CN114336277B - 一种eom边带调制的激光器大失谐稳频装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种EOM边带调制的激光器大失谐稳频装置及方法，为了解决半导体激光器在高精度原子自旋进动检测时大失谐频率稳定控制的问题，本发明采用基于电光相位延迟器（EOM）作为频率参考以稳定SERF磁强计的半导体激光器的频率，以保证激光抽运碱金属原子的长期稳定度，提高SERF磁强计磁场测量的检测灵敏度。

Description

一种EOM边带调制的激光器大失谐稳频装置及方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种EOM边带调制的激光器大失谐稳频装置及方法。

背景技术

半导体激光器具有体积小、效率高、线宽窄等优点，已被公认为原子物理实验中的理想光源。随着半导体激光技术的快速发展，以及半导体激光器本身性能的不断提高，半导体激光器广泛地应用于量子光学、量子传感、高精度计量学、激光光谱及高精密测量的实验系统中，诸如激光冷却与俘获、原子干涉测量、原子钟或光学时钟等。稳定的激光频率是这些实验系统的最重要的要求之一。在这些系统中，为了减小半导体激光器输出激光的频率漂移，通常将半导体激光频率锁定在某一稳定的参考频率标准上，以期获得长期频率稳定的激光源。

在无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free, SERF)磁强计装置中，半导体激光器对原子自旋的光抽运是实现超高灵敏原子自旋惯性磁场测量的前提。半导体激光器的频率会直接影响激光与原子的相互作用，通常没有经过特殊的稳频手段处理、自由运转1h的半导体激光器频率可以达到GHz量级，而实现高灵敏度的SERF极弱磁场测量所需要求的激光频率稳定度要达到MHz量级，还要实现一定失谐激光频率稳定。

常见的半导体激光器稳频方法有以吸收谱线作为频率参考的饱和吸收稳频技术、以法布里-珀罗 (FP)腔作为频率参考的 PDH 稳频技术。

饱和吸收稳频技术可以实现较高的长期稳定度，但是存在稳定度极限并对半导体激光器的波长有一定的限制。PDH 技术可以实现较高的短期频率稳定度，但是由于频率稳定度与腔长的稳定性有关，所以易受环境干扰而导致频率长期稳定度不高。因此，急需一种用于SERF磁强计的激光稳频方法，以解决在一定的失谐频率半导体激光器抽运碱金属原子激光频率不稳定的现象，从而进一步提高SERF磁强计磁场测量的检测灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种EOM边带调制的激光器大失谐稳频装置及方法，以解决半导体激光器在高精度原子自旋进动检测时大失谐频率稳定控制的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种EOM边带调制的激光器大失谐稳频装置，包括参考激光器频率锁定单元、基于EOM边带调制的频率失谐单元和检测激光器频率锁定单元；所述参考激光器频率锁定单元包括参考激光器、第一扩束装置、第一光电隔离器、第一1/2波片、第一偏振分光棱镜、第一反射镜、1/4波片、钾原子气池、第二反射镜、第一光电探测器和第一PID反馈控制器；所述参考激光器的光路依次经过第一扩束装置、第一光电隔离器、第一1/2波片至第一偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜的反射光的光路依次经过第一反射镜、1/4波片、钾原子气池至第二反射镜后再次反射依次经过钾原子气池、1/4波片、第一反射镜至第一偏振分光棱镜，并经过第一偏振分光棱镜的透射后进入第一光电探测器，所述第一PID反馈控制器通过电路连接第一光电探测器与参考激光器；所述基于EOM边带调制的频率失谐单元包括第三反射镜、电光相位调制器和射频驱动源，所述第一偏振分光棱镜的透射光的光路经过第三反射镜至电光相位调制器，所述射频驱动源与所述电光相位调制器之间电性连接；所述检测激光器频率锁定单元包括检测激光器、第二扩束装置、第二光电隔离器、第二1/2波片、第二偏振分光棱镜、第二光电探测器和第二PID反馈控制器；所述检测激光器的光路依次经过第二扩束装置、第二光电隔离器、第二1/2波片至第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜的反射光的光路射入第二光电探测器，所述第二偏振分光棱镜的透射光作为SERF磁强计装置检测光路的光源；所述电光相位调制器出射的光束经过第二偏振分光棱镜的透射后射入第二光电探测器，所述第二PID反馈控制器通过电路连接第二光电探测器与检测激光器。

作为优选，所述第一扩束装置包括第一透镜、第一直角三棱镜和第二直角三棱镜；所述第二扩束装置包括第二透镜、第三直角三棱镜和第四直角三棱镜。

作为优选，所述第一偏振分光棱镜的反射光光强为入射光光强的50%，所述第一偏振分光棱镜的透射光光强为入射光光强的50%；所述第二偏振分光棱镜的反射光光强为入射光光强的10%，所述第二偏振分光棱镜的透射光光强为入射光光强的90%。

作为优选，所述参考激光器与检测激光器均采用半导体激光器。

本申请还公开了一种EOM边带调制的激光器大失谐稳频方法，具体包括如下步骤：

S1、参考激光器作为参考光源，调节第一扩束装置对参考激光器发出的光进行扩束，通过第一光电隔离器后，调节第一1/2波片使第一偏振分光棱镜的反射光与透射光为1:1；

S2、第一偏振分光棱镜的反射光经过第一反射镜和1/4波片后到达钾原子气池，经第二反射镜原路返回至第一偏振分光棱镜并经过第一偏振分光棱镜的透射进入第一光电探测器；

S3、第一光电探测器将光功率信号转换成电压信号，第一PID反馈控制器对比饱和吸收峰和参考激光器实际频率的电压差，计算出反馈电压并反馈给参考激光器控制器，控制参考激光器的频率保持稳定；

S4、第一偏振分光棱镜的透射光经过第三反射镜进入电光相位延迟器，通过调节射频驱动源的电压实现电光相位延迟器的出射光的频率失谐；

S5、检测激光器作为检测光源，调节第二扩束装置对检测激光器发出的光进行扩束，通过第二光电隔离器，第二1/2波片、再通过第二偏振分光棱镜将光路分成反射光和透射光；

S6、所述第二偏振分光棱镜的反射光与电光相位延迟器出射并透射过第二偏振分光棱镜的光束共同达到第二光电探测器并进行拍频；并通过第二PID反馈控制器计算反馈电压反馈给检测激光器控制器，以实现检测激光器的大失谐频率稳定；

S7、所述第二偏振分光棱镜的透射光作为SERF磁强计装置检测光路的光源。

作为优选，所述参考激光器采用770nm的半导体激光器。

本发明的有益效果：

1、本发明将电光相位延迟器与饱和吸收稳频技术相结合，实现了SERF磁强计装置中半导体激光器的大失谐稳频，提高SERF磁强计检测的精确度和灵敏度；

2、本发明将稳频装置和大失谐装置进行模块化处理，避免在SERF磁强计装置中引入复杂光路；

3、本发明的两个反馈调节装置原理简单，无需复杂操作；

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明一种EOM边带调制的激光器大失谐稳频装置的结构示意图；

图中：1-参考激光器、2-第一透镜、3-第一直角三棱镜、4-第二直角三棱镜、5-第一光电隔离器、6-第一1/2波片、7-第一偏振分光棱镜、8-第一反射镜、9-1/4波片、10-钾原子气池、11-第二反射镜、12-第三反射镜、13-电光相位调制器、14-射频驱动源、15-第一光电探测器、16-第一PID反馈控制器、17-第二半导体激光器、18-第二透镜、19-第三直角三棱镜、20-第四直角三棱镜、21-第二光电隔离器、22-第二1/2波片、23-第二偏振分光棱镜、24-第二光电探测器、25-第二PID反馈控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

参阅图1，本发明一种EOM边带调制的激光器大失谐稳频装置，其中粗实线部分为光路部分，细实线是电路部分，包括参考激光器频率锁定单元、 基于EOM边带调制的频率失谐单元、 检测激光器频率锁定单元；

所述参考激光器频率锁定单元包括参考激光器1、第一透镜2、第一直角三棱镜3、第二直角三棱镜4、第一光电隔离器5、第一1/2波片6、第一偏振分光棱镜（PBS）7、第一反射镜8、1/4波片9、钾原子气池10、第二反射镜11、第一光电探测器15和第一PID反馈控制器16。参考激光器1作为参考激光器，发出的激光束经过第一透镜2、第一直角三棱镜3和第二直角三棱镜4进行扩束，通过第一光电隔离器5，避免反射回激光器对激光器造成损害，第一1/2波片6和第一偏振分光棱镜7将第一光电隔离器出射的光分成两束，其透射光作为后续光路的工作光源，其反射光经过第一反射镜8和1/4波片后到达钾原子气池10，经第二反射镜11再经钾原子气池原路返回至第一偏振分光棱镜7并经过第一偏振分光棱镜7的透射进入第一光电探测器15，将探测的饱和吸收光谱转换成电信号，第一PID反馈控制器16对比饱和吸收峰和激光器实际频率的电压差，通过算法计算出反馈电压并反馈给激光器控制器，控制参考激光器1的频率保持稳定。

所述基于EOM边带调制的频率失谐单元包括第三反射镜12、电光相位调制器（EOM）13和射频（RF）驱动源14。第一偏振分光棱镜7的透射光经过第三反射镜12反射后射入电光相位调制器13，通过控制射频驱动源14的电压以实现激光失谐的频率大小。

所述检测激光器频率锁定单元包括检测激光器17、第二透镜18、第三直角三棱镜19、第四直角三棱镜20、第二光电隔离器21、第二1/2波片22、第二偏振分光棱镜23、第二光电探测器24和第二PID反馈控制器25。检测激光器17作为SERF磁强计装置的检测激光器，发出的激光束经过第二透镜18、第三直角三棱镜19和第四直角三棱镜20进行扩束，通过第二光电隔离器21，避免反射回激光器对激光器造成损害，第二1/2波片22和第二偏振分光棱镜23将第二光电隔离器21出射的光分成两束，其反射光束与电光相位调制器13出射并透射过第二偏振分光棱镜23的光束共同到达第二光电探测器24并进行拍频，并通过第二PID反馈控制器25计算反馈电压反馈给激光器控制器，以实现检测激光器17的大失谐频率稳定，第二偏振分光棱镜23的透射光作为SERF磁强计装置检测光路的光源。

所述第一偏振分光棱镜7将主光束分为两束，反射光为入射光强的50%，透射光为入射光强的50%；所述第二偏振分光棱镜23将主光束分为两束，反射光为入射光强的10%，用作激光频率的探测光源，透射光为入射光强的90%。

所述检测激光器17的控制电流为正常工作电流的110％。

本发明的实施过程如下：

参考激光器1使用770nm的半导体激光器作为参考光源，调节第一透镜2、第一直角三棱镜3和第二直角三棱镜4对激光器发出的光进行扩束，通过第一光电隔离器5后，调节第一1/2波片6使第一偏振分光棱镜7的反射光与透射光为1:1，其透射光作为后续光路的工作光源，其反射光经过第一反射镜8，和1/4波片9后到达钾原子气池10，经第二反射镜11原路返回至第一偏振分光棱镜7并经过第一偏振分光棱镜7的透射进入第一光电探测器15，光电探测器将光功率信号转换成电压信号，第一PID反馈控制器16对比饱和吸收峰和激光器实际频率的电压差，计算出反馈电压并反馈给激光器控制器，控制参考激光器1的频率保持稳定。

稳定之后的光束从第一偏振分光棱镜7出射，经过第三反射镜12进入电光相位延迟器13，通过调节射频驱动源14的电压可实现电光相位延迟器13出射光的频率失谐。

作为SERF磁强计装置的检测激光器17，发出的激光束经过第二透镜18、第三直角三棱镜19和第四直角三棱镜20进行扩束，通过第二光电隔离器21，避免反射回激光器对激光器造成损害，第二1/2波片22和第二偏振分光棱镜23将第二光电隔离器21出射的光分成两束，其反射光束与电光相位调制器13出射并透射过第二偏振分光棱镜23的光束共同到达第二光电探测器24并进行拍频，并通过第二PID反馈控制器25计算反馈电压反馈给激光器控制器，以实现检测激光器17的大失谐频率稳定，第二偏振分光棱镜23的透射光作为SERF磁强计装置检测光路的光源。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种EOM边带调制的激光器大失谐稳频装置，其特征在于：包括参考激光器频率锁定单元、基于EOM边带调制的频率失谐单元和检测激光器频率锁定单元；

所述参考激光器频率锁定单元包括参考激光器（1）、第一扩束装置、第一光电隔离器（5）、第一1/2波片（6）、第一偏振分光棱镜（7）、第一反射镜（8）、1/4波片（9）、钾原子气池（10）、第二反射镜（11）、第一光电探测器（15）和第一PID反馈控制器（16）；所述参考激光器（1）的光路依次经过第一扩束装置、第一光电隔离器（5）、第一1/2波片（6）至第一偏振分光棱镜（7），所述第一偏振分光棱镜（7）的反射光的光路依次经过第一反射镜（8）、1/4波片（9）、钾原子气池（10）至第二反射镜（11）后再次反射依次经过钾原子气池（10）、1/4波片（9）、第一反射镜（8）至第一偏振分光棱镜（7），并经过第一偏振分光棱镜（7）的透射后进入第一光电探测器（15），所述第一PID反馈控制器（16）通过电路连接第一光电探测器（15）与参考激光器（1）；

所述基于EOM边带调制的频率失谐单元包括第三反射镜（12）、电光相位调制器（13）和射频驱动源（14），所述第一偏振分光棱镜（7）的透射光的光路经过第三反射镜（12）至电光相位调制器（13），所述射频驱动源（14）与所述电光相位调制器（13）之间电性连接；

所述检测激光器频率锁定单元包括检测激光器（17）、第二扩束装置、第二光电隔离器（21）、第二1/2波片（22）、第二偏振分光棱镜（23）、第二光电探测器（24）和第二PID反馈控制器（25）；所述检测激光器（17）的光路依次经过第二扩束装置、第二光电隔离器（21）、第二1/2波片（22）至第二偏振分光棱镜（23），所述第二偏振分光棱镜（23）的反射光的光路射入第二光电探测器（24），所述第二偏振分光棱镜（23）的透射光作为SERF磁强计装置检测光路的光源；所述电光相位调制器（13）出射的光束经过第二偏振分光棱镜（23）的透射后射入第二光电探测器（24），所述第二PID反馈控制器（25）通过电路连接第二光电探测器（24）与检测激光器（17）。

2.如权利要求1所述的一种EOM边带调制的激光器大失谐稳频装置，其特征在于：所述第一扩束装置包括第一透镜（2）、第一直角三棱镜（3）和第二直角三棱镜（4）；所述第二扩束装置包括第二透镜（18）、第三直角三棱镜（19）和第四直角三棱镜（20）。

3.如权利要求1所述的一种EOM边带调制的激光器大失谐稳频装置，其特征在于：所述第一偏振分光棱镜（7）的反射光光强为入射光光强的50%，所述第一偏振分光棱镜（7）的透射光光强为入射光光强的50%；所述第二偏振分光棱镜（23）的反射光光强为入射光光强的10%，所述第二偏振分光棱镜（23）的透射光光强为入射光光强的90%。

4.如权利要求1所述的一种EOM边带调制的激光器大失谐稳频装置，其特征在于：所述参考激光器与检测激光器均采用半导体激光器。

5.一种EOM边带调制的激光器大失谐稳频方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1、参考激光器（1）作为参考光源，调节第一扩束装置对参考激光器（1）发出的光进行扩束，通过第一光电隔离器（5）后，调节第一1/2波片（6）使第一偏振分光棱镜（7）的反射光与透射光为1:1；

S2、第一偏振分光棱镜（7）的反射光经过第一反射镜（8）和1/4波片（9）后到达钾原子气池（10），经第二反射镜（11）原路返回至第一偏振分光棱镜（7）并经过第一偏振分光棱镜（7）的透射进入第一光电探测器（15）；

S3、第一光电探测器（15）将光功率信号转换成电压信号，第一PID反馈控制器（16）对比饱和吸收峰和参考激光器（1）实际频率的电压差，计算出反馈电压并反馈给参考激光器控制器，控制参考激光器（1）的频率保持稳定；

S4、第一偏振分光棱镜（7）的透射光经过第三反射镜（12）进入电光相位延迟器（13），通过调节射频驱动源（14）的电压实现电光相位延迟器（13）的出射光的频率失谐；

S5、检测激光器（17）作为检测光源，调节第二扩束装置对检测激光器（17）发出的光进行扩束，通过第二光电隔离器（21），第二1/2波片（22），再通过第二偏振分光棱镜（23）将光路分成反射光和透射光；

S6、所述第二偏振分光棱镜（23）的反射光与电光相位延迟器（13）出射并透射过第二偏振分光棱镜（23）的光束共同达到第二光电探测器并进行拍频；并通过第二PID反馈控制器（25）计算反馈电压反馈给检测激光器控制器，以实现检测激光器（17）的大失谐频率稳定；

S7、所述第二偏振分光棱镜（23）的透射光作为SERF磁强计装置检测光路的光源。

6.如权利要求5所述的一种EOM边带调制的激光器大失谐稳频方法，其特征在于：所述参考激光器（1）采用770nm的半导体激光器。

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