CN113285343A - 双频稳频激光器及光束分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双频稳频激光器及其光束分离方法，其中的双频稳频激光器包括：窄线宽单频激光光源、设置在窄线宽单频激光光源一侧的稳频装置和第一分束单元；其中，窄线宽单频激光光源经第一分束单元分束后，形成第一分束光路和第二分束光路；在第一分束光路上依次设置有偏振分束器、第一移频器、第二分束单元和第一光纤耦合器，在第二分束光路上依次设置有反射镜、第三分束单元和第三光纤耦合器；在第二分束单元和第三分束单元之间设置有合束器和第二光纤耦合器；第一光纤耦合器和第三光纤耦合器分别输出恒定频差的单频激光信号，第二光纤耦合器输出拍频信号。利用上述发明激光输出频率波动小，准确度高。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，更为具体地，涉及一种双频稳频激光器及利用双频稳频激光器进行光束分离的方法。
背景技术
目前，外差激光干涉测量系统主要由双频激光光源、激光干涉仪镜组和信号处理单元三个部分组成，其原理是应用两种不同频率的激光实现对目标位移的测量。外差激光干涉仪是在零差激光干涉仪的基础上发展的一种双频激光干涉仪，和单频激光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种以波长为基准、对被测长度进行度量的仪器。现有，外差激光干涉测量系统对激光光源的需求通常为：输出两种不同频率且偏振态相互正交的两束激光。
现有，双频激光器产品中通常包含单频激光光源、激光分束元件、移频元件及激光合束元件等，通常使用塞曼分裂技术或声光移频技术实现双频激光产生。其中，塞曼效应是将磁场作用于激光管上，通过光谱在磁场中的分裂得到双频激光束，但两频率激光的频差较小，不利于精密测量的实际应用需求。而声光移频技术是将声光元器件放入光路中通过对声光晶体施加电压使激光产生移频效应，移频频差可达到500MHz。
可知，上述两种方案输出的双频激光多为同轴自由空间传输光束，在超精密测量系统中容易引入偏振混叠误差，且不利于后续全光纤化的超精密测量使用需求。此外，现有光源中没有使用激光波长稳频技术，激光输出频率波动较大，容易在精密测量中引入额外误差。另外，在现有的部分超精密测量系统中不仅需要使用两束双频激光作为测量光和参考光，还需要使用双频激光的拍频信号作为系统补偿信号，而市面上的多数产品无法满足这些需求。
因此，目前提供一种具有稳频系统、无偏振混叠、具有较大频差且具有补偿信号的双频激光器是一个急需解决的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种双频稳频激光器及光束分离方法，以解决现有激光器存在的输出频率波动较大、容易在精密测量中引入额外误差，无法满足产品需求等问题。
本发明提供的双频稳频激光器，包括窄线宽单频激光光源、设置在窄线宽单频激光光源一侧的稳频装置和第一分束单元；其中，窄线宽单频激光光源经第一分束单元分束后，形成第一分束光路和第二分束光路；在第一分束光路上依次设置有偏振分束器、第一移频器、第二分束单元和第一光纤耦合器，在第二分束光路上依次设置有反射镜、第三分束单元和第三光纤耦合器；在第二分束单元和第三分束单元之间设置有合束器和第二光纤耦合器；第一光纤耦合器和第三光纤耦合器分别输出恒定频差的单频激光信号，第二光纤耦合器输出拍频信号。
此外，优选的技术方案是，稳频装置包括与窄线宽单频激光光源连接的锁频器控制器、与锁频器控制器连接的锁频光学元件；并且，锁频光学元件与第一分束单元连接；锁频光学元件和锁频器控制器，配合用于对窄线宽单频激光光源的频率进行锁定。
此外，优选的技术方案是，锁频光学元件包括原子饱和吸收谱装置、兰姆凹陷稳频装置或者塞曼稳频装置；锁频器控制器包括PID锁频器、自抗扰控制器或者模糊PID控制器。
此外，优选的技术方案是，窄线宽单频激光光源包括光纤激光器、半导体激光器、气体激光器或固体激光器。
此外，优选的技术方案是，第一分束单元、第二分束单元或第三分束单元分别包括激光分束器、功率分束立方或者功率分束薄膜。
此外，优选的技术方案是，在反射镜和第三光纤耦合器之间还设置有第二移频器；第二移频器和第一移频器之间设置有频率合成器；频率合成器用于驱动第一移频器和第二移频器对光束进行移频处理。
此外，优选的技术方案是，第一移频器和第二移频器分别包括声光移频器或电光移频器。
此外，优选的技术方案是，第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器输出的三路激光分别通过对应的光纤传输；光纤包括单模保偏光纤、偏振光纤或者阶梯折射率多模光纤。
此外，优选的技术方案是，第一光纤耦合器和第三光纤耦合器输出的单频激光信号之间的频差可调范围为0MHz～500MHz；拍频信号的频率可调范围为0MHz～500MHz。
根据本发明的另一方面，提供一种双频稳频激光器的光束分离方法，利用上述双频稳频激光器进行光束分离，方法包括：窄线宽单频激光光源发射的光线经第一分束单元分束后，形成第一分束光和第二分束光；第一分束光通过偏振分束器再次进行分束，形成第三分束光和第四分束光；第二分束光通过稳频装置反馈至窄线宽单频激光光源；第三分束光依次通过第一移频器、第二分束单元和第一光纤耦合器，形成第一单频激光信号；同时，第四分束光依次通过反射镜、第三分束单元和第三光纤耦合器，形成第二单频激光信号；第二分束单元和第三分束单元的输出光，同时通过合束器和第二光纤耦合器，形成拍频信号。
利用上述双频稳频激光器及光束分离方法，窄线宽单频激光光源经第一分束单元分束后，形成第一分束光路和第二分束光路，在第一分束光路上依次设置有偏振分束器、第一移频器、第二分束单元和第一光纤耦合器，在第二分束光路上依次设置有反射镜、第三分束单元和第三光纤耦合器；在第二分束单元和第三分束单元之间设置有合束器和第二光纤耦合器；第一光纤耦合器和第三光纤耦合器分别输出恒定频差的单频激光信号，第二光纤耦合器输出拍频信号，即能实现双频激光分离传输在实际应用中容易引入偏振混叠误差的问题，又能为后续全光纤化应用系统提供可用接口。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的双频稳频激光器的原理图一；
图2为根据本发明实施例的双频稳频激光器的原理图二；
图3示出了根据本发明实施例的双频稳频激光器的光束分离方法的流程图。
其中的附图标记包括：窄线宽单频激光光源101、第一分束单元102、锁频光学元件103、锁频器控制器104、偏振分束器105、第一移频器106、第二移频器107、反射镜108、第二分束单元109、合束器110、第三分束单元111、第一光纤耦合器112、第二光纤耦合器113、第三光纤耦合器114、频率合成器115、第一分束单元202、稳频装置203。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。
为详细描述本发明的双频稳频激光器及光束分离方法，以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1示出了根据本发明实施例的双频稳频激光器的示意原理。
如图1所示，本发明实施例的双频稳频激光器，包括窄线宽单频激光光源101、设置在窄线宽单频激光光源101一侧的稳频装置203和第一分束单元202；其中，稳频装置203用于通过反馈回路对窄线宽单频激光光源101进行稳定处理，窄线宽单频激光光源101经第一分束单元202分束后，形成第一分束光路和第二分束光路；在第一分束光路上依次设置有偏振分束器105、第一移频器106、第二分束单元109和第一光纤耦合器112，在第二分束光路上依次设置有反射镜108、第三分束单元111和第三光纤耦合器114；在第二分束单元109和第三分束单元111之间设置有合束器110和第二光纤耦合器113；第一光纤耦合器112和第三光纤耦合器114分别输出恒定频差的单频激光信号，第二光纤耦合器113输出拍频信号，两路单频激光信号的频差在大范围内可调可控，且激光频率稳定、可靠。
具体地，窄线宽单频激光光源101发射出准直激光，该准直激光经第一分束单元202后分为两束，一束准直光入射稳频装置203，经过稳频装置203的信号处理后通过反馈回路对窄线宽单频激光光源101进行稳频。其中，稳频装置203进一步包括与窄线宽单频激光光源101连接的锁频器控制器以及与锁频器控制器连接的锁频光学元件。
如图2实施例所示，锁频光学元件103与第一分束单元202连接，锁频器控制器104与窄线宽单频激光光源101连接，形成反馈回路；进而通过锁频光学元件103和锁频器控制器104，配合对窄线宽单频激光光源101的频率进行锁定。可知，锁频控制器和锁频光学元件103组成稳频装置203，能给利用反馈回路对窄线宽单频激光光源101的频率进行锁定，锁频单元可根据反馈回路的反馈信号调整窄线宽单频激光光源101的驱动，使得窄线宽单频激光光源101的频率稳定在指定频率上，进而提高激光器在应用过程中的精度。
作为具体示例，锁频光学元件103可选用原子饱和吸收谱装置、兰姆凹陷稳频装置或者塞曼稳频装置等，锁频器控制器104可选用PID锁频器、自抗扰控制器或者模糊PID控制器等，具体可根据应用场景或要求进行选用。其中，当锁频光学元件103选用原子饱和吸收谱装置时，可利用原子分子样品作为频率参考，将光束与原子分子作用后，通过光电检测器对原子饱和吸收谱装置吸收的光信号进行处理，便可得到激光波长和参考波长之间的差异，用此差异作为反馈回路调整激光波长。
在本发明的一个具体实施方式中，窄线宽单频激光光源101包括但不限于光纤激光器、半导体激光器、气体激光器或固体激光器。
进一步地，窄线宽单频激光光源101发射出的准直激光，经第一分束单元202后分为两束，一束准直光入射稳频装置203，另一束经过偏振分束器105后进一步分为两束，经偏振分束器105分束后的其中一束光继续通过第一移频器106、第二分束单元109和第一光纤耦合器112，输出一路单频激光信号；经偏振分束器105分束后的另外一束光通过反射镜108、第三分束单元111和第三光纤耦合器114，输出另外一路单频激光信号；此外在第二分束单元109和第三分束单元111之间设置有合束器110和第二光纤耦合器113，合束器110用于对第二分束单元109和第三分束单元111输出的光线进行合束处理，并通过第二光纤耦合器113输出拍频信号。
其中，稳频装置203使用的稳频方法包括但不限于兰姆凹陷稳频、塞曼效应稳频、饱和吸收稳频或荧光稳频等多种稳频方法，当采用不同的稳频装置203时对应的稳频方法也存在差异，具体可根据应用条件或要求进行选取。
需要说明的是，上述第一分束单元202、第二分束单元109和第三分束单元111可分别选用激光分束器、功率分束立方或者功率分束薄膜等，在本发明中并不具体对各分束单元进行具体限制。
此外，还可以对双频稳频激光器的结构进行改进或变形。
如图2根据本发明另一实施例的双频稳频激光器的示意结构所示，在本发明的另一具体实施方式中，双频稳频激光器，包括窄线宽单频激光光源101、设置在窄线宽单频激光光源101一侧的稳频装置和第一分束单元102；其中，稳频装置用于通过反馈回路对窄线宽单频激光光源101进行稳定处理，稳频装置可包括锁频器控制器104以及与锁频器控制器104连接的锁频光学元件103，窄线宽单频激光光源101经第一分束单元102分束后，形成第一分束光路和第二分束光路；在第一分束光路上依次设置有偏振分束器105、第一移频器106、第二分束单元109和第一光纤耦合器112，在第二分束光路上依次设置有反射镜108、第二移频器107、第三分束单元111和第三光纤耦合器114；在第二分束单元109和第三分束单元111之间设置有合束器110和第二光纤耦合器113；第一光纤耦合器112和第三光纤耦合器114分别输出恒定频差的单频激光信号，第二光纤耦合器113输出拍频信号。
进一步地，还可以在第二移频器107和第一移频器106之间设置频率合成器115，即在反射镜108和第三光纤耦合器114之间设置第二移频器107，在第二移频器107和第一移频器106之间设置频率合成器115，通过频率合成器115驱动第一移频器106和第二移频器107对光束进行移频处理，进而控制两路单频激光信号之间的频差。其中，第一移频器106和第二移频器107可分别包括声光移频器或电光移频器，第一移频器106和第二移频器107中可包含声光移频器或电光移频器中的一个；或同时包含声光移频器和电光移频器。
另外，使用两路具备稳定频差的频率合成器115驱动第一移频器106和第二移频器107对入射的光线进行移频处理，处理后的第一移频器106输出的激光频率为f1，第二移频器107输出的激光频率为f2，随后两路移频后的激光分别通过第二分束单元和第三分束单元111，以及合束器110后获得两路单频激光信号和一路拍频信号，最后，两路单频激光信号和一路拍频信号，分别通过对应的光纤耦合器耦合至对应的三路光纤跳线中，获得光纤尾纤激光输出。可知，激光频率f1和激光频率f2均为可调频率，二者影响最终输出的单频激光信号之间的频率差为：f1和f2差值的绝对值。
在本发明的双频稳频激光器中，第一移频器106和第二移频器107不仅可以调整光线的频率，还可以调节射频功率，通过改变射频功率调整调制深度，改变对应移频器的效率，从而降低声光移频器或电光移频器的损耗；此外，还能够将窄线宽单频激光光源101的频率锁定在跃迁线上，从而抑制激光频率的漂移，提高窄线宽单频激光光源101的稳定度。
此外，为保证双频稳频激光输出激光的偏振态并保证后续全光纤化应用，在本发明的一个具体实施方式中，第一光纤耦合器112、第二光纤耦合器113和第三光纤耦合器114输出的三路激光分别通过对应的光纤传输，光纤包括单模保偏光纤、偏振光纤或者阶梯折射率多模光纤等多种类型的光纤。其中，光纤耦合器外形小巧、热稳定性高及具有运动锁定机制，能够同时进行五自由度调节，便于调节光纤耦合器的位姿以使对应的激光更好的耦合入光纤中。
利用本发明上述双频稳频激光器，第一光纤耦合器112和第三光纤耦合器114输出的单频激光信号之间的频差可调范围为0MHz～500MHz；拍频信号的频率可调范围为0MHz～500MHz。
与上述双频稳频激光器相对应，本发明还提供一种双频稳频激光器的光束分离方法。
具体地，图3示出了根据本发明实施例的双频稳频激光器的光束分离方法的流程。
如图3所示，本发明实施例的双频稳频激光器的光束分离方法，包括：
S110：窄线宽单频激光光源发射的光线经第一分束单元分束后，形成第一分束光和第二分束光；
S120：第一分束光通过偏振分束器再次进行分束，形成第三分束光和第四分束光；所述第二分束光通过稳频装置反馈至窄线宽单频激光光源，对窄线宽单频激光光源进行稳频；
S130：所述第三分束光依次通过第一移频器、第二分束单元和第一光纤耦合器，形成第一单频激光信号；
S140：第四分束光依次通过反射镜、第三分束单元和第三光纤耦合器，形成第二单频激光信号；
S150：第二分束单元和第三分束单元的输出光，同时通过合束器和第二光纤耦合器，形成拍频信号。
需要说明的是，本发明的双频稳频激光器的光束分离方法的实施例可参考双频稳频激光器的装置实施例中的描述，此处不再一一赘述。
利用上述本发明的双频稳频激光器及其光束分离方法，有以下优点：1.所涉及的激光移频技术可为超精密干涉测量系统提供双频激光输出，抑制了传输过程中的偏振混叠。2.频率差较大且可调，满足不同测量需求。3.激光器具有稳频装置，为超精密干涉测量系统提供更高的波长精度。4.所涉及的激光拍频技术可为超精密干涉测量系统提供补偿轴信号。
如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的双频稳频激光器及光束分离方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的双频稳频激光器及光束分离方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
Claims (10)
1.一种双频稳频激光器，其特征在于，包括：窄线宽单频激光光源、设置在所述窄线宽单频激光光源一侧的稳频装置和第一分束单元；其中，
所述窄线宽单频激光光源经所述第一分束单元分束后，形成第一分束光路和第二分束光路；
在所述第一分束光路上依次设置有偏振分束器、第一移频器、第二分束单元和第一光纤耦合器，在所述第二分束光路上依次设置有反射镜、第三分束单元和第三光纤耦合器；
在所述第二分束单元和所述第三分束单元之间设置有合束器和第二光纤耦合器；
所述第一光纤耦合器和所述第三光纤耦合器分别输出恒定频差的单频激光信号，所述第二光纤耦合器输出拍频信号。
2.如权利要求1所述的双频稳频激光器，其特征在于，
所述稳频装置包括与所述窄线宽单频激光光源连接的锁频器控制器、与所述锁频器控制器连接的锁频光学元件；并且，
所述锁频光学元件与所述第一分束单元连接；
所述锁频光学元件和所述锁频器控制器，配合用于对所述窄线宽单频激光光源的频率进行锁定。
3.如权利要求2所述的双频稳频激光器，其特征在于，
所述锁频光学元件包括原子饱和吸收谱装置、兰姆凹陷稳频装置或者塞曼稳频装置；
所述锁频器控制器包括PID锁频器、自抗扰控制器或者模糊PID控制器。
4.如权利要求1所述的双频稳频激光器，其特征在于，
所述窄线宽单频激光光源包括光纤激光器、半导体激光器、气体激光器或固体激光器。
5.如权利要求1所述的双频稳频激光器，其特征在于，
所述第一分束单元、第二分束单元或第三分束单元分别包括激光分束器、功率分束立方或者功率分束薄膜。
6.如权利要求1所述的双频稳频激光器，其特征在于，
在所述反射镜和所述第三光纤耦合器之间还设置有第二移频器；
所述第二移频器和所述第一移频器之间设置有频率合成器；
所述频率合成器用于驱动所述第一移频器和所述第二移频器对光束进行移频处理。
7.如权利要求5所述的双频稳频激光器，其特征在于，
所述第一移频器和所述第二移频器分别包括声光移频器或电光移频器。
8.如权利要求1所述的双频稳频激光器，其特征在于，
所述第一光纤耦合器、所述第二光纤耦合器和所述第三光纤耦合器输出的三路激光分别通过对应的光纤传输；
所述光纤包括单模保偏光纤、偏振光纤或者阶梯折射率多模光纤。
9.如权利要求1所述的双频稳频激光器，其特征在于，
所述第一光纤耦合器和所述第三光纤耦合器输出的单频激光信号之间的频差可调范围为0MHz～500MHz；
所述拍频信号的频率可调范围为0MHz～500MHz。
10.一种双频稳频激光器的光束分离方法，其特征在于，利用如权利要求1至9任一项所述的双频稳频激光器进行光束分离，所述方法包括：
窄线宽单频激光光源发射的光线经第一分束单元分束后，形成第一分束光和第二分束光；
所述第一分束光通过偏振分束器再次进行分束，形成第三分束光和第四分束光；所述第二分束光通过稳频装置反馈至窄线宽单频激光光源；同时，
所述第三分束光依次通过第一移频器、第二分束单元和第一光纤耦合器，形成第一单频激光信号；
所述第四分束光依次通过反射镜、第三分束单元和第三光纤耦合器，形成第二单频激光信号；
所述第二分束单元和所述第三分束单元的输出光，同时通过合束器和第二光纤耦合器，形成拍频信号。
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