CN116706665A - 一种光纤激光稳频系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤激光器稳频系统及方法，该系统包括电光调制器，用于接收PDH调制信号，对激光进行相位调制；射频信号源，用于对电光调制器施加PDH调制信号和提供本地参考信号；混频器，将带有频率抖动信息的反射激光电信号与本地参考信号混频，得到色散信号；低通滤波器，将色散信号中高频成分滤掉，保留直流部分作为误差信号；基于PID的数字电路模块控制器，用于接收误差信号，根据信号信息与设定值的偏差输出相反的电压信号，来调整激光器的驱动信号，以抑制激光器的频率波动，使其锁定在超稳腔上。可以有效抑制激光器本身和外界环境因素对其频率稳定度的影响，可以实现对超窄线宽超稳腔的快速跟踪和锁定，避免因为腔长漂移而导致的失锁现象。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种光纤激光器稳频系统及方法。
背景技术
当前，以量子信息技术为代表的第二次量子革命正在进行中。利用量子力学基本原理和量子调控技术，量子信息技术可突破信息技术的经典极限，例如量子计算机计算能力极强且能耗极低，量子通信可提供无条件安全的通信方式，量子精密测量可提供极高的敏感性和测量精度。这次革命预计将在量子通信、量子计算、量子仿真等领域实现突破，并成为解决信息、能源、环境、医学等领域重大挑战的有力手段。在目前已有的各类量子体系中，激光冷却的超冷离子是目前最有希望实现大规模通用量子计算的体系之一，也是实现量子精密测量和量子传感的重要候选体系之一。
目前超冷离子的种类主要有钙离子和镱离子等。对于钙离子，729nm激光是操纵离子量子态最重要的激光，要求其必须具有高功率和窄线宽等性能参数。目前主流的729nm激光主要有半导体激光器和钛宝石激光器。729nm半导体激光器存在功率过低和半导体激光管工作不稳定等问题。729nm钛宝石激光器功率可以满足需求，但由于其构成的光学和机械元件较多，结构复杂，从而导致整体不稳定，故障多，且需要额外的专业人员维护。
光纤激光器是一种利用光纤作为增益介质和谐振腔的激光器，具有高效率、高功率、高稳定性、高可靠性、低噪声和低成本等优点。但是光纤激光器的频率也会受到多种因素的影响而发生抖动和漂移，如温度波动、机械振动、环境噪声、非线性效应和模式竞争等，因此需要采用有效的技术手段来实现线宽的压窄和控制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种光纤激光器稳频系统及方法，以效抑制激光器本身和外界环境因素对其频率稳定度的影响。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种光纤激光稳频系统，包括：
电光调制器，用于接收PDH调制信号，对激光进行相位调制；
射频信号源，用于对电光调制器施加PDH调制信号和提供本地参考信号；
混频器，将带有频率抖动信息的反射激光电信号与本地参考信号混频，得到色散信号低通滤波器，将色散信号中高频成分滤掉，保留直流部分作为误差信号；
基于PID的数字电路模块控制器，用于接收误差信号，根据信号信息与设定值的偏差输出相反的电压信号，来调整激光器的驱动信号，以抑制激光器的频率波动，使其锁定在超稳腔上。
进一步地，所述的光纤激光稳频系统还包括：
第一组件，所述第一组件包括第一λ/2波片、第一偏振分光棱镜、第一反射镜、第二λ/2波片、第一λ/4波片、第一透镜、第一对反射镜、第一耦合头、单模保偏光纤、第二耦合头、第二λ/4波片、格兰泰勒棱镜；
激光经过第一λ/2波片后成竖直偏振光，依次经过第一偏振分光棱镜、第一反射镜、第二λ/2波片、第一λ/4波片、第一透镜、单模保偏光纤、第三λ/2波片、格兰泰勒棱镜后再经过所述电光调制器。
进一步地，所述第一λ/2波片、第一偏振分光棱镜组合用来调整激光偏振方向使其成线偏振光；
所述第一λ/4波片、第二λ/2波片，用于控制激光偏振成为稳定线偏光；
所述第一透镜用来调整激光光斑大小，以提高进入光纤的最大耦合效率；
所述第一对反射镜用来调整激光光斑与耦合头的相对位置，以提高进入单模保偏光纤的最大耦合效率；激光经单模保偏光纤出射，经过第三λ/2波片、格兰泰勒棱镜组合，用来调整进入电光调制器的偏振性，以满足电光调制器入射偏振要求。
进一步地，所述的光纤激光稳频系统还包括：
第二组件，所述第二组件包括第二偏振分束棱镜和第二λ/4波片；所述电光调制器出来激光经过第二偏振分束棱镜和第二λ/4波片产生圆偏振光。
进一步地，所述的光纤激光稳频系统还包括：
第二对反射镜，经过第二偏振分束棱镜和第二λ/4波片产生圆偏振光经过第二对反射镜后，从真空室的激光入射口垂直入射至超稳腔中；所述第二对反射镜用于调节激光的模式与超稳腔的模式匹配。
进一步地，所述激光的光路为U型。
进一步地，所述二偏振分束棱镜和第二λ/4波片用来调整偏振性，使得经超稳腔反射的功率经第二偏振分束棱镜透射最小；第二对反射镜用来调整激光与腔共振，消除其余高阶模式。
进一步地，所述带有频率抖动信息的反射激光通过如下组件产生：
λ/4波片、偏振分光棱镜、光电探测器；从真空室反射出来带有频率抖动信息的激光经过λ/4波片与偏振分光棱镜的线偏振光经光电探测器，得到电信号，输入基于PID的数字电路模块控制器。
第二方面，本发明提供一种光纤激光器PDH稳频方法，包括：
将光纤激光器输出的单频激光通过一个电光调制器，在其周围产生两个与之频率相差若干值的边带；
将调制后的激光注入一个超稳光学腔，当激光频率与超稳光学腔的谐振频率匹配时，超稳光学腔内形成驻波；
将超稳光学腔反射回来的激光通过一个光电探测器，与电光调制器的驱动信号进行混频，得到一个包含频率失谐信息的误差信号；
将误差信号经过一个基于PID的数字电路模块控制器，分别反馈到激光器内置的压电陶瓷和光纤集成声光调制器，对激光器的频率进行低频和高频的补偿，以实现现对超稳腔的锁定
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明通过对电光调制器施加PDH调制信号，对激光进行相位调制。通过光电探测器得到的误差信号反馈回基于PID的数字电路模块控制器，来抑制激光器的频率波动，使其锁定在光学腔上，从而实现压窄激光线宽、频率能长时稳定。
附图说明
图1为本发明实施例提供的729nm激光PDH光路以及相应锁频电子元件示意图。其中：HWP(HalfWave Plat):λ/2波片；PBS(Polarization Splitting Prism):偏振分光棱镜；L(Len):透镜；Coupler:耦合头；PMF(Single-mode Polarization-maintaining Fiber):单模保偏光纤；GTP(Grant-Taylor Prism):格兰泰勒棱镜；QWP(Quarter Wave Plat):λ/4波片；EOM(Electrooptical Modulator):电光调制器；HR(High Reflector):高度反射镜；PD(Photo-Detector):光电探测器；Monitor:示波器；PS(Phase Shifter):移相器；Mixer:混频器；LPF(Low-Pass Filter):低通滤波器；SG(Signal Generator):射频信号源；Ultra-stable Cavity:超稳腔(法布里-珀罗光学谐振腔)；
图2为729nm激光在基模附近扫描频率得到的误差信号示意图；
图3为729nm激光锁定后的误差信号示意图。
具体实施方式
实施例：
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
PDH(Pound-Drever-Hall)稳频是一种利用超稳光学腔作为频率参考，通过电光调制和相位解调的方法，可实现对激光器频率的精密控制的技术。本发明中的光纤激光器PDH稳频方法的原理如下：
首先，将光纤激光器输出的单频激光通过一个电光调制器，在其周围产生两个与之频率相差一定值的边带；
然后，将调制后的激光注入一个超稳光学腔，该腔具有很高的精细度和很低的损耗，只有当激光频率与腔的谐振频率匹配时，才能在腔内形成驻波。接着，将腔反射回来的激光通过一个光电探测器，与电光调制器的驱动信号进行混频，得到一个包含频率失谐信息的误差信号；
最后，将误差信号经过一个伺服控制系统，分别反馈到激光器内置的压电陶瓷和光纤集成声光调制器，对激光器的频率进行低频和高频的补偿，从而实现对超稳腔的锁定。
此外，本发明实施例提供了一种光纤激光稳频系统，该系统主要包括电光调制器、射频信号源、混频器、低通滤波器以及基于的数字电路模块控制器。
其中，该电光调制器用于接收PDH调制信号，对激光进行相位调制；该射频信号源则是用于对电光调制器施加PDH调制信号δm(δm为调制频率)和提供本地参考信号；该混频器则将带有频率抖动信息的反射激光电信号与本地参考信号混频，得到色散信号；该低通滤波器将色散信号中高频成分滤掉，保留直流部分作为误差信号。该基于PID的数字电路模块控制器则用于接收误差信号，根据信号信息与设定值的偏差输出相反的电压信号，来调整激光器的驱动信号，以抑制激光器的频率波动，使其锁定在超稳腔上。
由此可见，本系统通过对电光调制器施加PDH调制信号，对激光进行相位调制。通过光电探测器得到的误差信号反馈回基于PID的数字电路模块控制器，该基于PID的数字电路模块控制器根据获得的误差信号来给出反馈信号，控制激光器的频率抖动，从而来抑制激光器的频率波动，使其锁定在光学腔上，从而实现压窄激光线宽、频率能长时稳定。
在一具体实施例中，带有频率抖动信息的反射激光通过如下组件产生
λ/4波片、偏振分光棱镜、光电探测器；从真空室反射出来带有频率抖动信息的激光经过λ/4波片与偏振分光棱镜的线偏振光经光电探测器，得到电信号，输入基于PID的数字电路模块控制器。
在一优选实施例中，上述的光纤激光稳频系统还包括：
第一组件，该第一组件包括第一λ/2波片、第一偏振分光棱镜、第一反射镜、第二λ/2波片、第一λ/4波片、第一透镜、第一对反射镜、第一耦合头、单模保偏光纤、第二耦合头、第二λ/4波片、格兰泰勒棱镜。
激光经过第一λ/2波片后成竖直偏振光，依次经过第一偏振分光棱镜、第一反射镜、第二λ/2波片、第一λ/4波片、第一透镜、单模保偏光纤、第三λ/2波片、格兰泰勒棱镜后再经过所述电光调制器。
偏振分光棱镜透过的是水平偏振，反射的是竖直偏振；第一λ/2波片、第一偏振分光棱镜组合用来粗略调整激光偏振方向使其成线偏振光；第一λ/4波片、第二λ/2波片，精准控制激光偏振成为稳定线偏光；透镜用来调整激光光斑大小，以提高进入光纤的最大耦合效率；第一对反射镜用来调整激光光斑与耦合头的相对位置，以提高进入光纤的最大耦合效率；单模保偏光纤，稳频腔位置与所在激光器安放位置较远，需要用光纤牵引过去；激光经光纤另一端出射，经过第三λ/2波片、格兰泰勒棱镜组合，用来精细调整进入电光调制器的偏振性，以满足电光调制器严格的入射偏振要求。
在一优选实施例中，上述的光纤激光稳频系统还包括第二组件，该第二组件包括第二偏振分束棱镜和第二λ/4波片；电光调制器出来激光经过第二偏振分束棱镜和第二λ/4波片产生圆偏振光。
在一优选实施例中，上述的光纤激光稳频系统还包括第二对反射镜，经过第二偏振分束棱镜和第二λ/4波片产生圆偏振光经过第二对反射镜后，从真空室的激光入射口垂直入射至超稳腔中；所述第二对反射镜用于调节激光的模式与超稳腔的模式匹配。
由于激光与超稳腔共振，需要将激光的束腰半径与超稳腔的束腰半径相匹配，以光纤出射为起点，以超稳腔的束腰所在位置为终点，这个距离较长，而由于空间有限，所以使用光路U型这种方式；第二偏振分束棱镜和第二λ/4波片用来调整偏振性，使得经超稳腔反射的功率经第二偏振分束棱镜透射最小；第二对反射镜用来调整激光与腔共振，消除其余高阶模式。
下面以波长为729nm的激光为例来对本发明的光纤激光稳频系统的工作原理进行进一步的说明，如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤1、波长为729nm的激光经过λ/2波片HWP1、偏振分光棱镜PBS1后选择竖直偏振光，水平偏振光用于其他光路功率要求。竖直偏振光依次经过反射镜HR1、λ/2波片HWP2、λ/4波片QWP1、透镜L1、一对反射镜HR2、HR3、耦合头Coupler1耦合进入单模保偏光纤PMF。
步骤2、单模保偏光纤PMF将光引入远处的锁频光路模块，通过耦合头Coupler2出射，经λ/2波片HWP3、格兰泰勒棱镜GTP；激光经过光纤耦合连续型电光调制器EOM(采用Thorlabs公司，EO-PM-NR-C1)，通过射频信号源SG对EOM施加PDH调制信号δm，本实施例选取δm＝20MHz，δm为调制频率(PDH调制频率0-50MHz)；
步骤3、相位调制后的激光经第二偏振分束棱镜PBS2和第二λ/4波片QWP2产生椭圆偏振光；
步骤4、最后经过一对反射镜HR4、HR5，从垂直入射至超稳腔Ultra-stable Cavity中，其中该对反射镜HR4、HR5用于调节激光的模式与超稳腔的模式匹配；
步骤5、激光在超稳腔内多次往复反射，激光频率与超稳腔匹配的激光频率不一致时，激光会经凹面腔镜反射，然后由平面腔镜透射出来，这部分带有频率抖动信息的激光，再次经过λ/4波片QWP2与偏振分光棱镜PBS2成为线偏振光，由光电探测器PD1探测信号。
步骤6、由光电探测器PD1探测的信号，其交流部分输入基于PID的数字电路模块控制器，其直流部分输入示波器，监视反射光电信号的变化。光电探测器PD2用来监测透射的光电信号，CCD用来观察和检测激光模式。输入基于PID的数字电路模块控制器的交流部分信号，在数字电路模块控制器内部与本地射频信号源进行混频，调节移相器PS相位从而获得调制转移的色散信号，再经过低通带宽型滤波器LPF，得到误差信号，如图2所示。用作鉴频信号PDH信号根据反馈信息与设定值的偏差不断调整激光器的驱动信号，从而抑制外界干扰，使激光频率稳定。从图3中可以清晰地看到锁定后误差信号值为70mV，该值较小说明系统锁定后的稳定性很高，锁定时间长达12小时。
由此可见本发明涉及的729nm光纤激光器在满足功率需求的同时，结构简单，光路为全光纤组成，稳定可靠，可实现真正的免维护
综上，本发明于现有技术相比，具有如下技术优势：
1、可以有效抑制激光器本身和外界环境因素对其频率稳定度的影响，如温度、振动、电流噪声等；
2、可以实现对超窄线宽超稳腔的快速跟踪和锁定，避免因为腔长漂移而导致的失锁现象；
3、可以利用超稳腔作为绝对频率标准，实现对激光器频率的精确测量和校准；
4、不需要额外的移频装置，可以对激光进行频率调制并锁定在光学超稳腔上，从而实现激光线宽压窄，适用于精密光谱、精密测量以及量子信息等领域。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种光纤激光稳频系统，其特征在于，包括：
电光调制器，用于接收PDH调制信号，对激光进行相位调制；
射频信号源，用于对电光调制器施加PDH调制信号和提供本地参考信号；
混频器，将带有频率抖动信息的反射激光电信号与本地参考信号混频，得到色散信号低通滤波器，将色散信号中高频成分滤掉，保留直流部分作为误差信号；
基于PID的数字电路模块控制器，用于接收误差信号，根据信号信息与设定值的偏差输出相反的电压信号，来调整激光器的驱动信号，以抑制激光器的频率波动，使其锁定在超稳腔上。
2.如权利要求1所述的光纤激光稳频系统，其特征在于，还包括：
第一组件，所述第一组件包括第一λ/2波片、第一偏振分光棱镜、第一反射镜、第二λ/2波片、第一λ/4波片、第一透镜、第一对反射镜、第一耦合头、单模保偏光纤、第二耦合头、第二λ/4波片、格兰泰勒棱镜；
激光经过第一λ/2波片后成竖直偏振光，依次经过第一偏振分光棱镜、第一反射镜、第二λ/2波片、第一λ/4波片、第一透镜、单模保偏光纤、第三λ/2波片、格兰泰勒棱镜后再经过所述电光调制器。
3.如权利要求2所述的光纤激光稳频系统，其特征在于，所述第一λ/2波片、第一偏振分光棱镜组合用来调整激光偏振方向使其成线偏振光；
所述第一λ/4波片、第二λ/2波片，用于控制激光偏振成为稳定线偏光；
所述第一透镜用来调整激光光斑大小，以提高进入光纤的最大耦合效率；
所述第一对反射镜用来调整激光光斑与耦合头的相对位置，以提高进入单模保偏光纤的最大耦合效率；激光经单模保偏光纤出射，经过第三λ/2波片、格兰泰勒棱镜组合，用来调整进入电光调制器的偏振性，以满足电光调制器入射偏振要求。
4.如权利要求1-3任一所述的光纤激光稳频系统，其特征在于，还包括：
第二组件，所述第二组件包括第二偏振分束棱镜和第二λ/4波片；所述电光调制器出来激光经过第二偏振分束棱镜和第二λ/4波片产生圆偏振光。
5.如权利要求4所述的光纤激光稳频系统，其特征在于，还包括：
第二对反射镜，经过第二偏振分束棱镜和第二λ/4波片产生圆偏振光经过第二对反射镜后，从真空室的激光入射口垂直入射至超稳腔中；所述第二对反射镜用于调节激光的模式与超稳腔的模式匹配。
6.如权利要求1所述的光纤激光稳频系统，其特征在于，所述激光的光路为U型。
7.如权利要求5所述的光纤激光稳频系统，其特征在于，所述二偏振分束棱镜和第二λ/4波片用来调整偏振性，使得经超稳腔反射的功率经第二偏振分束棱镜透射最小；第二对反射镜用来调整激光与腔共振，消除其余高阶模式。
8.如权利要求1所述的光纤激光稳频系统，其特征在于，所述带有频率抖动信息的反射激光通过如下组件产生：
λ/4波片、偏振分光棱镜、光电探测器；从真空室反射出来带有频率抖动信息的激光经过λ/4波片与偏振分光棱镜的线偏振光经光电探测器，得到电信号，输入基于PID的数字电路模块控制器。
9.一种光纤激光器PDH稳频方法，其特征在于，包括：
将光纤激光器输出的单频激光通过一个电光调制器，在其周围产生两个与之频率相差若干值的边带；
将调制后的激光注入一个超稳光学腔，当激光频率与超稳光学腔的谐振频率匹配时，超稳光学腔内形成驻波；
将超稳光学腔反射回来的激光通过一个光电探测器，与电光调制器的驱动信号进行混频，得到一个包含频率失谐信息的误差信号；
将误差信号经过一个基于PID的数字电路模块控制器，分别反馈到激光器内置的压电陶瓷和光纤集成声光调制器，对激光器的频率进行低频和高频的补偿，以实现现对超稳腔的锁定。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310560290.4A CN116706665A (zh) | 2023-05-18 | 2023-05-18 | 一种光纤激光稳频系统及方法 |
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| CN202310560290.4A Pending CN116706665A (zh) | 2023-05-18 | 2023-05-18 | 一种光纤激光稳频系统及方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117353148A (zh) * | 2023-10-07 | 2024-01-05 | 重庆大学 | 基于腔镜反射率不对称的线型法珀腔光反馈频率锁定装置 |
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2023
- 2023-05-18 CN CN202310560290.4A patent/CN116706665A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117353148A (zh) * | 2023-10-07 | 2024-01-05 | 重庆大学 | 基于腔镜反射率不对称的线型法珀腔光反馈频率锁定装置 |
| CN117353148B (zh) * | 2023-10-07 | 2024-05-03 | 重庆大学 | 基于腔镜反射率不对称的线型法珀腔光反馈频率锁定装置 |
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