CN113418626A - 法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光通信技术领域的法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量装置，包括信号发生器、激光器、凸透镜、法布里珀罗腔和波长计。将信号发生器生成的电压信号通过激光器转换为扫频激光信号，并通过凸透镜透射进法布里珀罗腔，最后用波长计测量出法布里珀罗腔输出的单频激光信号。本发明还公开了法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量方法，该方法通过法布里珀罗腔在不同温度下对应的单频激光信号的透射频率，拟合出膨胀系数与温度的对应关系，由此得出法布里珀罗腔的零膨胀温度点，从而使激光更加稳定,且测量光路简单，可广泛应用于激光物理、频标、量子计算等需要超稳腔的领域。

Description

法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量装置和测量方法

技术领域

本发明属于激光通信技术领域，特别涉及法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量装置和测量方法，可广泛应用于激光物理、原子频标、量子计算等需要法布里珀罗腔的领域。

背景技术

激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人类终于有能力驾驭尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生、放大相干的红外线、可见光和紫外线(以至X射线和伽马射线)的能力，因此被广泛应用于医学、军事、工业和通信等众多领域。

在上述的应用领域中，对激光的单色性都有很高的要求，而激光的单色性对多光子过程、非线性光化学过程以及分子激发后的弛豫过程的观察都有着很大的影响。现有的一般激光器都不是理想的单色光，一般激光器输出的激光的频率都会随时间而发生变化。为了获得单色性好、频率稳定的激光，就需要对激光频率的短期稳定性和长期稳定性都进行控制。最直接的办法就是找到一个稳定的参考频率源，然后将激光频率锁定到这个参考频率源上，这个过程叫做激光稳频。这个参考源需要满足两个基本条件：一个是中心频率稳定性好，即长期稳定性好；另一个是单色性好，即短期稳定性好。

常见的参考频率源为法布里珀罗腔，简称F-P腔，也即平面平行腔，属于光学谐振腔的一种。它的透射峰值很窄，短期稳定性很好，但其中心频率漂移严重，即长期稳定性较差。因此，有必要提出一种能够克服因长期稳定差给激光稳频产生影响的方案，从而实现对激光长期稳定性的控制。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量装置和测量方法，目的在于克服法布里珀罗腔长期稳定性差给激光稳频带来的影响，实现对激光长期稳定性的控制。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

技术方案一：

本发明提出一种法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量装置，包括信号发生器、激光器、凸透镜、法布里珀罗腔和波长计，其中，所述信号发生器与所述激光器电连接，所述信号发生器用于生成低频锯齿波电压信号，并将其输送至所述激光器，所述激光器用于将接收到的电压信号转换为扫频激光信号；所述激光器输出的扫频激光信号依次经过凸透镜、法布里珀罗腔转换成单频激光信号，通过波长计测量该单频激光信号的透射频率；

所述凸透镜用于聚焦所述扫频激光信号，所述法布里珀罗腔用于将接收到的扫频激光信号转换成单频激光信号。

进一步的，所述法布里珀罗腔设置在真空恒温室内。

技术方案二：

本发明提出一种法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1、设定法布里珀罗腔的初始腔长和初始温度；设定激光器的输出频率；

步骤2、启动信号发生器生成低频锯齿波电压信号，并将该电压信号输送至激光器，该激光器将接收到的电压信号转换为扫频激光信号；该激光器输出的扫频激光信号经过凸透镜聚焦，聚焦后的透射光进入法布里珀罗腔，所述法布里珀罗腔将接收到的扫频激光信号转换成单频激光信号，并最终通过波长计测量出所述单频激光信号的透射频率f；

步骤3、在一定温度范围内改变法布里珀罗腔的温度，重复步骤2，获得法布里珀罗腔不同温度下对应的单频激光信号的透射频率f；

步骤4、根据步骤3获得的法布里珀罗腔不同温度下对应的单频激光信号的透射频率，拟合膨胀系数α(T)与温度的关系曲线，当拟合出的膨胀系数α(T)等于0时，所对应的温度即为法布里珀罗腔的零膨胀温度点。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

由于法布里珀罗腔的单频激光拥有很窄的谱线线宽，而且对温度较为敏感，温度的变化会导致中心频率发生漂移；在测得它的零膨胀温度点后，就可以通过反馈系统将法布里珀罗腔的温度固定在它的零膨胀温度点上，从而使激光更为稳定，本发明测量光路简单，可广泛应用于激光物理、频标、量子计算等需要法布里珀罗腔的领域。

附图说明

图1：为本发明法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量装置的示意图；

图2：为本发明法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量方法的流程图；

图3：为本发明信号发生器生成的锯齿波电压信号的示意图；

图4：为本发明电压信号在激光器中进行扫频的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明

参照图1，本发明的法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量装置，包括信号发生器、激光器、凸透镜、法布里珀罗腔(简称F-P腔)和波长计，信号发生器与激光器电连接，信号发生器用于将生成的低频锯齿波电压信号输送到激光器，激光器将接收到的电压信号转换为扫频激光信号；激光器输出的扫频激光信号依次经过凸透镜、法布里珀罗腔转换成单频激光信号，通过波长计测量该单频激光信号的透射频率；

所述凸透镜用于聚焦扫频激光信号，法布里珀罗腔用于将接收到的扫频激光信号转换成单频激光信号。

进一步的，本实施例中，法布里珀罗腔设置在真空恒温室内，真空恒温室提供了试验所需的初始温度和真空环境。

参照图2-4，本发明的法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量方法，具体包括了如图2所示的如下步骤：

步骤1、设定法布里珀罗腔的初始腔长和初始温度；设定激光器的输出频率。本实施例中，选定的法布里珀罗腔的初始腔长为50mm，初始温度设定为24℃；激光器输出的激光频率为351.7220THz。

步骤2、开启信号发生器，并将该信号发生器生成的如图3所示的低频锯齿波电压信号输送到激光器中进行扫频，激光器扫频的电压信号在0-1.5GHZ，超出这个范围的激光器扫频不到，得到激光器输出的如图4所示的扫频激光信号，图4中横坐标代表经过的时间，纵坐标代表激光频率，激光在激光器输出设定频率351.7220THz附近有规律的上下波动；本实施例中，激光器包含激光控制器和激光头，首先，激光控制器接收到来自信号发生器的电压信号，并将该电压信号转换成电流信号，然后，激光头将该电流信号转换成扫频激光信号。

本实施例中，法布里珀罗腔设置在真空恒温室内，真空恒温室用于控制试验所需的不同温度和提供真空环境。该扫频激光信号通过凸透镜的聚焦，聚焦后的光透射进法布里珀罗腔的中心位置，法布里珀罗腔将接收到的扫频激光信号转换成单频激光信号，然后利用波长计测量出该单频激光信号的透射频率f；在使用法布里珀罗腔时需要使扫频激光透射进法布里珀罗腔的中心位置，即需要一个凸透镜反复调节激光器输出端与法布里珀罗腔的相对位置，直到法布里珀罗腔与入射光束对准。

利用波长计测量出该单频激光信号的透射频率f；本实施例采用波长计测量单频激光信号的透射频率。通过输入凸透镜进入法布里珀罗腔的扫频激光会根据凸透镜的反射率在腔壁之间多次来回反射，扫频激光会经过干涉相长或相消。干涉相长会使光增强，并建立腔内电场，对应在法布里珀罗腔与凸透镜之间形成驻波图案的情况，这种情况会在法布里珀罗腔的腔长l等于半波长的整数倍

时发生。法布里珀罗腔不支持其他所有不符合这个标准的波长，因此形成干涉相消。所以，法布里珀罗腔的透射频率为：

其中，m为整数；l表示法布里珀罗腔的腔长；c表示光速。

步骤3、改变法布里珀罗腔的温度，重复步骤3，获得法布里珀罗腔在不同温度下对应的单频激光信号的透射频率f；本实施例中，法布里珀罗腔在10℃-70℃的温度范围内取若干组温度值。

步骤4、根据步骤3获得的法布里珀罗腔在不同温度下的对应的单频激光信号的透射频率，拟合膨胀系数α(T)与温度的关系曲线，当拟合出的膨胀系数α(T)等于0时，所对应的温度即为法布里珀罗腔的零膨胀温度点。步骤4具体包含了以下子步骤：

步骤4.1、设膨胀系数公式为：α(T)＝a₀+a₁T+a₂T²，其中，T表示法布里珀罗腔的温度，a₀，a₁，a₂为系数；

步骤4.2、由于法布里珀罗腔的腔长随温度变化而变化，因此，可将法布里珀罗腔的单频激光信号的透射频率公式可写为：

其中，Δl表示腔长的变化量，l₀表示初始腔长；c表示光速；因此，法布里珀罗腔的腔长l＝l₀+Δl；

步骤4.3、利用膨胀系数公式和透射频率公式进行计算：

将Δl代入到

中得到：

由此拟合出系数a₀，a₁，a₂，进而得到膨胀系数公式α(T)＝a₀+a₁T+a₂T²；

其中，T₀表示零膨胀温度点；

步骤4.4、令α(T)＝0，膨胀系数公式变为0＝a₀+a₁T+a₂T²，此时，由该二次方程计算出的温度即为法布里珀罗腔的零膨胀温度点。

本发明通过将电信号转换成激光信号，并利用波长计测量出法布里珀罗腔在不同温度下对应的单频激光信号的透射频率，拟合出膨胀系数，由此计算出当膨胀系数为零时的温度点，即确定了法布里珀罗腔的零膨胀温度点。在测得它的零膨胀温度点后，通过反馈系统将法布里珀罗腔的温度固定在它的零膨胀温度点上，从而提高了激光的长期稳定性和短期稳定性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量装置，其特征在于：包括信号发生器、激光器、凸透镜、法布里珀罗腔和波长计，其中，所述信号发生器与所述激光器电连接，所述信号发生器用于生成低频锯齿波电压信号,并将其输送至所述激光器，所述激光器用于将接收到的电压信号转换为扫频激光信号；所述激光器输出的扫频激光信号依次经过凸透镜、法布里珀罗腔转换成单频激光信号，通过波长计测量该单频激光信号的透射频率；

所述凸透镜用于聚焦所述扫频激光信号，所述法布里珀罗腔用于将接收到的扫频激光信号转换成单频激光信号。

2.根据权利要求1所述的法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量装置，其特征在于：所述法布里珀罗腔设置在真空恒温室内。

3.法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1、设定法布里珀罗腔的初始腔长和初始温度；设定激光器的输出频率；

步骤2、启动信号发生器生成低频锯齿波电压信号，并将该电压信号输送至激光器，该激光器将接收到的电压信号转换为扫频激光信号；该激光器输出的扫频激光信号经过凸透镜聚焦，聚焦后的透射光进入法布里珀罗腔，所述法布里珀罗腔将接收到的扫频激光信号转换成单频激光信号，并最终通过波长计测量所述单频激光信号的透射频率f；

步骤3、在一定温度范围内改变法布里珀罗腔的温度，重复步骤2，获得法布里珀罗腔在不同温度下对应的单频激光信号的透射频率f；

步骤4、根据步骤3获得的法布里珀罗腔在不同温度下对应的单频激光信号的透射频率，拟合膨胀系数α(T)与温度的关系曲线，当拟合出的膨胀系数α(T)等于0时，所对应的温度即为法布里珀罗腔的零膨胀温度点。

4.根据权利要求3所述的法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量方法，其特征在于：在步骤1中，所述初始腔长为50mm；所述初始温度为24℃；所述激光器的输出频率为351.7220THz。

5.根据权利要求3所述的法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量方法，其特征在于：在步骤2中，法布里珀罗腔的单频激光信号的透射频率的计算公式为

其中，m为整数；l表示法布里珀罗腔的腔长；c表示光速。

6.根据权利要求3所述的法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量方法，其特征在于：在步骤3中，选取的法布里珀罗腔的温度范围是10℃-70℃。

7.根据权利要求3所述的法布里珀罗腔的零膨胀温度点的测量方法,其特征在于：步骤4具体包含以下子步骤：

步骤4.1、设膨胀系数公式为：α(T)＝a₀+a₁T+a₂T²，其中，T表示法布里珀罗腔的温度，a₀，a₁，a₂为系数；

步骤4.2、由于法布里珀罗腔的腔长随温度变化而变化，因此，将法布里珀罗腔的单频激光信号的透射频率公式写为：

其中，△l表示腔长的变化量，l₀表示初始腔长；c表示光速；因此，法布里珀罗腔的腔长l＝l₀+△l；

步骤4.3、利用膨胀系数公式和透射频率公式进行计算：

将△l代入到

中得到：

由此拟合出系数a₀，a₁，a₂，进而得到膨胀系数公式α(T)＝a₀+a₁T+a₂T²；

其中，T₀表示零膨胀温度点；

步骤4.4、令α(T)＝0，膨胀系数公式变为0＝a₀+a₁T+a₂T²，此时，由该二次方程计算出的温度即为法布里珀罗腔的零膨胀温度点。

Images