CN113991415A - 一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统及方法，利用电荷耦合元件光斑质心探测和四象限光电探测器相位探测技术实现光束指向的精确测量，得到F‑P腔体的偏移量；另外，通过步进电机调节楔形棱镜对以实现激光光路的精密调整，光束指向精密测量与光路的精密调整形成闭环，实现F‑P腔体位置偏移的主动补偿。本发明提供的超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统及方法，结构简单、调整校正自动化、入腔匹配精度高，在空间应用中的超稳激光器、光通信领域拥有广泛的应用前景。

Description

一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统及方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统及方法。
背景技术
空间高精度时间频率系统在下一代深空宇航探测、导航、测地学、军事和基础科学研究等领域均具有重要的应用需求，以空间光钟(SOC)为核心的空间高精度时间频率系统受到了中国、美国和欧盟的高度重视。超稳激光器(USL)作为SOC的本地振荡源，决定着SOC的中短期稳定度，直接影响空间高精度时间频率系统的整体性能。因此，对适用于空间应用的USL进行研究具有十分重要的意义和价值。
USL的空间应用仍面临诸多的科学和技术问题，而激光与F-P腔在空间任务中难以保持高精度模式匹配是限制USL空间应用的核心问题之一，其主要原因是火箭发射过程中的力学冲击会导致F-P腔体发生位置偏移。USL中参考腔的偏移会直接导致激光与腔体模式匹配变差，甚至失效，反映到USL中，便表现为系统性能下降，甚至无法实现激光频率锁定。目前该问题的解决方法主要集中于改进腔体形状和支撑方式两方面，但这两方面的研究仅能降低腔体在力学冲击下的偏移，进而减小腔体偏移带来的影响，但无法彻底抑制该影响。
因此，如何精确计量F-P腔体的偏移量，进而对F-P腔体偏移进行光路主动补偿，实现激光与FP腔体在空间任务中保持高精度模式匹配，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的第一个目的在于：针对现有技术中F-P腔发生位置偏移，激光与F-P腔匹配难度大的问题，提供一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统，在激光光轴上依次设置第一分光棱镜、第一楔形棱镜、第一步进电机、第二步进电机、第二楔形棱镜、偏振分光棱镜、1/4波片、F-P腔；
在偏振分光棱镜的反射光路中设置第二分光棱镜，第二分光棱镜在透射光路中设置电荷耦合单元和第三分光棱镜，其中第一分光棱镜的反射光透射过第三分光棱镜的中心位置，且在第三分光棱镜的反射光路中设置四象限光电探测器；
激光光束通过第一分光棱镜分成两束，其中一束通过第三分光棱镜透射后形成参考光进入四象限光电探测器；另一束射向F-P腔，经过F-P腔反射，经过1/4波片，由偏振分光棱镜反射经过第二分光棱镜后，一半透射进入电荷耦合单元探测信号光光斑质心，一半通过第三分光棱镜反射进入四象限光电探测器；电荷耦合元件测量反射光斑的质心位置变化，同时四象限光电探测器对第三分光棱镜透射的参考光和反射的信号光进行拍频测量相位信息变化；
电荷耦合元件与四象限光电探测器通过步进电机电路驱动第一步进电机和/或第二步进电机，控制第一楔形棱镜和第二楔形棱镜绕光轴旋转调整激光指向使激光重新耦合入F-P腔。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述步进电机电路驱动第一步进电机的旋转轴旋转，带动第一楔形棱镜绕激光光轴旋转，实现圆环形激光指向调整以实现耦合入腔功能；
和/或，所述步进电机电路驱动第二步进电机的旋转轴旋转，带动第二楔形棱镜绕激光光轴旋转，实现圆环形激光指向调整以实现耦合入腔功能。
作为本发明的优选技术方案：所述第一楔形棱镜的斜面设置在偏离第二楔形棱镜的外侧；
所述第二楔形棱镜的斜面设置在偏离第一楔形棱镜的外侧；第一楔形棱镜与第二楔形棱镜的旋转方向可以产生不同的光轴轨迹，以实现光轴调整。
作为本发明的优选技术方案：所述激光光束通过第一分光棱镜分成两束，其中一束光经过1/2波片调整偏振方向后，通过第三分光棱镜透射后形成参考光进入四象限光电探测器。
本发明第二个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配方法，包括以下步骤：
S1：激光光束通过第一分光棱镜分成两束，其中一束通过第三分光棱镜透射后形成参考光，另一束光经F-P腔反射后形成信号光，信号光在电荷耦合元件上进行标定，参考光与信号光在四象限光电探测器上标定；
S2：激光器经过力学震动；
S3：通过电荷耦合元件和四象限光电探测器探测光斑位置是否变化：
激光光束经过F-P腔反射，经1/4波片，由偏振分光棱镜反射经过第二分光棱镜后，一半透射进入电荷耦合单元探测信号光光斑质心，一半通过第三分光棱镜反射进入四象限光电探测器测得信号光相位；
S4:S3探测光斑位置未发生变化，激光器正常工作直入F-P腔；
或，S3探测光斑位置发生变化，控制步进电机转动，楔形棱镜绕激光光轴旋转，调整激光指向直至激光重新耦合入F-P腔。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：S3探测光斑位置发生变化时，包括以下步骤：
第二步进电机旋转第二楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，每旋转1°都通过电荷耦合元件的光斑位置以及四象限光电探测器的拍频信号是否满足误差范围，若满足则实现激光耦合入腔；
若第二楔形棱镜旋转360°都不满足，则在第二楔形棱镜不动的情况下调整第一楔形棱镜旋转，第一楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，每旋转1°都通过电荷耦合元件的光斑位置以及四象限光电探测器的拍频信号是否满足误差范围，若满足则实现激光耦合入腔；
若第一楔形棱镜旋转360°都不满足，则旋转第一楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，同时旋转第二楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，每旋转第二楔形棱镜1°，都通过电荷耦合元件的光斑位置以及四象限光电探测器的拍频信号是否满足误差范围，若第二楔形棱镜旋转360°都不满足，则再旋转第一楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，同时旋转第二楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，每旋转第二楔形棱镜1°，都通过电荷耦合元件的光斑位置以及四象限光电探测器的拍频信号是否满足误差范围，直至电荷耦合元件上的光斑位置以及四象限光电探测器的拍频信号满足误差范围，激光重新耦合入腔。
本发明提供一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统及方法，利用电荷耦合元件光斑质心探测和四象限光电探测器相位探测技术实现光束指向的精确测量，以其非接触,高精度,高速度、自动化的进行方位和俯仰的二维测量，获得F-P腔体的偏移量；并通过控制连接的步进电机精准调节相对设置的一对楔形棱镜的角度以实现激光光路的精密调整，实现光束指向精密测量与光路的精密调整形成闭环，实现F-P腔体位置偏移的主动补偿。本发明的超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统及方法改变了传统的被动补偿F-P腔的位置偏移手段，提供了一种新的激光自适应耦合入腔匹配技术，针对F-P腔体的位置偏移，形成了光束指向精密测量与光路精密调整的闭环，实现了F-P腔体位置偏移的光路自适应主动补偿。本发明提供的超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统，结构简单、调整校正自动化、入腔匹配精度高，在空间应用中的超稳激光器、光通信领域拥有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1的一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1的一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配方法的流程图；
图3为本发明实施例1的楔形棱镜对的激光光路调整示意图；
图4为本发明实施例2的一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
结合图1、图2、图3所示，本发明的一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统，包括第一分光棱镜1-1、第二分光棱镜1-2、第三分光棱镜1-3、第一楔形棱镜2-1、第二楔形棱镜2-2、第一步进电机3-1、第二步进电机3-2、偏振分光棱镜4、1/4波片5、F-P腔6、电荷耦合元件7、四象限光电探测器8、步进电机驱动电路9。沿光轴依-次放置第一分光棱镜1-1、第一楔形棱镜2-1、第一步进电机3-1、第二步进电机3-2、第二楔形棱镜2-2、偏振分光棱镜4、1/4波片5、F-P腔6、第二分光棱镜1-2放置在偏振分光棱镜4的反射光路中、CCD7放置于第二分光棱镜1-2的透射光路中、第三分光棱镜1-3放置于第二分光棱镜1-2的反射光路中并保证第一分光棱镜1-1的反射光透射过其中心位置、QPD8放置于第三分光棱镜1-3的反射光路中，第一楔形棱镜2-1、第二楔形棱镜2-2分别固定于第一步进电机3-1、第二步进电机3-2上，驱动电路9分别驱动第一进电机3-1、第二步进电机3-2旋转，以控制第一楔形棱镜2-1、第二楔形棱镜2-2的旋转角度。
经第一分光棱镜1-1反射的激光为参考光，参考光经第三分光棱镜1-3透射后进入四象限光电探测器8。
经F-P腔6表面反射回来的光为信号光，信号光再次经过1/4波片5后，由偏振分光棱镜4反射。反射的激光经过第二分光棱镜1-2后，50％的激光透射进入CCD7，50％的激光反射进入第三分光棱镜1-3并被第三分光棱镜1-3反射进入QPD8。
力学振动前，电荷耦合元件7和四象限光电探测器8探测器所测得的激光光斑位置和相位信息被记录，经过力学振动导致F-P腔6位置偏移后，电荷耦合元件7上光斑质心位置和四象限光电探测器8测得的相位发生变化，通过步进电机驱动电路9分别驱动第一步进电机3-1、第二步进电机3-2旋转，控制第一楔形棱镜2-1、第二楔形棱镜2-2的旋转角度，调整激光指向使激光重新耦合入腔。
所述第一楔形棱镜2-1的斜面设置在偏离第二楔形棱镜2-2的外侧；
所述第二楔形棱镜2-2的斜面设置在偏离第一楔形棱镜2-1的外侧；第一楔形棱镜2-1与第二楔形棱镜2-2的分别旋转或配合旋转方向可以产生各角度不同的光轴轨迹，以实现光轴调整。
如图2所示，本发明的超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配方法，包括以下步骤：
S1：激光光束通过第一分光棱镜1-1分成两束，其中一束通过第三分光棱镜1-3透射后形成参考光，另一束光经F-P腔6反射后形成信号光，信号光在电荷耦合元件7上进行标定，参考光与信号光在四象限光电探测器8上标定；
S2：激光器经过力学震动；
S3：通过电荷耦合元件7和四象限光电探测器8探测光斑位置是否变化：
激光光束经过F-P腔反射，经1/4波片5，由偏振分光棱镜4反射经过第二分光棱镜1-2后，一半透射进入电荷耦合单元7探测信号光光斑质心，一半通过第三分光棱镜1-3反射进入四象限光电探测器8测得信号光相位；
S4:S3探测光斑位置未发生变化，激光器正常工作直入F-P腔；
若S3探测光斑位置发生变化，控制步进电机转动，楔形棱镜绕激光光轴旋转，调整激光指向直至激光重新耦合入F-P腔。
S3探测光斑位置发生变化时，包括以下步骤：
第二步进电机旋转第二楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，每旋转1°都通过电荷耦合元件的光斑位置以及四象限光电探测器的拍频信号是否满足误差范围，若满足则实现激光耦合入腔；
若第二楔形棱镜旋转360°都不满足，则在第二楔形棱镜不动的情况下调整第一楔形棱镜旋转，第一楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，每旋转1°都通过电荷耦合元件的光斑位置以及四象限光电探测器的拍频信号是否满足误差范围，若满足则实现激光耦合入腔；
若第一楔形棱镜旋转360°都不满足，则旋转第一楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，同时旋转第二楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，每旋转第二楔形棱镜1°，都通过电荷耦合元件的光斑位置以及四象限光电探测器的拍频信号是否满足误差范围，若第二楔形棱镜旋转360°都不满足，则再旋转第一楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，同时旋转第二楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，每旋转第二楔形棱镜1°，都通过电荷耦合元件的光斑位置以及四象限光电探测器的拍频信号是否满足误差范围，直至电荷耦合元件上的光斑位置以及四象限光电探测器的拍频信号满足误差范围，激光重新耦合入腔。
与现有技术相比，本发明的一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统及方法具有以下显著优点：
(1)不同于长期以来以优化腔体的固定和支撑的被动式稳定方法，通过光束指向精密测量与光路的精密调整形成闭环，实现F-P腔体位置偏移的自适应主动补偿。
(2)基于步进电机对楔形棱镜的圆环形调整，方便、快捷、高效地实现了对激光光路的精密调整，同时相比于其他光路调整手段，楔形棱镜的运动方向只绕光轴旋转，仅一维的运动方式使系统具有较高的稳定性。
(3)采用光电荷耦合器件(CCD)光斑质心探测和四象限光电探测器(QPD)相位探测，既实现了激光的方位和俯仰二维指向测量，又实现了毫弧度至纳弧度的测量精度，为高精度调整光路提供基础。
实施例1
结合图1-图3所示，本发明的一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统中，一束10mW的激光首先经过第一分光棱镜1-1，其中3mW的光被反射，经第三分光棱镜1-3透射后，1.5mW的参考光进入四象限光电探测器8。
经第一分光棱镜透射的7mW的光，经过第一楔形棱镜2-1、第二楔形棱镜2-2偏振分光棱镜4、1/4波片5，进入F-P腔6，经F-P腔6反射回来的光再次经过1/4波片5后，进入偏振分光棱镜4，经偏振分光棱镜4反射后，进入第二分光棱镜1-2进行分光，在第二分光棱镜1-2处，3mW的信号光透射进入电荷耦合单元7进行光斑质心探测；3mW的光反射进入第三分光棱镜1-3，经第三分光棱镜1-3反射后，1.5mW的信号光进入四象限光电探测器8与1.5mW的参考光进行相位式测角四象限光电探测器。
超稳激光器经过力学振动后，F-P腔6的位置发生偏移，在电荷耦合单元7上产生光斑位置变化，同时在四象限光电探测器8上的拍频信号发生变化。通过调整第二楔形棱镜2-2旋转，步进大小为1°范围为360°，每旋转1°都通过计算判断电荷耦合元件7上的光斑位置以及四象限光电探测器8的拍频信号是否满足误差范围以内，如若不满足则调整第一楔形棱镜2-1旋转，步进大小为1°，范围为360°，每旋转1°第二楔形棱镜2-2均需要再次进行步进大小为1°范围为360°的旋转，直至电荷耦合元件7上的光斑位置以及四象限光电探测器8的拍频信号满足误差范围以内。
图3为楔形棱镜对的光路精密调整示意图，通过步进电机控制楔形棱镜对的旋转，可以实现激光光路的圆环型精密指向调整。
实施例2
如图4所示，本发明的一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统中，一束10mW的激光首先经过第一分光棱镜1-1，其中3mW的光被反射，经过1/2波片10调整偏振方向后，经第三分光棱镜1-3透射后，1.5mW的参考光进入四象限光电探测器8。经第一分光棱镜透射的7mW的光，经过第一楔形棱镜2-1、第二楔形棱镜2-2偏振分光棱镜4、1/4波片5，进入F-P腔6，经F-P腔6反射回来的光再次经过1/4波片5后，进入偏振分光棱镜4，经偏振分光棱镜4反射后，进入第二分光棱镜1-2进行分光，在第二分光棱镜1-2处，3mW的信号光透射进入电荷耦合单元7进行光斑质心探测；3mW的光反射进入第三分光棱镜1-3，经第三分光棱镜1-3反射后，1.5mW的信号光进入四象限光电探测器8与1.5mW的参考光进行相位式测角。
本实施例中，在第一分光棱镜1-1的光路上设置1/2波片10，通过调整初始入射光的偏振方向，来调整干涉信号强度，以避免四象限光电探测器8上的干涉信号强度受参考光和信号光两束光的不同偏振方向的影响，提升对激光的方位和俯仰二维指向测量精确度。
超稳激光器经过力学振动后，F-P腔6的位置发生偏移，在电荷耦合单元7上产生光斑位置变化，同时在四象限光电探测器8上的拍频信号发生变化。通过调整第二楔形棱镜2-2旋转，步进大小为1°范围为360°，每旋转1°都通过计算判断电荷耦合元件7上的光斑位置以及四象限光电探测器8的拍频信号是否满足误差范围以内，如若不满足则调整第一楔形棱镜2-1旋转，步进大小为1°，范围为360°，每旋转1°第二楔形棱镜2-2均需要再次进行步进大小为1°范围为360°的旋转，直至电荷耦合元件7上的光斑位置以及四象限光电探测器8的拍频信号满足误差范围以内。
本实施例在第一分光棱镜1-1的光路上设置1/2波片10，其他结构与实施例1相同，在此不赘述。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，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，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统，其特征在于：在激光光轴上依次设置第一分光棱镜、第一楔形棱镜、第一步进电机、第二步进电机、第二楔形棱镜、偏振分光棱镜、1/4波片、F-P腔；
在偏振分光棱镜的反射光路中设置第二分光棱镜，第二分光棱镜在透射光路中设置电荷耦合单元和第三分光棱镜，其中第一分光棱镜的反射光透射过第三分光棱镜的中心位置，且在第三分光棱镜的反射光路中设置四象限光电探测器；
激光光束通过第一分光棱镜分成两束，其中一束通过第三分光棱镜透射后形成参考光进入四象限光电探测器；另一束射向F-P腔，经过F-P腔反射，经1/4波片，由偏振分光棱镜反射经过第二分光棱镜后，一半透射进入电荷耦合单元探测信号光光斑质心，一半通过第三分光棱镜反射进入四象限光电探测器；电荷耦合元件测量反射光斑的质心位置变化，同时四象限光电探测器对第三分光棱镜透射的参考光和反射的信号光进行拍频测量相位信息变化；
电荷耦合元件与四象限光电探测器通过步进电机电路驱动第一步进电机和/或第二步进电机，控制第一楔形棱镜和第二楔形棱镜绕光轴旋转调整激光指向使激光重新耦合入F-P腔。
2.如权利要求1所述的超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统，其特征在于：所述步进电机电路驱动第一步进电机的旋转轴旋转，带动第一楔形棱镜绕激光光轴旋转，实现圆环形激光指向调整以实现耦合入腔功能；
和/或，所述步进电机电路驱动第二步进电机的旋转轴旋转，带动第二楔形棱镜绕激光光轴旋转，实现圆环形激光指向调整以实现耦合入腔功能。
3.如权利要求1所述的超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统，其特征在于：所述第一楔形棱镜的斜面设置在偏离第二楔形棱镜的外侧；
所述第二楔形棱镜的斜面设置在偏离第一楔形棱镜的外侧；第一楔形棱镜与第二楔形棱镜的旋转方向可以产生不同的光轴轨迹，以实现光轴调整。
4.如权利要求1所述的超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统，其特征在于：所述激光光束通过第一分光棱镜分成两束，其中一束光经过1/2波片调整偏振方向后，通过第三分光棱镜透射后形成参考光进入四象限光电探测器。
5.选用权利要求1-4任一权利要求所述的超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配系统的方法，包括以下步骤：
S1：激光光束通过第一分光棱镜分成两束，其中一束通过第三分光棱镜透射后形成参考光，另一束光经F-P腔反射后形成信号光，信号光在电荷耦合元件上进行标定，参考光与信号光在四象限光电探测器上标定；
S2：激光器经过力学震动；
S3：通过电荷耦合元件和四象限光电探测器探测光斑位置是否变化：
激光光束经过F-P腔反射，经1/4波片、由偏振分光棱镜反射经过第二分光棱镜后，一半透射进入电荷耦合单元探测信号光光斑质心，一半通过第三分光棱镜反射进入四象限光电探测器测得信号光相位；
S4:S3探测光斑位置未发生变化，激光器正常工作直入F-P腔；
或，S3探测光斑位置发生变化，控制步进电机转动，楔形棱镜绕激光光轴旋转，调整激光指向直至激光重新耦合入F-P腔。
6.如权利要求5所述的超稳激光器激光自适应耦合入腔匹配方法，其特征在于：S3探测光斑位置发生变化时，包括以下步骤：
第二步进电机旋转第二楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，每旋转1°都通过电荷耦合元件的光斑位置以及四象限光电探测器的拍频信号是否满足误差范围，若满足则实现激光耦合入腔；
若第二楔形棱镜旋转360°都不满足，则在第二楔形棱镜不动的情况下调整第一楔形棱镜旋转，第一楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，每旋转1°都通过电荷耦合元件的光斑位置以及四象限光电探测器的拍频信号是否满足误差范围，若满足则实现激光耦合入腔；
若第一楔形棱镜旋转360°都不满足，则旋转第一楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，同时旋转第二楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，每旋转第二楔形棱镜1°，都通过电荷耦合元件的光斑位置以及四象限光电探测器的拍频信号是否满足误差范围，若第二楔形棱镜旋转360°都不满足，则再旋转第一楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，同时旋转第二楔形棱镜绕激光光轴旋转1°，每旋转第二楔形棱镜1°，都通过电荷耦合元件的光斑位置以及四象限光电探测器的拍频信号是否满足误差范围，直至电荷耦合元件上的光斑位置以及四象限光电探测器的拍频信号满足误差范围，激光重新耦合入腔。
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