CN114300918A - 一种超稳窄线宽激光器系统和耦合调节方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种超稳窄线宽激光器系统,包括顺序连接的激光器、光纤隔离器、声光调制器、光纤耦合器、电光调制器、环形器。所述光纤耦合器旁路输出稳定激光。所述环形器输出端口返回的光经第三端口输出至第一光电探测器,获得误差信号。所述环形器输出端口的光经光纤耦合镜、光学参考腔输出至第二光电探测器。所述光纤耦合镜固定在调整架上,所述调整架配置为在垂直于光传播方向的平面上平移、且在沿光传播方向上改变水平偏离角、垂直偏离角,使耦合到光学参考腔的光强最大。本申请还包含所述超稳窄线宽激光器系统的调节方法。本申请解决可移动超稳激光器组成复杂、调节操作不便的问题。
Description
技术领域
本申请涉及激光器领域,尤其涉及一种超稳窄线宽激光器系统和耦合调节方法。
背景技术
窄线宽稳频激光是许多研究领域的重要组成部分,比如,光学频率标准、低相噪微波信号产生、基于光纤的光学频率传递、引力波探测、相对论验证、基本物理常数的测量、高精密光谱与量子测量和量子信息科学等。受限于超稳窄线宽激光器系统庞大的体积,仅可在实验室中进行使用,限制了它在工程上的应用。小型化、可移动的设计可以使超稳激光器系统不受时间与空间的限制,对推动其相关领域的发展,以及应用的探索有重大价值。
目前,小型化、可移动超稳激光器的光路通常采用小型化的自由空间的光学组件安装在固定于光学参考腔外的真空腔上的设计,使自由运转的激光器发出的激光耦合到光学参考腔上。该设计需要多个透镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、二分之一波片以及需要施加高压的电光晶体。在精确设计各光学组件的空间位置并固定后,仍需大量地调节才可将激光很好地耦合进光学参考腔。组件繁多,设计复杂,操作繁琐。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超稳窄线宽激光器系统和耦合调节方法,实现了紧凑便捷的可移动超稳窄线宽激光器光路部分的设计。本申请解决现有技术的可移动超稳激光器组成复杂、调节操作不便的问题。
本申请实施例提供一种超稳窄线宽激光器系统,包括顺序连接的激光器、光纤隔离器、声光调制器、光纤耦合器、电光调制器、环形器。
所述光纤耦合器旁路输出稳定激光。所述环形器输出端口返回的光经第三端口输出至第一光电探测器,获得误差信号。所述环形器输出端口的光经光纤耦合镜、光学参考腔输出至第二光电探测器。所述光纤耦合镜固定在调整架上,所述调整架配置为在垂直于光传播方向的平面上平移、且在沿光传播方向上改变水平偏离角、垂直偏离角,使耦合到光学参考腔的光强最大。
优选地,所述超稳窄线宽激光器系统中,所述调整架包含调节部和固定部。所述固定部装配有光学参考腔。所述调节部装配有光纤耦合镜,所述调节部包含水平位移调节组件、垂直位移调节组件、水平偏离角调节组件、垂直偏离角调节组件;所述水平、垂直的方向均与光路方向垂直。
优选地,所述的超稳窄线宽激光器系统,还包含带荧光粉光阑;所述光阑的位置装配在调节部朝向所述固定部的一端,所述光阑的荧光面与参考腔镜相对。来自光学参考腔反射光通过光阑中心孔。
进一步优选地,所述光阑带有水平调节螺栓和垂直调节螺栓,分别用于实现光阑中心孔在水平和垂直方向平移。
本申请实施例还提出一种超稳窄线宽激光器耦合调节方法,使用本申请实施例所述装置,包含以下步骤:
使用可见激光辅助,调节所述调整架,使光学参考腔投射端出现光斑;
调节所述调整架,使激光光路的光学参考腔反射光与入射光光路重合;
在垂直和水平两个方向平移调节所述调整架,使第二光电探测器生成的电信号脉冲幅度最大。
优选地,在所述调节所述调整架的过程中,改变激光传输方向的水平偏离角、垂直偏离角,且调节所述光纤耦合镜的焦距,使第一光电探测器检测信号的强度最大。
优选地,调节声光调制器驱动电压,使激光经所述声光调制器的功率满足预设功率。
进一步优选地,在上述步骤之前,还包含以下步骤:用感光板观测光纤耦合镜是否有激光输出,调节光纤耦合镜焦距,使光斑明亮汇聚。
进一步优选地,包含以下步骤:安装带荧光粉光阑;所述光阑的位置装配在调节部朝向所述固定部的一端,所述光阑的荧光面与参考腔镜相对,在水平和垂直两个方向上微调光阑,使反射光通过光阑中心孔。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果:
本发明属于超稳窄线宽激光系统的光路装置设计及耦合调节方法,应用于超稳窄线宽激光器系统的小型化、可移动。
本发明采用全光纤结构实现激光光束与光学参考腔的耦合。仅需将各组件的光纤相连接,并简单调节五自由度光学调整架即可在两自由度带荧光粉光阑的辅助下实现光路与光学参考腔的耦合。二自由度带荧光粉光阑,可轻松安装与拆卸,无需二次调整。在保证可靠性的前提下,降低系统复杂度,提高系统安装的便捷性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解,构成本申请的一部分,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
图1是本发明可移动超稳窄线宽激光器系统光路设计图;
图2是含光学参考腔模型的光纤耦合镜端三视图,(a)正视图;(b)左视图;(c)俯视图;
图3是二自由度带荧光粉光阑三视图,(a)正视图;(b)左视图;(c)俯视图;
图4是本申请超稳窄线宽激光器系统调节方法实施例流程图;
图5为本申请的超稳窄线宽激光器耦合调节方法另一实施例流程图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
本申请利用全光纤光学组件及五个自由度的光学调整架,实现超稳窄线宽激光系统光学部分的小型化,减低系统安装的复杂度,减少重复调节工作。
以下结合附图,详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1是本发明的紧凑便捷的可移动超稳窄线宽激光器系统光路设计示意图(图中,光路中实线为光纤连接;虚线为自由空间传播)。
本申请实施例提供一种超稳窄线宽激光器系统,包括通过光纤顺序连接的激光器、光纤隔离器、声光调制器、光纤耦合器、电光调制器、环形器、光纤耦合镜,及配置在光纤耦合镜下游的光学参考腔、光学参考腔输出端的第二光电探测器,还包含连接于环形器第三端口的第一光电探测器。
所述光纤耦合器旁路输出稳定激光。所述环形器输出端口返回的光经第三端口输出至第一光电探测器,获得误差信号。所述环形器输出端口的光经光纤耦合镜、光学参考腔输出至第二光电探测器。所述光纤耦合镜固定在调整架上,所述调整架配置为在垂直于光传播方向的平面上平移、且在沿光传播方向上改变水平偏离角、垂直偏离角,使耦合到光学参考腔的光强最大。
例如,为了实现上述目的,本发明采用的是:基于波导的声光调制器(AOM)、基于波导的电光调制器(EOM)、可调焦光纤耦合镜、五自由度光学调整架、二自由度带荧光粉光阑。第一光电探测器为光纤耦合方式、第二光电探测器为自由空间耦合方式。
超稳窄线宽激光器系统工作时,激光在光纤内传输,由自由运转激光器经隔离器,AOM,再由光纤耦合器将激光光束分为两路,一路用于激光输出,另一路用于产生误差反馈信号,用于产生误差反馈信号的一路经EOM后由环形器第一端口送至第二端口,再通过光纤耦合镜转换成自由空间激光光束耦合进光学参考腔,同时将耦合回来的光经环形器第二端口送至第三端口输出接入第一光电探测器,以获得用于控制激光器频率的误差反馈信号。五自由度光学调整架用于固定光纤耦合镜,并改变其输出光束的空间位置与方向,以二自由度带荧光粉光阑辅助,实现激光光束与光学参考腔的耦合。
图2是含光学参考腔模型的光纤耦合镜端三视图,其中,(a)正视图;(b)左视图;(c)俯视图。
优选地,所述超稳窄线宽激光器系统中,所述调整架包含调节部21和固定部22。所述固定部装配有光学参考腔。所述调节部装配有光纤耦合镜,所述调节部包含水平位移调节组件23、垂直位移调节组件24、水平偏离角调节组件25、垂直偏离角调节组件26;水平方向在图2中标示为x,垂直方向标示为y。水平偏离角为θx,垂直偏离角为θy。所述水平、垂直的方向均与光路方向垂直,光路方向为±z。
根据可调焦光纤耦合镜焦距范围确定其与光学参考腔入射镜的空间位置,按图2方式配合五自由度光学调整架固定于光学参考腔上。调节入射光入射角度与位置,使激光光路与光学参考腔光轴重合,反射光路与入射光路重合。
图3是二自由度带荧光粉光阑三视图,其中,(a)正视图;(b)左视图;(c)俯视图。
优选地,所述的超稳窄线宽激光器系统,还包含带荧光粉光阑;所述光阑的位置装配在调节部朝向所述固定部的一端,所述光阑的荧光面31与参考腔镜相对。来自光学参考腔反射光通过光阑中心孔32。
所述光阑带有水平调节螺栓33和垂直调节螺栓34,分别用于实现光阑中心孔在水平和垂直方向平移。
二自由度带荧光粉光阑采用卡扣式设计,独立于整个系统,便于装卸,具体地,在光阑框体外缘设置有卡扣35,在调节部前端有边框结构,当所述光阑框体嵌入调节部前端的边框时,利用卡扣固定。
图4为本申请的超稳窄线宽激光器耦合调节方法实施例流程图。
本申请实施例还提出一种超稳窄线宽激光器耦合调节方法,使用本申请实施例所述装置,包含以下步骤:
步骤41、使用可见激光辅助,调节所述调整架,使光学参考腔投射端出现光斑。
利用人眼可见的激光(例如,输出红色激光的HeNe激光器)辅助进行初步粗调,在光学参考腔透射端用光屏观测到小红斑时,则粗调成功,激光能够通过光学参考腔的两面腔镜。
步骤42、调节所述调整架,使激光光路的光学参考腔反射光与入射光光路重合。
具体地,调节所述调整架,改变激光传输方向的水平偏离角、垂直偏离角,且调节所述光纤耦合镜的焦距,使第一光电探测器检测信号的强度最大。此时激光光束平行于参考腔光轴,但仍可能有偏移。
步骤43、在垂直和水平两个方向平移调节所述调整架,使第二光电探测器生成的电信号脉冲幅度最大。
具体地,调节五自由度光学调整架x,y轴,当第二光电探测器生成的电信号脉冲幅度最大时,说明激光光束与光学参考腔光轴基本重合。
图5为本申请的超稳窄线宽激光器耦合调节方法另一实施例流程图。
步骤51、用感光板观测光纤耦合镜是否有激光输出。
用光纤转接头连接各光纤组件,利用感光板观测耦合镜是否有激光输出,粗调光纤耦合镜焦距,用感光板观测,使光斑明亮会聚。
步骤52、调节声光调制器驱动电压,使激光经所述声光调制器的功率满足预设功率。
例如,通过调节AOM驱动电压调整激光功率约1mW。
步骤53、使用可见激光辅助,调节所述调整架,使光学参考腔投射端出现光斑(同步骤41)。
步骤54、安装带荧光粉光阑。所述光阑的位置装配在调节部朝向所述固定部的一端,所述光阑的荧光面与参考腔镜相对,在水平和垂直两个方向上微调光阑,使反射光通过光阑中心孔。
具体地,安装二自由度带荧光粉光阑,调节其x,y轴,使激光束通过其中心孔洞而不被遮挡。荧光面与参考腔镜相对,通过观测反射回光阑荧光面的光斑位置利用五自由度光学调整架调节入射激光角度,使反射光通过光阑中心孔洞。
步骤55、调节所述调整架,使激光光路的光学参考腔反射光与入射光光路重合(同步骤42)。
具体地,在环形器第一光电探测器端口接入光功率计,继续微调θx,θy与光纤耦合镜焦距,使接收到反射光功率最大,即光功率计有最大示数,此时激光光束平行于参考腔光轴,但仍有偏移。
步骤56、对激光器进行扫频,在垂直和水平两个方向平移调节所述调整架,使第二光电探测器生成的电信号脉冲幅度最大。
在光学参考腔透射端安装第二光电探测器并对激光器进行扫频,扫频范围大于一个自由光谱范围,通过示波器观察其透射信号,调节五自由度光学调整架x,y轴,在示波器上观测到谐波被抑制,并有一个很高的单脉冲时,说明激光光束与光学参考腔光轴基本重合。继续微调x,y轴,使该脉冲具有最大幅度,此时光路耦合调节成功,可进行锁定。
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素
以上所述仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种超稳窄线宽激光器系统,其特征在于,包括
顺序连接的激光器、光纤隔离器、声光调制器、光纤耦合器、电光调制器、环形器;
所述光纤耦合器旁路输出稳定激光;
所述环形器输出端口返回的光经第三端口输出至第一光电探测器,获得误差信号;
所述环形器输出端口的光经光纤耦合镜、光学参考腔输出至第二光电探测器;
所述光纤耦合镜固定在调整架上,所述调整架配置为在垂直于光传播方向的平面上平移、且在沿光传播方向上改变水平偏离角、垂直偏离角,使耦合到光学参考腔的光强最大。
2.如权利要求1所述的超稳窄线宽激光器系统,其特征在于,
所述调整架包含调节部和固定部;
所述固定部装配有光学参考腔;
所述调节部装配有光纤耦合镜,所述调节部包含水平位移调节组件、垂直位移调节组件、水平偏离角调节组件、垂直偏离角调节组件;所述水平、垂直的方向均与光路方向垂直。
3.如权利要求2所述的超稳窄线宽激光器系统,其特征在于,
还包含带荧光粉光阑;所述光阑的位置装配在调节部朝向所述固定部的一端,所述光阑的荧光面与参考腔镜相对。
4.如权利要求3所述的超稳窄线宽激光器系统,其特征在于,
来自光学参考腔反射光通过光阑中心孔。
5.如权利要求3所述的超稳窄线宽激光器系统,其特征在于,
所述光阑带有水平调节螺栓和垂直调节螺栓,分别用于实现光阑中心孔在水平和垂直方向平移。
6.一种超稳窄线宽激光器耦合调节方法,使用权利要求1~5任意一项所述激光器系统,其特征在于,包含以下步骤:
使用可见激光辅助,调节所述调整架,使光学参考腔投射端出现光斑;
调节所述调整架,使激光光路的光学参考腔反射光与入射光光路重合;
在垂直和水平两个方向平移调节所述调整架,使第二光电探测器生成的电信号脉冲幅度最大。
7.如权利要求6所述的超稳态窄线宽激光器耦合调节方法,其特征在于,
调节所述调整架,改变激光传输方向的水平偏离角、垂直偏离角,且调节所述光纤耦合镜的焦距,使第一光电探测器检测信号的强度最大。
8.如权利要求6所述的超稳态窄线宽激光器耦合调节方法,其特征在于,在所述步骤之前,还包含以下步骤:调节声光调制器驱动电压,使激光经所述声光调制器的功率满足预设功率。
9.如权利要求6所述的超稳态窄线宽激光器耦合调节方法,其特征在于,在所述步骤之前,还包含以下步骤:
用感光板观测光纤耦合镜是否有激光输出,调节光纤耦合镜焦距,使光斑明亮汇聚。
10.如权利要求6所述的超稳窄线宽激光器耦合调节方法,其特征在于,进一步包含以下步骤:
安装带荧光粉光阑;所述光阑的位置装配在调节部朝向所述固定部的一端,所述光阑的荧光面与参考腔镜相对,在水平和垂直两个方向上微调光阑,使反射光通过光阑中心孔。
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