的装置，其特征在于：所述非线性晶体为PPKTP、PPLN、KTP、LBO、BBO或BIBO。

5.根据权利要求4所述的一种利用倍频腔抑制激光强度噪声的装置，其特征在于：所述非线性晶体为PPKTP晶体，尺寸为1*2*10mm，所述非线性晶体的前端面凸面曲率半径为12mm，镀膜为HR1550nm/775nm，用以充当倍频腔的输入镜；非线性晶体的后端面为平面，镀膜为AR1550/775。

6.根据权利要求4所述的一种利用倍频腔抑制激光强度噪声的装置，其特征在于：所述弯月形凹面镜的曲率半径为25mm，凹面镀膜T775＝2.5％、T1550＝15％，弯月形凹面镜的后端面镀膜AR1550/775。

7.根据权利要求3所述的一种利用倍频腔抑制激光强度噪声的装置，其特征在于：所述倍频腔的总腔长为31mm，对应的基模腰斑半径为49μm，基模腰斑位置在非线性晶体的中心。

8.根据权利要求1所述的一种利用倍频腔抑制激光强度噪声的装置，其特征在于：所述双色镜的两面均有镀膜，一面为HT1550nm/HR775nm，另一面为AR1550nm/775nm。

9.采用权利要求1中装置进行倍频腔降低激光强度噪声的测量方法，其特征在于：包括有如下步骤：

第一步：扫描倍频腔的腔长，使第一探测器可以探测到倍频腔在一个自由光谱区范围的透射峰曲线，不断调节透镜，通过第一探测器观察并记录基频光入射到倍频腔的模式匹配效率，直至匹配效率达到最高；

第二步：通过锁相回路对倍频腔的反射信号进行相位锁定；

第三步：调节倍频腔中的非线性晶体的温度，并通过功率计测量各个温度点下倍频腔中输出的倍频光的功率；

第四步：根据倍频光的功率值随非线性晶体温度的变化曲线，得到倍频腔的转化效率。

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