CN114914782A - 单频连续激光器的高效稳频装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了单频连续激光器的高效稳频装置，联合了PDH(Pound‑Drever‑Hall)锁定以及光学频率梳锁定两大方式实现稳频，其中PDH锁定中包含光隔离器(ISO)，光纤型电光调制器(Electro‑opticalmodulator，EOM)，光电探测器(PD)，移相器(Phase shifter,PS)，射频信号源(RF),低通滤波器(Low‑pass filter，LPF)，伺服控制系统(PDHServo)；光学频率梳锁定中包含光学微腔(WGM),光电探测器(PD)，混频器(Mixer)，射频信号源(RF)，高通滤波器(High‑pass filter，HPF)，信号放大器(Amplifier)以及声光调制器(AOM)。在稳频过程中，首先由PDH锁定通过反馈控制的方式对连续激光器进行粗略的稳频，达到预稳频的效果，再通过光学频率梳锁定做进一步处理，实现了单频连续激光器的高效稳频。
Description
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，特别是涉及单频连续激光器的高效稳频装置。
背景技术
单频激光器的频率稳定性近些年在多个领域有着重大的意义，比如光谱线、光信息存储、光纤水听器等等。其中尤值得一提是在精度计量领域，在该领域中，时间单位是国际单位制七个基本单位之中测量精度最高的基本单位，而原子钟对于时间的定义是基于原子在微波频段的跃迁频率，比如秒是无干扰情况下铯原子(Cs)基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期所持续的时间，目前用于复现秒定义的铯原子喷泉钟(因为实验中受控的原子的运动像喷泉)的不确定度最高水平在10-16量级，而随着科学的不断发展，这一精度已经不能达到某些领域的要求了，比如暗物质、引力波的测量以及全球导航定位系统等都需要更高的精度。于是，光学原子或离子钟成了最好的选择。新一代原子或离子光钟采用光学频段的量子跃迁，跃迁谱线线宽非常窄，达到亚赫兹到毫赫兹量级，具有非常优良的频标潜力。原理上来说，光学原子或离子钟比原子钟的精度要高5个数量级。而在光钟系统中，高频率稳定性的超窄线宽激光作为空间光钟的本地振荡器，是光钟最关键三大组成部分之一，决定了空间光钟的中短期频率稳定度，同时高频率稳定性的空间超窄线宽激光作为空间站高精度时频实验柜系统中频率稳定度最高的振荡器，可以为其它空间科学实验提供高精度的频率参考。因此，可以预见的是，推进单频激光稳频技术的发展将对诸多科学领域起到巨大的积极作用。
对于单频激光器的稳频分被动稳频以及主动稳频两类。最开始时，将激光器与外界进行隔离，如采用隔音、隔震、恒温等措施被动地降低环境对激光器的影响，这就是被动稳频。但是这种稳频方法目前最高精度也只是控制在10-8量级，远远达不到预期的要求。为了追求更好的稳频效果，必须通过主动反馈控制去稳定单频激光器的频率，这就是主动稳频。
在主动稳频的早期探索中，最大的一项问题就是鉴频。一开始利用高Q值的F-P谐振腔对不同波长光的反射特性进行鉴频，但是由于反射光强度与腔的共振频率是对称的，因此无法通过反射光强度从而区分入射光频率是大于还是小于共振频率的整数倍，经过不断探索，终于发现，反射强度的导数对于共振频率是非对称的，利用这一发现最终形成了著名的PDH稳频技术。然而对于PDH技术而言，其稳频效果与参考谐振腔的共振线宽以及腔长稳定性息息相关。共振线宽越小，稳频效果越好，但小的共振线宽意味着极高的Q值，也就是对于F-P谐振腔的腔镜反射率有极高的要求；腔长的稳定性越好，稳频效果越好，但稳定的腔长不仅意味着需要在真空，隔震环境下实验，还需要对激光产生的温度变化有一定的控制。不仅如此，在PDH稳频技术中由于各种因素还会导致剩余幅度调制，比如沿光路的各个平行表面之间的光散射与寄生干扰，以及温度和震动导致的剩余幅度调制快速变化等等。剩余幅度调制产生的噪声会直接影响误差信号，从而影响整个稳频效果。
以光学频率梳进行稳频也是一种有代表性的主动稳频方式，尤其是近些年利用光学微腔的高非线性从而产生克尔频率梳的原理不断完善，这种稳频方式变得更加简易可行。但是利用频率梳进行稳频，其重点在于光学频率梳的稳定性，而光学频率梳的稳定性又与入射到微腔的入射光频率有关。对于光频率浮动较大的单频激光器，其在光学微腔中产生的光学频率梳是不够稳定的，这也导致了最后的稳频效果不够理想。
综上所述，传统的PDH稳频技术由于其对实验环境的高要求，参考腔的高要求，以及不可避免的剩余幅度调制等因素限制了其稳频精度以及使用范围的进一步提升；而光学频率梳稳频也由于其产生频率梳的稳定性，并不适合频率波动较大的单频激光器。
发明内容
PDH技术稳频以及光频率梳稳频因为各自的一些不足无法产生足够的稳频精度，或者要产生足够的精度需要极为苛刻的环境和器件要求。本发明利用光学微腔将两种技术结合在一起，不仅一定范围内克服了两者的不足，大大降低了实验要求，还充分的利用了二者的优势，使得稳频效果更加明显。本发明是通过以下技术方案实现的：
单频连续激光器的高效稳频装置；
包括PDH锁定结构和光学频率梳锁定结构；
包括待稳频的单频连续激光器；
包括起到连接作用的第一光耦合器、第二光耦合器；第一光耦合器为1×3光耦合器，第二光耦合器为1×2光耦合器。
其中，PDH锁定结构包括光隔离器、光纤型电光调制器、环形器、第一光电探测器、第一混频器、第一射频信号源、低通滤波器、伺服控制系统；
光学频率梳锁定结构包括第二光电探测器、第二混频器、第二射频信号源、高通滤波器、信号放大器、声光调制器；
所述PDH锁定结构和光学频率梳锁定结构由光学微腔联系在一起；光学微腔用于鉴频并达到预稳频效果，在进入光学频率梳锁定结构时，产生更加稳定的光频率梳；
光学微腔不仅用于PDH锁定，还在光学频率梳锁定中起重要作用。在PDH锁定结构中，光学微腔扮演着鉴频的角色以达到预稳频的效果；而在光学频率梳锁定中，光学微腔则又负责产生光频率梳，且有了预稳频之后，产生的频率梳能够更加稳定。
所述单频连续激光器提供待稳频的种子光，经由光隔离器与第一光耦合器分为三束，分别为第一光束、第二光束和第三光束；
第三光束经一电光调制器形成边带，之后经环形器到达光学微腔，一部分光由于反射与散射作用再次经环形器到达第一光电探测器，与第一射频信号源产生的射频信号在第一混频器进行混频，混频后产生误差信号，经过低通滤波器滤除高频信号后到达伺服控制系统，伺服控制系统根据信号调节所述单频连续激光器腔长，达到预稳频的效果；
到达光学微腔的第三光束一部分进行了上述的反馈过程，另外一部分光束由于光学微腔的高非线性在腔内形成了克尔光频率梳，克尔光频率梳与第二光束经第二光耦合器后在第二光电探测器中形成拍频，拍频信号与第二射频信号源通过第二混频器混频，后经高通滤波器滤除低频信号，再通过信号放大器到达声光调制器，对经过声光调制器的第一光束进行频移，得到一阶衍射光输出，即为最终稳频结果。
光学微腔中只有腔的共振频率整数倍的光在不断传播且干涉加强，这部分光的功率到达一定程度后会激发腔内的非线性效应，这里主要指级联四波混频，从而形成克尔频率梳。频率梳的稳定性与入射光频率、光学微腔共振频率的整数倍二者的契合度有关。而在这其中与光学微腔共振频率整数倍存在差异的入射光频率被反射回光电探测器中，经之后一系列过程后形成误差信号，经伺服控制系统后，系统改变原激光器的腔长，从而将频率稳定在光学谐振腔的共振频率整数倍上。稳定频率之后，产生的光学频率梳的稳定性也得到提高，形成了一个稳定的良性循环。
进一步地，所述光隔离器，环形器都具有较高隔离度，用于保证不会有光经过光学微腔后回到电光调制器和激光器。主要作用是确保整个系统运作的稳定性和激光器的安全。
进一步地，所述电光调制器的调制频率要远远大于光学微腔的自由光谱区除以腔内精细度得到的值，用于使边带的位置距离腔内的共振频率足够远，使边带的能量能大部分反射回来到达光第一电探测器，同时得到合适且能高效反馈频率浮动情况的误差信号。电光调制器与进入第一混频器7的射频种子源为同一频率，且该频率需要远远大于对照腔的共振线宽除以腔精细度得到的值。
进一步地，所述第一光电探测器和第一射频信号源与第一混频器之间的任一一路信号上安装有用于补偿延迟的移相器。为了得到较好的误差信号，需要进入第一混频器的两路信号上产生两项纯正弦项，但是这两路信号上几乎存在着不相等的延迟，为补偿该延迟，便在一路信号上加入了移相器。
进一步地，所述低通滤波器的截至频率选取要求为滤除掉前面光电探测器产生的2倍频信号。低通滤波器的截止频率需要控制在能够滤除功率信号中的高阶频率项。
进一步地，所述光学微腔具有特定的谐振频率，当第三光束中的另一部分光在经过光学微腔时，若入射光频率为光学微腔谐振频率整数倍时，其会在微腔内壁不断进行反射，从而留在腔内且发生干涉加强，而其他频率的光会在腔内传播一段时间后被耦合出腔外。
进一步地，所述第二光电探测器形成的拍频信号与第二射频信号源信号混频后，得到两者信号相加和相减两个信号值，之后的高通滤波器的截止频率选取要求则为滤除二者相减的值；得到的输出信号，将会被锁定在频率梳的某一频率及第二射频信号源的频率之和上，所述第二射频信号源的频率可调，用于使锁定后的信号在一定范围内可调。最后得到的经稳频之后的输出信号频率稳定性与第二射频信号源存在一定的关系，输出信号的频率将会被锁定在频率梳的某一频率及第二射频信号源的频率之和上。通过这一点，若第二射频信号源的频率可调，则可使锁定后的信号在一定范围内可调。除此之外，也能看出对于第二射频信号源存在频率稳定性上的要求。第二射频信号源频率稳定性越强，稳频效果越好。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1.传统的PDH稳频，要想得到足够的稳频精度需要极高Q值的F-P谐振腔充当对照腔，这对谐振腔腔镜的反射率提出了很高的要求。不仅如此，传统的PDH稳频还需要在真空，隔震，恒温的环境下工作，这大大限制了PDH技术的应用发展。另外，PDH技术不可避免的剩余幅度调制也会影响最后的稳频效果。本发明因为只是运用PDH做预稳频，PDH的稳频精度对于最后的稳频效果，相比于传统的PDH技术，影响并不是很大，从而对于所用对照腔，工作环境的要求大大降低。
2.传统的频率梳稳频，由于其频率梳的稳定性与入射到微腔的频率有关，故产生的频率梳并不稳定，从而大大影响最后的稳频效果。本发明利用光学微腔将PDH技术和光频率梳结合起来，在光学频率梳结构之前加入PDH来对入射光进行预稳频，大大提高了产生频率梳的稳定性，从而提高了频率梳的稳频效果。
3.传统的稳频技术缺乏对于频率的调谐手段，很大程度上减小了稳频后激光器的应用范围。本发明最后稳频结构一部分依赖于本地射频信号源，可在保证其稳定性的原则下，有较大调谐范围，增加了稳频后激光器的实用性。
4.相比于部分稳频技术的空间结构，本发明光路部分采用全光纤结构，大大简化系统结构，同时具有更低的损耗，更高的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明装置示意图。
图2为本发明中光学微腔内频率为共振频率整数倍的光线传播图。
图3为本发明中PDH稳频产生的典型的误差信号图。
图中，单频连续激光器1、第一光耦合器3、第二光耦合器13、光隔离器2、光纤型电光调制器4、环形器5、第一光电探测器6、第一混频器7、第一射频信号源9、低通滤波器10、伺服控制系统11、第二光电探测器14、第二混频器15、第二射频信号源16、高通滤波器17、信号放大器18、声光调制器19、光学微腔12、移相器8。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示：单频连续激光器1、第一光耦合器3、第二光耦合器13、光隔离器2、光纤型电光调制器4、环形器5、第一光电探测器6、第一混频器7、第一射频信号源9、低通滤波器10、伺服控制系统11、第二光电探测器14、第二混频器15、第二射频信号源16、高通滤波器17、信号放大器18、声光调制器19、光学微腔12、移相器8。
如图2所示：在光学微腔中12当传播一周的光程为该波长的整数倍时，光波会被干涉加强且留在腔内，而非整数倍的光会被反射或散射出去。在腔内不断传播的光功率不断加强，会激发腔内的级联四波混频效应，从而形成克尔频率梳。
如图3所示：当待稳频激光器的频率高于对照腔的共振频率的整数倍时，误差信号大于零；当待稳频激光器的频率低于对照腔的共振频率整数倍时，误差信号小于零；当待稳频激光器的频率等于对照腔的共振频率整数倍时，误差信号等于零。根据该误差信号，伺服控制系统才能准确的调控激光器的腔长。
具体的：
首先介绍该技术中PDH锁定结构部分的稳频过程。
假设待稳频单频连续激光器1输出为：
Ein＝E0eiωt (1)
经电光调制器2后：
Eeom＝E0ei(ωt+βsinΩt) (2)
利用贝塞尔函数扩展得：
Eemo≈E0[J0(β)eiωt+J1(β)ei(ω+Ω)t-J1(β)ei(ω-Ω)t] (3)
若电光调制器2的调制频率足够大，则产生的两边带距离光学微腔12的谐振频率足够远，边带的大部分能量会反射回来，除此之外，一些在微腔中形成共振的频率部分能量也会‘泄露’出来。假设经过微腔后反射回来的光为Eref，定义微腔的反射函数F(ω)为
设单频激光输出功率为P0，则：
P0≡|E0|2 (5)
设那些频率与微腔谐振频率相隔较远，很快被反射回来的光功率为Ps；而那些在腔中共振,‘泄露’出来的功率为Pc，则根据能量守恒：
Pc+2Ps≈P0 (6)
根据式(1)、(3)、(4)可得经过微腔后反射回来的光Eref为：
Eref＝E0[F(ω)J0(β)eiωt+F(ω+Ω)J1(β)ei(ω+Ω)t-F(ω-Ω)J1(β)ei(ω-Ω)t] (7)
混频后得：
为了得到合适的信号，我们在式(8)中感兴趣的项只有Ω项中的正弦项，其他高阶项以及余弦项都会在选择合适的调制频率，以及之后的混频与滤波器的组合中滤除掉。就比如此次电光调制器4的调制频率选择比较大的频率，使得产生的边带距离共振频率足够远，此时微腔对于两个边带的反射率足够强，即F(ω±Ω)＝-1；那么便能得到：
F(ω)F*(ω+Ω)-F*(ω)F(ω-Ω)＝-i2Im{F(ω)} (9)
可以看到，式(9)是个纯虚数，则此时，对于式(8)而言，余弦项为零，只剩下了正弦，很好的滤除了功率信号中Ω项中的余弦项，式(8)变为：
此时可得到误差信号ε为：
对于之后的混频过程，若第一混频器7两路信号都为正弦，则该混频过程可以简化为：
使用同一射频信号源，使得此时Ω'与Ω相等，则此时2Ω项会和式(8)产生的2Ω项一起被之后的低通滤波器10滤除，而Ω-Ω'项会成为直流信号到达之后的伺服控制系统11。
接下来介绍该技术中光频率梳部分的稳频过程。
假设待稳频的单频连续光频率为fCW，假设其小于频率梳中与其最接近的模式fn，则两者在光电探测器中形成拍频，拍频的频率fBeat为：
fBeat＝fn-fCW (13)
之后经过第二混频器15与高通滤波器17后得到频率fAOM为：
fAOM＝fLo+fBeat＝fLo+fn-fCW (14)
经声光调制器19衍射后，取一阶衍射结果作为最后输出：
f1st＝fCW+fAOM＝fLo+fn (15)
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节。
Claims (8)
1.单频连续激光器的高效稳频装置，其特征在于：
包括PDH锁定结构和光学频率梳锁定结构；
包括待稳频的单频连续激光器(1)；
包括起到连接作用的第一光耦合器(3)、第二光耦合器(13)；
其中，PDH锁定结构包括光隔离器(2)、光纤型电光调制器(4)、环形器(5)、第一光电探测器(6)、第一混频器(7)、第一射频信号源(9)、低通滤波器(10)、伺服控制系统(11)；
光学频率梳锁定结构包括第二光电探测器(14)、第二混频器(15)、第二射频信号源(16)、高通滤波器(17)、信号放大器(18)、声光调制器(19)；
所述PDH锁定结构和光学频率梳锁定结构由光学微腔(12)联系在一起；光学微腔(12)用于鉴频并达到预稳频效果，在进入光学频率梳锁定结构时，产生更加稳定的光频率梳。
2.根据权利要求1所述单频连续激光器的高效稳频装置，其特征在于：所述单频连续激光器(1)提供待稳频的种子光，经由光隔离器(2)与第一光耦合器(3)分为三束，分别为第一光束、第二光束和第三光束；
第三光束经一电光调制器(4)形成边带，之后经环形器(5)到达光学微腔(12)，一部分光由于反射与散射作用再次经环形器(5)到达第一光电探测器(6)，与第一射频信号源(9)产生的射频信号在第一混频器(7)进行混频，混频后产生误差信号，经过低通滤波器(10)滤除高频信号后到达伺服控制系统(11)，伺服控制系统(11)根据信号调节所述单频连续激光器(1)腔长，达到预稳频的效果；
到达光学微腔(12)的第三光束一部分进行了上述的反馈过程，另外一部分光束由于光学微腔(12)的高非线性在腔内形成了克尔光频率梳，克尔光频率梳与第二光束经第二光耦合器(13)后在第二光电探测器(14)中形成拍频，拍频信号与第二射频信号源(16)通过第二混频器(15)混频，后经高通滤波器(17)滤除低频信号，再通过信号放大器(18)到达声光调制器(19)，对经过声光调制器(19)的第一光束进行频移，得到一阶衍射光输出，即为最终稳频结果。
3.根据权利要求2所述单频连续激光器的高效稳频装置，其特征在于：所述光隔离器(2)，环形器(5)都具有较高隔离度，用于保证不会有光经过光学微腔(12)后回到电光调制器(4)和激光器(1)。
4.根据权利要求2所述单频连续激光器的高效稳频装置，其特征在于：所述电光调制器(4)的调制频率要远远大于光学微腔(12)的自由光谱区除以腔内精细度得到的值，用于使边带的位置距离腔内的共振频率足够远，使边带的能量能大部分反射回来到达光第一电探测器(6)，同时得到合适且能高效反馈频率浮动情况的误差信号。
5.根据权利要求2所述单频连续激光器的高效稳频装置，其特征在于：所述第一光电探测器(6)和第一射频信号源(9)与第一混频器(7)之间的任一一路信号上安装有用于补偿延迟的移相器(8)。
6.根据权利要求2所述单频连续激光器的高效稳频装置，其特征在于：所述低通滤波器(10)的截至频率选取要求为滤除掉前面光电探测器(6)产生的2倍频信号。
7.根据权利要求2所述单频连续激光器的高效稳频装置，其特征在于：所述光学微腔(12)具有特定的谐振频率，当第三光束中的另一部分光在经过光学微腔(12)时，若入射光频率为光学微腔(12)谐振频率整数倍时，其会在微腔内壁不断进行反射，从而留在腔内且发生干涉加强，而其他频率的光会在腔内传播一段时间后被耦合出腔外。
8.根据权利要求2所述单频连续激光器的高效稳频装置，其特征在于：所述第二光电探测器(14)形成的拍频信号与第二射频信号源(16)信号混频后，得到两者信号相加和相减两个信号值，之后的高通滤波器(17)的截止频率选取要求则为滤除二者相减的值；
得到的输出信号，将会被锁定在频率梳的某一频率及第二射频信号源(16)的频率之和上，所述第二射频信号源(16)的频率可调，用于使锁定后的信号在一定范围内可调。
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| CN202210399265.8A Pending CN114914782A (zh) | 2022-04-15 | 2022-04-15 | 单频连续激光器的高效稳频装置 |
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| CN (1) | CN114914782A (zh) |
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-
2022
- 2022-04-15 CN CN202210399265.8A patent/CN114914782A/zh active Pending
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