CN114899702A - 一种基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置及方法，基于饱和吸收峰为基准的扫描传递腔失谐稳频技术，通过饱和吸收光谱信号作为鉴频信号对激光器频率共振点进行锁定，采用固连在光纤谐振腔上的压电陶瓷驱动调节谐振腔长，使频率锁定的激光通过光纤谐振腔后产生高斯线型的谐振透射峰，经调制解调以及PID闭环控制实现环形谐振腔的腔长锁定，调整目标激光器工作电流和温度将激光频率调谐至工作点，再对目标激光器通过光纤谐振腔的光谱调制解调，获得反馈控制电流，实现目标激光频率锁定。本发明应用于半导体激光器非共振频率的稳定，以及高灵敏原子磁场/惯性的抽运光和检测光频率锁定。

Description

一种基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置及方法

技术领域

本发明涉及激光器频率稳定控制技术领域，尤其涉及量子传感技术中的激光器非共振点稳频控制技术领域，具体涉及一种基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置及方法。

背景技术

激光器稳频技术广泛应用于激光相干测量、星载激光通信、冷原子物理等多个领域。特别是本发明涉及的原子自旋惯性/磁场测量领域，抽运和检测激光器频率稳定性与惯性/磁场测量系统的灵敏度直接相关。尤其是采用高气压原子气室存在压力展宽和频移，因此半导体激光器应用于原子自旋光抽运和检测时，其工作点需要偏离碱金属原子吸收谱线。针对上述应用需求，需要研究一种激光器偏频稳频装置与方法。

在现有技术[1](Wencui P,Lin Z,Shitong L,et al.Locking laser frequencyof up to40GHz offset to a reference with a 10GHz electro-optic modulator[J].Optics Letters,2014,V39(10):2998-3001)提到了使用相位调制器对激光器相位调制，产生与相位调制器驱动频率对应的激光器偏频光谱进行锁定实现失谐频率锁定。现有技术[2](Okubo S,Iwakuni K,Hasegawa T.Modulation-free laser frequencystabilization to a saturated sub-Doppler spectral line in a transversalmagnetic field[J].Optics Communications,2012,285(20):4107-4111.)提到了使用DAVLL的塞曼能级跃迁产生共振频率偏移进行激光器频率失谐锁定。这两种方法前者受相位调制器驱动频率能量及频率限制，最高失谐量仅能达到几十GHz，不满足高压气原子气室对应的展宽和频移要求；而第二种方法需要增加外部磁场，对于原子惯性/磁场测量系统引入磁噪声影响系统测量精度，且移频范围小也不能满足系统使用要求。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置及方法，通过光纤环形谐振腔实现激光器共振点频率稳定传递，利用柔性光纤环形谐振腔可以实现谐振腔体积小且自由光谱范围宽特点。该装置采用全光纤设计，用光纤环形器代替偏振分光棱镜和分光镜等空间光学器件，其体积更小光路更简单稳定性更好。此外，该方法采用透射光谱微分信号进行环形谐振腔长锁定，相较传统PDH锁腔的方法，无需相位调制，光路简单，且电路控制系统简单。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置，包括三个环路，其中，第一环路为激光器共振点锁频环路，第二环路为环形谐振腔腔长锁定环路，第三环路为待测激光器的偏频频率锁定环路；所述第一环路包括半导体激光器、光隔离器、分光棱镜、λ/2波片、偏振分光棱镜、平面反射镜、真空原子气室、分束镜、第一光电探测器、光纤耦合器、第一信号发生器、第一锁相放大器、第一PID控制器和第一加法器；所述第二环路包括第一光纤环形器，光纤环形谐振腔，第二光电探测器、第二信号发生器、第二锁相放大器、第二PID控制器和第二加法器；所述第三环路包括从激光器、光纤隔离器、第二光纤环形器、第三光电探测器、第三加法器、第三信号发生器、第三PID控制器和第三锁相放大器。

进一步地，所述第一环路中，沿半导体激光器出射的光束通过光隔离器后经由分光棱镜分为两束，一束入射光纤耦合器进入所述第二环路，另一束光通过λ/2波片后经过偏振分光棱镜，其透射光束经平面反射镜由分束镜进入真空原子气室，在真空原子气室内经多次反射后由第一光电探测器接收；所述第一光电探测器输出与第一锁相放大器输入连接，第一信号发生器输出连接第一锁相放大器参考输入端，第一锁相放大器输出与第一PID控制器输入端相连，第一PID控制器输出端、第一信号发生器另一输出端分别与第一加法器两个输入端连接，第一加法器输出连接半导体激光器的控制器；

进一步地，所述第二环路中，由所述第一环路出射的光束进入第一光纤环形器的A-1端口，由第一光纤环形器的A-2端口出射进入光纤环形谐振腔后经第二光纤环形器的B-2端口，从光第二光三纤环形器的B-3端口出射进入第三光电探测器与第二锁相放大器输入端连接，第二信号发生器输出连接第二锁相放大器的参考输入端，第二锁相放大器输出与第二PID控制器输入连接，第二PID控制器输出与第二信号发生器另一输出端分别与第二加法器两个输入端连接，第二加法器的输出端与光纤环形谐振腔的压电陶瓷驱动压电陶瓷驱动控制器输入连接。

进一步地，所述第三环路中，从激光器出射光通过光纤隔离器后进入第二光纤环形器的B-1端口，再经第二光纤环形器的B-2端口进入光纤环形谐振腔，由第二光电探测器接收后与第三锁相放大器输入端连接，第三信号发生器输出连接第三锁相放大器参考端输入端，第三锁相放大器输出与第三PID控制器输入连接，第三PID控制器输出与第三信号发生器另一输出端分别与第三加法器输入端连接，第三加法器输出端与从激光器的控制器连接。

本发明还提供一种利用主激光器的共振点频率锁定与光纤环形谐振腔进行频率传递，进而实现从激光器非共振点频率锁定的方法，主要包括以下步骤：

①调整半导体激光器工作温度和电流至原子超精细能级跃迁频率点附近，通过信号发生电路产生的锯齿波对激光器扫频，使得半导体激光器通过真空原子气室后产生饱和吸收光谱信号；

②对激光器电流施加调制信号，第一光电探测器将含有调制信息的饱和吸收光谱信号转换为电压信号，送入到第一锁相放大器中。

③调整参考信号相位，使得解调出的微分误差信号最大，且微分误差信号的零点与饱和吸收光谱信号的峰值点对应；

④调整第一PID控制器的比例积分微分等参数，实现半导体激光器频率锁定于原子超精细跃迁共振频率点。

⑤频率锁定的半导体激光器通过第一光纤环形器入射光纤环形谐振腔，通过第一信号发生器对光纤环形谐振腔施加周期信号进行扫频，光谱信号产生类高斯线形谐振透射峰，透射光谱信号由第一光纤环形器的端口输出至第二光纤环形器的端口，进入第三光电探测器。

⑥使用第二信号发生器对环形谐振腔施加调制信号，使用第二锁相放大器对调制后的类色散光谱信号进行解调，获得误差信号，使用第二PID控制器调整压电陶瓷驱动电压实现对光纤环形谐振腔长的同步调整，完成环形谐振腔的腔长与半导体激光器频率谐振并实现腔长的锁定。

⑦调谐从激光器频率至目标频率点附近，从激光器输出光束通过光纤隔离器和第二光纤环形器后进入光纤环形谐振腔，对从激光器电流施加扫频信号，环形谐振腔透射产生的谐振谱通过第二光纤环形器后输出至第三光电探测器。

⑧对从激光器电流施加调制信号，使用第三锁相放大器对调制后的光谱信号进行解调，获得误差信号，使用第三PID控制器调节电流最终实现从激光器的频率锁定于目标频率点。

本发明的技术与现有技术相比具有如下优点：

本发明技术利用通过环形谐振腔的光谱透射峰周期性的特点，可以实现激光器百GHz级的偏频频率锁定。另外，该方法无需外部调制器件，系统操作简单性能可靠。同时采用全光纤方案，利用光纤环形器光束传输不可逆且两束不同频率的光束从环形器不同方向入射不影响其出射的特点，相比空间光器件光路简单，可以大幅缩小光路体积。根据自由光谱范围与腔长成反比关系，利用光纤环形谐振腔腔长柔性绕制的特点，该种环形谐振腔可以在保证自由光谱范围较小的同时进一步压缩系统体积方便系统集成。此外，主激光器采用饱和吸收稳频实现共振点稳频，同时从激光器采用谐振腔稳频实现非共振点稳频，即该系统可以复用于共振点稳频和非共振点稳频的双光束系统。

具体地，本发明的装置采用光纤器件，光纤环形器和光纤环形腔单向传输复用空间，光路结构简单小巧。其通过设计光纤环形谐振腔的相关参数，使得从激光器的频率在可调谐范围内可以实现任意频率点锁定。由于使用光纤环形腔来对频率基准的稳定性传递，该系统稳频性能与饱和吸收稳频性能相当。

且其使用碱金属原子超精细能级跃迁频率作为频率基准，稳定后的主激光器可作为光纤环形谐振腔的频率基准，同时该稳定频率后的光束也可以单独应用于其他实验，如在基于原子自旋原理的惯性磁场测量装置中，同时为检测光失谐稳频提供频率基准，同时也可以作为惯性磁场测量装置中的抽运光。

本发明的环路通过设计环形谐振腔腔长、反射率等相关参数可以有效控制从激光器的频率失谐量，实现非共振稳频；通过对光纤环形谐振腔腔长的锁定，降低了传统环形谐振腔长受温度及振动的影响。

结合发明内容现有的技术解决方案：与现有的失谐稳频技术，如DAVLL稳频技术(失谐量MHz)、AOM/EOM偏频锁定控制技术(MHz～20GHz)、锁相环偏频锁定技术(＜40GHz)相比，本发明的激光器偏频稳频装置通过光纤环形谐振腔的腔长和光强耦合比等参数调整自由光谱范围，可以实现从激光器频率可调谐范围内任意失谐锁定(百GHz)。该激光器锁频技术无需外部调制器件，系统成本低，体积小，稳定性好。

附图说明

图1为本发明一种基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置及方法的结构框图。

图中附图标记含义为：1-1为半导体激光器，1-2为光隔离器，1-3为分光棱镜，1-4为λ/2波片，1-5为偏振分光棱镜，1-6为平面反射镜，1-7为真空原子气室，1-8为分束镜，1-9为第一光电探测器，1-10为第一加法器，1-11为第一PID控制器，1-12为第一信号发生器，1-13为第一锁相放大器，1-14为光纤耦合器；2-1为第一光纤环形器，2-2为光纤环形谐振腔，2-3为第二光电探测器，2-4为第二信号发生器，2-5为第二锁相放大器，2-6为第二PID控制器，2-7为第二加法器；3-1为从激光器，3-2为光纤隔离器，3-3为第二光纤环形器，3-4为第三光电探测器，3-5为第三加法器，3-6第三信号发生器，3-7为第三PID控制器，3-8为第三锁相放大器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的一种基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置包括三个激光频率稳定环路，其中第一环路为激光器共振点锁频环路，第二环路为环形谐振腔腔长锁定环路，第三环路为待测激光器的偏频(非共振点)频率锁定环路。所述第一环路包括半导体激光器，光隔离器，分光棱镜，λ/2波片，偏振分光棱镜，分束镜，平面反射镜，真空原子气室，光电探测器，锁相放大器，信号发生器，PID控制器。所述第二环路包括激光器包括光纤环形谐振腔，光纤耦合器，光纤环形器，光电探测器，信号发生器，锁相放大器，PID控制器。所述第三环路包括半导体激光器，光纤隔离器，光纤环形器，光电探测器，信号发生器，锁相放大器，PID控制器。

所述的半导体激光器包括两台，其中一台作为光纤环形腔锁定的频率基准，其频率锁定于原子超精细能级跃迁线，称为主激光器，另一台是待稳定激光器，称为从激光器。主激光器使用碱金属原子超精细能级跃迁线作为频率基准，将激光器电流控制器作为执行机构进行频率闭环控制，从激光器使用锁定腔长后的光纤环形谐振腔的谐振透射峰作为频率基准，将激光器电流控制器作为执行机构进行频率闭环控制。

所述的光纤环形谐振腔由2×2光纤定向耦合器制成，通过调整光纤环形谐振腔长以调整其自由光谱范围，进而调整从激光器的频率偏移量(即失谐量)，通过调整光纤环形谐振腔的光强耦合比、熔接损耗，控制谐振后透射峰的线宽进而控制腔长锁定精度。光纤环形谐振腔通过缠绕的压电陶瓷驱动电压实现其腔长的实时控制。

所述的锁相放大器和PID控制器可采用商用标准产品，也可用乘法器和环路滤波器与PID控制器的集成电路代替。但是无论采用哪一种，为了实现最佳的误差信号，均需要对参考信号和调制后的光谱信号进行相位调整，如采用商用锁相放大器，可通过正交解调获得误差信号幅度和相位。

本发明的利用所述的主激光器共振点频率锁定与光纤环形谐振腔进行频率传递，进而实现从激光器非共振点频率锁定的方法，主要包括以下步骤：

(1)调整主激光器工作温度和电流至原子超精细能级跃迁频率点附近，通过信号发生电路产生的锯齿波对主激光器扫频，使得主激光器通过真空原子气室后产生饱和吸收光谱信号；

(2)对主激光器电流施加调制信号，光电探测器将含有调制信息的饱和吸收光谱信号转换为电压信号，送入到锁相放大器中。

(3)调整参考信号相位，使得解调出的微分误差信号最大，且微分误差信号的零点与饱和吸收光谱信号的峰值点对应；

(4)调整PID控制器的比例积分微分等参数，实现主激光器频率锁定于原子超精细跃迁共振频率点。

(5)频率锁定的主激光器通过光纤环形器入射光纤环形谐振腔，通过信号发生器对光纤环形谐振腔施加周期信号进行扫频，光谱信号产生类高斯线形谐振透射峰，透射光谱信号由光纤环形器的2端口输出至光纤环形器的3端口，进入光电探测器。

(6)使用信号发生器对环形谐振腔施加调制信号，使用锁相放大器对调制后的类色散光谱信号进行解调，获得误差信号，使用PID控制器调整压电陶瓷驱动电压实现对光纤环形谐振腔长的同步调整，完成光纤环形谐振腔的腔长与主激光器频率谐振并实现腔长的锁定。

(7)调谐从激光器频率至目标频率点附近，从激光器输出光束通过光纤隔离器和光纤环形器后进入光纤环形谐振腔，对从激光器电流施加扫频信号，环形谐振腔透射产生的谐振谱通过光纤环形器后输出至光电探测器。

(8)对从激光器电流施加调制信号，使用锁相放大器对调制后的光谱信号进行解调，获得误差信号，使用PID控制器调节电流最终实现从激光器的频率锁定于目标频率点。

下面结合附图具体说明本发明。

如图1所示，本发明的一种基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置包括半导体激光器1-1，光隔离器1-2，分光棱镜1-3，λ/2波片1-4，偏振分光棱镜1-5，平面反射镜1-6，真空原子气室1-7，分束镜1-8，第一光电探测器1-9，第一加法器1-10，第一PID控制器1-11，第一信号发生器1-12，第一锁相放大器1-13，光纤耦合器1-14，第一光纤环形器2-1，光纤环形谐振腔2-2，第二光电探测器2-3，第二信号发生器2-4，第二锁相放大器2-5，第二PID控制器2-6，第二加法器2-7，从激光器3-1，光纤隔离器3-2，第二光纤环形器3-3，第三光电探测器3-4，第三加法器3-5，第三信号发生器3-6，第三PID控制器3-7，第三锁相放大器3-8。所述半导体激光器1-1包括激光器电流源和温度控制器。其中，以半导体激光器1-1为主激光器。

本发明的一种基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置各部件的位置与信号传递关系为：

所述半导体激光器1-1出射光束通过光隔离器1-2，经分光棱镜1-3后分为两束，其中一束用来作为频率基准锁定光纤环形谐振腔2-2，一束用产生频率基准即共振点稳频，共振点稳频采用饱和吸收稳频系统，通过λ/2波片1-4和偏振分光棱镜1-5组合调整光强比，在本实施案例中经偏振分光棱镜1-5较强光束通过平面反射镜1-6和分束镜1-8后沿反向进入真空原子气室1-7，该光束作为抽运光；经偏振分光棱镜1-5反射的弱光正向进入真空原子气室1-7后由第一光电探测器1-9接收，该光束作为检测光。通过对半导体激光器l-1施加三角波扫频信号，第一光电探测器1-9接收真空原子气室1-7产生的饱和吸收光谱信号。

通过第一信号发生器1-12对半导体激光器1-1施加20～100KHz正弦调制信号，第一光电探测器1-9获得含调制信息的饱和吸收光谱信号，将该光谱信号和同频同相的参考信号送入第一锁相放大器1-13解调，并通过调整第一锁相放大器1-13的时间常数调整低通滤波器的截止频率，获得适于稳频的微分误差信号，该信号通过第一PID控制器1-11产生纠偏误差信号，该纠偏信号和前述扫频信号以及调制信号均通过第一加法器1-10叠加到半导体激光器1-1的电流源。误差信号零点对应原子超精细能级跃迁频率点，将该频率点作为稳频基准，并将误差信号输入第一PID控制器1-11产生该频率点的纠偏信号，该信号输入至半导体激光器1-1的控制器中，实现半导体激光器1-1共振频率点的闭环锁定，将半导体激光器1-1频率通过第一锁相放大器1-13、第一PID控制器1-11锁定于该频率基准。

半导体激光器1-1稳频后出射的光束通过光纤耦合器1-14入第一光纤环形器2-1的A-1端口，并由第一光纤环形器2-1的A-2端口入射到光纤环形谐振腔2-2，通过光纤环形谐振腔2-2的光束进入第二光纤环形器3-3的2端口，从第二光纤环形器3-3的3端口入射到第三光电探测器3-4，对光纤环形谐振腔2-2粘结的压电陶瓷驱动控制器的驱动电压施加扫频信号来微调光纤环形谐振腔2-2腔长，使得第三光电探测器3-4产生与半导体激光器1-1频率共振的谐振腔透射峰光谱。所述第一光纤环形器2-1还具有A-3端口，连接第二光电探测器2-3。

通过第二信号发生器2-4对光纤环形谐振腔2-2的压电陶瓷驱动控制器施加1K～2KHz调制信号，由第三光电探测器3-4获得含调制信息透射峰光谱信号，将该光谱信号和同频同相的参考信号送入第二锁相放大器2-5解调，并通过调整第二锁相放大器2-5的时间常数调整低通滤波器截止频率，获得适于稳频的一次微分光谱信号，该信号通过第二PID控制器2-6产生纠偏误差信号，该纠偏信号和前述扫频信号，以及调制信号均通过第二加法器2-7叠加到光纤环形谐振腔2-2的压电陶瓷驱动控制器驱动电压上，通过上述操作将光纤谐振腔腔长锁定于半导体激光器共振频率的对应腔长位置。

当光纤环形腔谐振腔长L和损耗满足公式(1)(2)条件时产生谐振透射峰。其中β为光在光纤内的传播常数，n为光纤的折射率，L为光纤环形谐振腔的长度，τ为光纤环形器熔接制作引入的熔接损耗，γ₀为光纤环形器的插入损耗，k为光纤耦合器的光强耦合系数。

通过第二信号发生器2-4对环形谐振腔长调制实现谐振透射峰调制，透射光谱通过第二光纤环形器3-3输出至第三光电探测器3-4转为高斯线型的电压信号，将该电压信号输入至第二锁相放大器2-5输入端解调获得含有半导体激光器1-1频率信息和腔长信息的一次谐波误差信号，其中误差信号零点对应谐振峰峰值处腔长，将该频率点作为腔长锁定基准，并将误差信号输入第二PID控制器2-6产生腔长纠偏信号，将该信号输入至光纤环形谐振腔2-2固连的压电陶瓷驱动控制器输入端，通过调整压电陶瓷驱动控制器驱动电压实现腔长锁定。

光纤环形谐振腔的腔长L决定了透射峰的自由光谱范围v_FSR，其中v_FSR由式(3)计算，通过调整腔长L可以得到自由光谱范围v_FSR：

其中，c为光速，n为光纤折射率，L为光纤环形谐振腔的腔长，v_FSR为自由光谱范围。

通过以上过程，当半导体激光器1-1频率锁定于原子共振点，光纤环形谐振腔腔长锁定于与半导体激光器1-1频率共振腔长后，调整从激光器3-1电流温度等工作点，使得从激光器3-1光束通过光纤隔离器3-2通过第二光纤环形器3-3的B-1端口入射至光纤环形谐振腔2-2中，通过光纤环形谐振腔2-2后进入第一光纤环形器2-1的A-2端口，并从第一光纤环形器2-1的A-3端口入射到第二光电探测器2-3，产生周期的高斯线型透射峰，通过第三信号发生器3-6对从激光器3-1的电流源施加调制信号，第三光电探测器3-4获得含调制信息的透射峰光谱信号，将该光谱信号和调制信号同频同相的参考信号输入第三锁相放大器3-8解调，并调整第三锁相放大器3-8的时间常数调整低通滤波器截止频率，产生含有腔长信息和从激光器3-1频率信息的一次误差信号，由于前两个环路实现腔长高稳定锁定，因此将该透射峰作为频率基准可以实现从激光器3-1频率锁定。将该误差信号输入至第三PID控制器3-7产生纠偏信号并通过地上加法器3-5输入至从激光器3-1的控制器中。因此，从激光器3-1工作于非共振点频率通过光纤环形谐振腔时，产生自由光谱范围间隔的周期高斯谐振峰，调整自由光谱范围，实现频率失谐量。因此通过环形谐振腔腔长锁定实现了共振点频率基准向失谐共振点频率基准的稳定性传递，最终实现从激光器3-1偏频量可调的高稳定锁定控制。

本发明的工作原理如下：

参见式(3)，光纤谐振腔的腔长L决定了透射峰的自由光谱范围v_FSR，通过调整腔长L可以得到自由光谱范围v_FSR；本发明设计的腔长可调，保证了自由光谱范围在一定范围灵活调整，可满足不同激光频率的偏频应用需求。激光器光束通过光纤谐振腔后产生谐振透射峰的光谱强度和中心频率均与谐振腔腔长有关。因此，一方面通过微调谐振腔的腔长可以使得透射峰频率与入射光纤的激光频率保持一致，进而将谐振腔腔长锁定于与半导体激光器频率谐振的位置；另一方面，通过调整激光器频率可以使得透射峰中心频率与对应腔长的谐振腔谐振频率保持一致，利用该特点可以将从激光器频率锁定在谐振腔腔长对应的谐振频率点。通过三个控制环路实现将半导体激光器的频率锁定于原子吸收峰，将谐振腔腔长与原子吸收峰对应频率锁定，再实现从激光器的频率与锁定腔长的谐振频率锁定，间接将半导体激光器的饱和吸收稳频特性传递到从激光器。由于谐振腔的腔长已经锁定，因此即使光纤谐振腔对温度、震动、空气湿度等因素敏感，仍然可以保证在一定波动范围内腔长稳定，即实现了从激光器的频率稳定。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置，其特征在于：包括三个环路，其中，第一环路为激光器共振点锁频环路，第二环路为环形谐振腔腔长锁定环路，第三环路为待测激光器的偏频频率锁定环路；所述第一环路包括半导体激光器、光隔离器、分光棱镜、λ/2波片、偏振分光棱镜、平面反射镜、真空原子气室、分束镜、第一光电探测器、光纤耦合器、第一信号发生器、第一锁相放大器、第一PID控制器和第一加法器；所述第二环路包括第一光纤环形器，光纤环形谐振腔，第二光电探测器、第二信号发生器、第二锁相放大器、第二PID控制器和第二加法器；所述第三环路包括从激光器、光纤隔离器、第二光纤环形器、第三光电探测器、第三加法器、第三信号发生器、第三PID控制器和第三锁相放大器。

2.根据权利要求1所述的基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置，其特征在于：所述第一环路中，沿半导体激光器出射的光束通过光隔离器后经由分光棱镜分为两束，一束入射光纤耦合器进入所述第二环路，另一束光通过λ/2波片后经过偏振分光棱镜调整光强，其透射光束经平面反射镜由分束镜进入真空原子气室，在真空原子气室内经多次反射后由第一光电探测器接收；所述第一光电探测器输出与第一锁相放大器输入连接，第一信号发生器输出连接第一锁相放大器参考输入端，第一锁相放大器输出与第一PID控制器输入端相连，第一PID控制器输出端、第一信号发生器另一输出端分别与第一加法器两个输入端连接，第一加法器输出连接半导体激光器的控制器。

3.根据权利要求1所述的基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置，其特征在于：所述第二环路中，由所述第一环路出射的光束进入第一光纤环形器的A-1端口，由第一光纤环形器的A-2端口出射进入光纤环形谐振腔后经第二光纤环形器的B-2端口，从光第二纤环形器的B-3端口出射进入第三光电探测器与第二锁相放大器输入端连接，第二信号发生器输出连接第二锁相放大器的参考输入端，第二锁相放大器输出与第二PID控制器输入连接，第二PID控制器输出与第二信号发生器另一输出端分别与第二加法器两个输入端连接，第二加法器的输出端与光纤环形谐振腔的压电陶瓷驱动控制器输入连接。

4.根据权利要求1所述的基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置，其特征在于：所述第三环路中，从激光器出射光通过光纤隔离器后进入第二光纤环形器的B-1端口，再经第二光纤环形器的B-2端口进入光纤环形谐振腔，由第二光电探测器接收后与第三锁相放大器输入端连接，第三信号发生器输出连接第三锁相放大器参考端输入端，第三锁相放大器输出与第三PID控制器输入连接，第三PID控制器输出与第三信号发生器另一输出端分别与第三加法器输入端连接，第三加法器输出端与从激光器的控制器连接。

5.一种利用权利要求1所述的基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频方法，其特征在于，包括以下步骤：

①调整半导体激光器工作温度和电流至原子超精细能级跃迁频率点附近，通过信号发生电路产生的锯齿波对半导体激光器扫频，使得半导体激光器通过真空原子气室后产生饱和吸收光谱信号；

②对半导体激光器电流施加调制信号，第一光电探测器将含有调制信息的饱和吸收光谱信号转换为电压信号，送入到第一锁相放大器中；

③调整参考信号相位，使得解调出的微分误差信号最大，且微分误差信号的零点与饱和吸收光谱信号的峰值点对应；

④调整第一PID控制器的比例积分微分参数，实现半导体激光器定于原子超精细跃迁共振频率点；

⑤频率锁定的半导体激光器通过第一光纤环形器入射光纤环形谐振腔，通过第一信号发生器对光纤环形谐振腔施加周期信号进行扫频，光谱信号产生类高斯线形谐振透射峰，透射光谱信号由第一光纤环形器的端口输出至第二光纤环形器的端口，进入第三光电探测器；

⑥使用第二信号发生器对环形谐振腔施加调制信号，使用第二锁相放大器对调制后的类色散光谱信号进行解调，获得误差信号，使用第二PID控制器调整压电陶瓷驱动电压实现对光纤环形谐振腔长的同步调整，完成光纤环形谐振腔的腔长与半导体激光器频率谐振并实现腔长的锁定；

⑦调谐从激光器频率至目标频率点附近，从激光器输出光束通过光纤隔离器和第二光纤环形器后进入光纤环形谐振腔，对从激光器电流施加扫频信号，环形谐振腔透射产生的谐振谱通过第二光纤环形器后输出至第三光电探测器；

⑧对从激光器电流施加调制信号，使用第三锁相放大器对调制后的光谱信号进行解调，获得误差信号，使用第三PID控制器调节电流最终实现从激光器的频率锁定于目标频率点。

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