CN114284862A - 一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器及其实现方法。本发明利用原子滤光器使得输出激光频率与原子跃迁频率相对应，原子谱线作为量子频率参考，这是其它选频方式所无法比拟的。本发明创新性地利用调制转移谱优异的稳频效果，反馈信号可以直接反馈到激光头上，从而使得激光器对外界振动、温度变化、电流波动的免疫效果更好，实现高稳定度的窄线宽激光器，可以应用于高端基础科学研究、量子精密测量领域以及激光通信网络等领域。

Description

一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器及其实现方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器及其实现方法。

背景技术

传统的半导体激光器一般体积小、重量轻、寿命长、效率高、频率可调谐，目前已经被广泛应用于光纤通信、激光测距、激光医疗等领域。但是未稳频时，自由运转的激光器线宽较宽，激光频率易受激光管温度、驱动电流及外界环境的影响，其线宽只能在MHz量级，这导致其在原子钟、原子分子结构的精密测量、时间同步等领域的应用大大受限。因此压窄半导体激光器的线宽，提高半导体激光器的频率稳定度成为重要的研究方向。

目前有多种方法可以用来压窄半导体激光器的线宽，提高半导体激光器的频率稳定度，通常利用光栅、棱镜、干涉滤光片等来对激光器的频率进行筛选，相当于增加了半导体激光器的谐振腔的长度，构成外腔半导体激光器，可以将输出激光的线宽在一定程度上压窄。目前较好的外腔半导体激光器可以将输出激光的线宽压窄到1MHz甚至kHz量级，但在实际应用中，由于激光二极管的热噪声、外界机械振动等噪声引起的光频移远大于激光的极限线宽。

对于高分辨率光谱、激光冷却、量子频标等研究领域，上述外腔半导体激光器的线宽依旧不能满足要求。为了进一步压窄激光线宽，获得更高的频率稳定度，目前常用的稳频方式有Pound-Drever-Hall稳频技术(PDH稳频)、饱和吸收谱稳频等。PDH稳频将激光的频率锁定在超高稳定度的谐振腔上来减小激光频率噪声，从而压窄激光输出线宽。虽然PDH稳频可以将激光线宽压窄至亚Hz量级，但其激光频率是稳定在腔模频率上，而不是以量子跃迁频率为参考。除此之外，利用PDH稳频技术获得超窄线宽激光需要利用超高精细度、超低损耗的光学谐振腔，这对腔体的材料、腔镜的镀膜提出了很高的要求，对隔振和噪声也有着极其严格的要求，并且实验系统相对复杂且价格昂贵。相比之下，饱和吸收谱稳频系统相对简单，稳频时其激光频率锁定在原子或分子的跃迁频率上，稳定度可以达到10^-12～10^-13量级，但是其调制信号直接加到激光器上，会引入额外的噪声，如频率噪声和强度噪声。

发明内容

为了克服了上述利用干涉滤光片、光栅等构成的外腔半导体激光器频率不够稳定、线宽较宽以及采用PDH稳频导致系统复杂且造价昂贵、饱和吸收谱稳频频率稳定度较差的缺点，针对半导体激光器易受激光管温度、驱动电流、外界环境影响而导致的激光器频率不稳定、线宽较宽的技术问题，本发明首次提出一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器及其实现方法。

本发明的目的是提出一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器及其实现方法，利用原子滤光器使得输出激光频率与原子跃迁频率相对应，原子谱线作为量子频率参考，这是其它选频方式所无法比拟的。创新性地利用调制转移谱优异的稳频效果，反馈信号可以直接反馈到激光头上，从而使得激光器对外界振动、温度变化、电流波动的免疫效果更好，可以应用于高端基础科学研究、量子精密测量领域以及激光通信网络领域。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于调制转移谱稳频的法拉第激光器在结构上包括：法拉第激光系统、调制转移谱稳频系统、电子伺服反馈控制系统。法拉第激光系统包括：发光二极管、第一环形磁铁、第一格兰泰勒棱镜、第一原子气室、第二环形磁铁、第二格兰泰勒棱镜、谐振腔镜、压电陶瓷、发光二极管驱动电源；调制转移谱稳频系统包括：第一半波片、第一偏振分光棱镜、第二半波片、电光调制器、第一反射镜、第三半波片、第二反射镜、第二原子气室、第二偏振分光棱镜、光电探测器；电子伺服反馈控制系统包括：信号发生器、混频器、比例积分微分反馈电路。另外，整个装置还包括光隔离器、第三偏振分光棱镜。

上述基于调制转移谱稳频的法拉第激光器工作时，由驱动电源驱动发光二极管，上述发光二极管的出光远端面镀高反膜用于对发光二极管发出的光高反，出光端面镀增透膜用于对发光二极管发出的光高透。发光二极管作为光源发出的光首先经过第一格兰泰勒棱镜，进入第一环形磁铁，然后进入第一原子气室中，第一原子气室处于第一环形磁铁与第二环形磁铁所构成的均匀磁场中。光与原子在磁场作用下发生法拉第旋光效应后，通过第二环形磁铁，只有偏振方向旋转90°的特定频率的光才能通过第二格兰泰勒棱镜。通过第二格兰泰勒棱镜的光在谐振腔内来回反射，与原子气室中的原子发生相互作用，输出激光。其中，上述谐振腔由发光二极管出光远端面所镀的高反膜以及谐振腔镜构成。压电陶瓷紧贴于谐振腔镜上，通过调节压电陶瓷可以改变谐振腔的长度，从而调节输出激光的频率。输出的激光进入光隔离器，经过第三半波片，再由第三偏振分光棱镜分为两束，一束作为输出激光，另一束用于稳频。

用于稳频的激光进入调制转移谱稳频系统，首先经过第一半波片与第一偏振分光棱镜，激光分为两束光强不相等的透射光和反射光，通过旋转第二半波片与第二偏振分光棱镜之间的角度，可以调节透射光与反射光的强度。较强的一束作为泵浦光经过第二半波片后进入电光调制器进行相位的调制，再由第一反射镜反射。此后，泵浦光再由第三偏振分光棱镜反射至第二原子气室中。较弱的一束作为探测光由第二反射镜反射后进入第二原子气室中。泵浦光与探测光在第二原子气室中和原子发生相互作用，通过非线性的四波混频作用，加载在泵浦光上的调制信号转移到未加调制的探测光上来。携带调制信号的探测光经过第三偏振分光棱镜后由光电探测器所探测。

光电探测器将光信号转化为电信号，电信号输入至电子伺服反馈控制系统。信号发生器除了为电光调制器提供驱动信号，还提供与上述驱动信号频率相等的参考信号，此参考信号与电信号共同进入混频器进行混频，解调出的调制转移谱信号作为误差信号，误差信号输出至比例积分微分反馈电路中。比例积分微分反馈电路输出的反馈信号分为三路，其中两路反馈至发光二极管的驱动电路上，调节其电流、压电陶瓷参数以进行稳频，另一路直接反馈回激光头上，直接调节激光头的电流比调节激光器电源的电流要更快且能提高反馈带宽。

进一步地，第一格兰泰勒棱镜与第二格兰泰勒棱镜相互正交。

进一步地，第一原子气室及环形磁铁周围还依次设置有用于对第一原子气室进行加热并控温的加热保温装置以及用于减小外界磁场波动对第一原子气室影响的磁屏蔽装置。

进一步的，第一原子气室所加的磁场为900Gs，第一原子气室的温度控制在65-70摄氏度。本发明通过深入研究分析发现，传统模式的法拉第激光器是处于双频工作模式的，即发出两个频率的激光；通过大量实验分析得出当第一原子气室所加的磁场为900Gs、温度控制在65-70摄氏度时，本发明的法拉第激光器能够输出单频激光且稳频效果好。

进一步地，第二原子气室周围还依次设置有用于对第二原子气室进行加热并控温的加热保温装置以及用于减小外界磁场波动对第二原子气室影响的磁屏蔽装置。

进一步地，第一原子气室与第二原子气室所充入的原子应为同种原子，所充入的原子发生能级跃迁时所吸收光的频率与发光二极管发出光的频率对应。以铯原子为例，铯原子由基态跃迁到激发态所需要吸收光的波长为852nm，那么发光二极管的发光波长也对应于852nm。由于发光二极管发出的光线宽比较宽，一般在几十MHz甚至上百MHz范围内，用原子气室能够压窄此范围。

进一步地，第一原子气室与第二原子气室可充入铯原子、铷原子等其它碱金属原子。

进一步地，第一原子气室与第二原子气室还可充入氮气、氦气等缓冲气体或它们的混合气体作为缓冲气体。

进一步地，发光二极管所发出光的频率范围应当与包含原子气室中所充入原子发生能级跃迁(从基态到激发态的跃迁)时所发出光的频率相对应。

进一步地，本技术方案中所用的反射镜、格兰泰勒棱镜、偏振分光棱镜、谐振腔镜以及发光二极管两个端面所镀的膜均与原子气室中所充入原子发生能级跃迁时所发出光的波长相对应。

进一步地，第三偏振分光棱镜前设置有凸透镜，用来对光束进行聚焦，使得更多的光进入光电探测器。

进一步地，光电探测器后设置有高通滤波器，允许信号中的高频分量通过，抑制低频。

进一步地，光电探测器后设置有放大器进行信号的放大。

进一步地，混频器后设置有低通滤波器，允许信号中的低频通过，抑制高频分量、者干扰和噪音。

本发明提出的一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器及其实现方法，利用原子滤光器使得输出激光频率与原子跃迁频率相对应，这是其它选频方式所无法比拟的。原子滤光器的透射谱线与原子的跃迁频率相对应，激光起振起来的频率将会稳定在原子滤光器的通带之内，选频带宽极窄，从而摆脱了外界振动、温度变化和电流波动对输出激光频率的干扰，实现线宽的压窄。首次将调制转移谱稳频应用于法拉第激光器，相比于饱和吸收谱、偏振谱等，噪声被转移到高频，具有低频噪声小的优点，且避免了直接在激光器上加调制带来的噪声；相比于PDH稳频，具有体积小、价格低等优势。反馈信号可以直接反馈回激光头上，提高了反馈带宽，使得输出激光的频率更加稳定，同时也进一步压窄了法拉第激光器的线宽，使得法拉第激光器对外界振动、温度变化、电流波动的免疫效果更好。这将使得法拉第激光器将在原子钟、磁力仪、激光雷达等领域发挥更加重要的作用。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器的结构示意图。

其中：1—法拉第激光系统，2—调制转移谱稳频系统，3—电子伺服反馈控制系统，4—光隔离器、5—第三半波片、6—第三偏振分光棱镜；

101—发光二极管、102—第一格兰泰勒棱镜、103—第一环形磁铁、104—第一原子气室、105—第二环形磁铁、106—第二格兰泰勒棱镜、107—第一原子气室保温装置、108—第一原子气室磁屏蔽装置、109—驱动电路、110—谐振腔镜、111—压电陶瓷、112—激光头保护板；

201—第一半波片、202—第一偏振分光棱镜、203—第二半波片、204—电光调制器、205—第一反射镜、206—第二偏振分光棱镜、207—第二反射镜、208—第二原子气室、209—第二原子气室保温装置、210—第二原子气室磁屏蔽装置、211—凸透镜、212—光电探测器；

301—高通滤波器、302—放大器、303—混频器、304—信号发生器、305—低通滤波器、306—比例积分微分反馈电路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优势更加清楚，下面结合实施例中的附图对本发明中的技术方案进行进一步的描述，但本发明的保护范围不限于以下所述。

如图1所示，本实施例公开一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器。

由驱动电路109所驱动的发光二极管101作为光源发出光，光经过第一格兰泰勒棱镜102后，进入由第一环形磁铁103与环形磁铁105构成的均匀磁场中。第一原子气室104置于所述均匀磁场中，光进入第一原子气室104后与原子发生相互作用，只有偏振方向旋转90°的特定频率的光才能通过第二格兰泰勒棱镜106。通过第二格兰泰勒棱镜106的光在由发光二极管101出光远端面所镀的高反膜与谐振腔镜110所构成的谐振腔之间来回反射，与第一原子气室104中的原子发生相互作用，产生激光。输出的激光进入光隔离器4，光隔离器4用于防止光反馈，再经过第三半波片5和第三偏振分光棱镜6，激光分为透射光和反射光，通过调节第三半波片5的角度可以调节透射光和反射光的强度。上述透射光作为输出激光，反射光用于调制转移谱稳频。

用于稳频的激光进入调制转移谱系统2，首先经过第一半波片201与第一偏振分光棱镜202，激光分为两束强度不相等的透射光和反射光，通过旋转第一半波片201可以调节透射光与反射光的强度。较强的一束作为泵浦光，较弱的一束作为反射光。在本示例中，以较强的反射光作为泵浦光，较弱的透射光作为探测光为例进行说明。泵浦光经过第二半波片203后进入电光调制器204进行相位的调制，再由第一反射镜205反射后。此后，泵浦光由第二偏振分光棱镜206反射至第二原子气室208中。探测光由第二反射镜207反射后进入第二原子气室208中。泵浦光与探测光在第二原子气室208中和第二原子气室208内所填充的原子发生相互作用，通过非线性的四波混频效应，加载在泵浦光上的调制信号转移到未加调制的探测光上来。携带调制信号的探测光经过第二偏振分光棱镜206，由凸透镜211进行光束的聚焦后进入光电探测器212。

光电探测器212将光信号转化为电信号，此电信号输入至电子伺服反馈控制系统3。电信号经过高通滤波器301，允许信号中的高频分量通过，抑制低频，经过放大器302进行信号的放大。信号发生器304除了为电光调制器204提供驱动信号，还提供与上述驱动信号频率相等的参考信号，此参考信号与电信号共同进入混频器303，解调出的调制转移谱信号作为误差信号，误差信号通过低通滤波器305后，输出至比例积分微分反馈电路306中；低通滤波器305滤除掉误差信号的高频、留下低频，经解调后能够得到比较好的色散型曲线，从而提高稳频效果。比例积分微分反馈电路306输出的反馈信号反馈至驱动电路109，驱动电路109可以将误差信号反馈至激光器控制发光二极管101的电源的电流端、压电陶瓷端，并且反馈信号也可以直接反馈至激光头上，提高了反馈带宽且调节更快。

本例中，第一格兰泰勒棱镜和第二格兰泰勒棱镜正交。

本例中，为了减小外界环境的温度波动对第一原子气室104和第二原子气室208的影响，在第一原子气室104外设置第一原子气室保温装置107，在第二原子气室208外设置第二原子气室保温装置209；为了减小外界环境磁场波动对对第一原子气室104和第二原子气室208的影响，在第一原子气室104外设置第一原子气室磁屏蔽装置108，在第二原子气室208外设置第一原子气室磁屏蔽装置210。

本例中，第一原子气室104与第二原子气室208所充入的原子应为同种原子，如铯原子、铷原子或其它碱金属原子，还可以充入氮气、氦气等缓冲气体或它们的混合气体作为缓冲气体。

本例中，发光二极管101所发出光的频率范围应当与原子气室中所充入原子发生能级跃迁时所发出光的频率相对应。

本发明提供一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器的实现方法，具体包括如下步骤：

1)激光二极管作为光源发出的光经过第一格兰泰勒棱镜，进入到均匀磁场中的原子气室中，均匀磁场由一对放置于原子气室两端的环形磁铁提供。只有偏振方向旋转特定角度的光可以通过第二格兰泰勒棱镜。

2)经过第二格兰泰勒棱镜的光通过光隔离器后，由第一偏振分光棱镜分为两束光，透射光作为输出激光，反射光用于调制转移谱稳频。

3)用于稳频的激光经过第一半波片和第二偏振分光棱镜，透射光作为探测光进入原子气室；反射光经过第二半波片和电光调制器，进行相位的调制后由反射镜反射，再经过第三半波片以及第三偏振分光棱镜，反射光作为泵浦光进入原子气室。

4)泵浦光与探测光在原子气室中和原子发生相互作用，加载在泵浦光上的调制信号会转移到未加调制的探测光上。

5)携带调制信号的探测光经过第三偏振分光棱镜以及凸透镜后，进入光电探测器。

6)信号发生器为电光调制器提供驱动信号以及与驱动信号频率相等的参考信号。

7)光电探测器将光信号转化为电信号，此电信号通过高通滤波器滤除高阶边带，再经过放大器进行信号的放大处理。

8)上述参考信号与参考信号共同进入混频器进行混频，得到调制转移谱信号，即误差信号。

9)误差信号输入至比例积分微分反馈电路中，输出的反馈信号反馈至发光二极管的驱动电路端和压电陶瓷端，以调节其电流进行稳频控制，并且一路反馈信号直接反馈至激光头上，提高了反馈带宽，实现对输出激光的优异稳频效果。

最后需要注意的是，上述实施例仅是本发明所提供的一种优选实施方式，并非限制本发明的范围。本发明实施例中利用原子谱线作为量子频率参考，利用原子滤光器使得输出激光频率与原子跃迁频率相对应，这是其它选频方式所无法比拟的。本方案中调制转移谱稳频的反馈信号可以直接反馈到激光头上，提高反馈带宽，使得法拉第激光器对外界振动、温度变化、电流波动的免疫效果更好，实现高稳定度的窄线宽激光器。本领域技术人员应当充分理解，在不脱离本发明创意构思的前提下，不可对本发明技术方案进行修改、替换和改进。因此，本发明的保护范围以权利要求书所限定者为准。

Claims (10)

1.一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器，其特征在于，包括法拉第激光系统、调制转移谱稳频系统、电子伺服反馈控制系统；其中，

所述法拉第激光系统输出的激光分为两束，一束作为输出激光，另一束用于稳频输入至所述调制转移谱稳频系统；

所述调制转移谱稳频系统，用于将输入的激光分为两束，一束作为泵浦光、另一束作为探测光；所述探测光与调制后的所述泵浦光在第二原子气室相互作用，将加载在所述泵浦光上的调制信号转移到所述探测光上后，然后将所述探测光转换为电信号输出到所述电子伺服反馈控制系统；其中，用于调制所述泵浦光的电光调制器与信号发生器连接，用于接收信号发生器的驱动信号对所述泵浦光进行调制；

所述电子伺服反馈控制系统，用于根据输入的所述电信号与参考信号生成反馈信号反馈至所述法拉第激光系统，用于控制所述法拉第激光系统中发光二极管驱动电路的电源电流、压电陶瓷的电流以及直接调节法拉第激光系统激光头的电流，提高反馈带宽，实现对输出激光的稳频效果；其中所述参考信号与所述驱动信号频率相同。

2.根据权利要求1所述的法拉第激光器，其特征在于，所述法拉第激光系统包括发光二极管、第一环形磁铁、第一格兰泰勒棱镜、第一原子气室、第二环形磁铁、第二格兰泰勒棱镜、谐振腔镜、压电陶瓷；所述发光二极管作为光源发出的光首先经过第一格兰泰勒棱镜进入第一环形磁铁，然后进入第一原子气室中，第一原子气室处于第一环形磁铁与第二环形磁铁所构成的均匀磁场中，通过第二环形磁铁的光通过第二格兰泰勒棱镜输出；通过第二格兰泰勒棱镜的光在谐振腔内来回反射，形成激光输出；其中，压电陶瓷紧贴于所述谐振腔镜上。

3.根据权利要求2所述的法拉第激光器，其特征在于，所述第一原子气室及第一环形磁铁、第二环形磁铁周围设置有用于对第一原子气室进行加热并控温的加热保温装置、用于减小外界磁场波动对第一原子气室影响的磁屏蔽装置。

4.根据权利要求3所述的法拉第激光器，其特征在于，第一原子气室所加的磁场为900Gs，第一原子气室的温度控制在65-70摄氏度。

5.根据权利要求2所述的法拉第激光器，其特征在于，所述第一格兰泰勒棱镜与所述第二格兰泰勒棱镜相互正交。

6.根据权利要求2所述的法拉第激光器，其特征在于，所述调制转移谱稳频系统包括第一半波片、第一偏振分光棱镜、第二半波片、电光调制器、第一反射镜、第三半波片、第二反射镜、第二原子气室、第二偏振分光棱镜、光电探测器；用于稳频的激光首先经第一半波片、第一偏振分光棱镜分为两束，一束作为泵浦光、另一束作为探测光；泵浦光经过第二半波片后进入电光调制器进行相位的调制，再由第一反射镜、第三偏振分光棱镜反射至第二原子气室中；所述探测光由第二反射镜反射后进入第二原子气室中。

7.根据权利要求6所述的法拉第激光器，其特征在于，所述电子伺服反馈控制系统包括信号发生器、混频器、比例积分微分反馈电路；信号发生器提供的所述参考信号与所述电信号共同进入所述混频器进行混频，解调出的调制转移谱信号作为误差信号输出至比例积分微分反馈电路中。

8.一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器实现方法，其步骤包括：

1)激光二极管作为光源发出的光经过第一格兰泰勒棱镜，进入到均匀磁场中的第一原子气室中，均匀磁场由一对放置于所述第一原子气室两端的环形磁铁提供；

2)通过所述第一原子气室的光经过第二格兰泰勒棱镜、光隔离器后，由第一偏振分光棱镜分为两束，一束作为输出激光，另一束用于稳频输入至所述调制转移谱稳频系统；

3)用于稳频的激光经所述调制转移谱稳频系统中的第一半波片、第二偏振分光棱镜分为两束，一束作为泵浦光、另一束作为探测光；所述探测光进入第二原子气室；所述泵浦光经过第二半波片和电光调制器进行相位调制后进入所述第二原子气室；其中，信号发生器为电光调制器提供驱动信号；

4)所述探测光与调制后的所述泵浦光在第二原子气室相互作用，将加载在所述泵浦光上的调制信号转移到所述探测光上；

5)携带调制信号的探测光经过第三偏振分光棱镜以及凸透镜后，进入光电探测器；

6)光电探测器将输入的光信号转化为电信号，所述电信号通过高通滤波器滤除高阶边带，再经过放大器进行信号的放大处理后与信号发生器提供的参考信号共同进入混频器进行混频，得到调制转移谱信号，即误差信号；其中所述参考信号与所述驱动信号频率相等；

7)将所述误差信号输入至比例积分微分反馈电路中，输出反馈信号反馈至发光二极管的驱动电路端、压电陶瓷的电流端以及直接反馈到激光头，用于控制发光二极管驱动电路的电源电流、压电陶瓷的电流以及直接调节法拉第激光系统激光头的电流，提高反馈带宽，实现对输出激光的稳频效果。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一原子气室及第一环形磁铁、第二环形磁铁周围设置有用于对第一原子气室进行加热并控温的加热保温装置、用于减小外界磁场波动对第一原子气室影响的磁屏蔽装置。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一原子气室所加的磁场为900Gs，所述第一原子气室的温度控制在65-70摄氏度。

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