CN117192815A - 一种基于内调制的光束相位控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于内调制的光束相位控制系统及方法，包括光源，用于提供光束；内调制稳频基体，包括第一准直器、第二准直器、偏振分光棱镜、偏振片、分光片、第一二项镜、第二二项镜、全反镜、参考气室、收光筒、第一光电探测器、第二光电探测器、差分电路；第一准直器导入由光源产生的光束，光束经由偏振分光棱镜滤波后到达分光片，并通过分光片分为第一光束和第二光束，第一光电探测器、第二光电探测器根据接收的第一光束和第二光束进行光电信号转换，第一光电探测器、第二光电探测器输出端连接差分电路，差分电路将处理后输出的电信号馈送至光源的相位控制端，以实现稳频。

Description

一种基于内调制的光束相位控制系统及方法

技术领域

本发明涉及光学调制技术领域，特别是涉及一种基于内调制的光束相位控制系统及方法。

背景技术

近年来，随着光学技术，尤其是激光技术的迅猛发展，其应用领域也越来越广泛。目前，激光冷却、激光频标、高分辨率激光光谱测量、高精度干涉计量等应用场景中均需要对光束的线宽和频率稳定性提出很高的要求，而一般情况下激光器的输出频率对注入电流和工作温度很敏感，即使是在单纵模下运转，其光谱线宽也比较大，中心波长的准确值会在一个相当大的范围内波动，频率稳定性很差。这对于激光冷却、原子捕获和高精度光谱的应用，都构成了较大障碍。

激光器的稳频技术通常是将输出激光的中心频率锁定在某个稳定度很高的参考频率上，例如原子、分子的吸收谱线、法布里珀罗标准具等。其中，基于调制技术的原子吸收谱线的饱和吸收光谱技术应用最为广泛。其主要原理是将激光器输出光的频率和原子的饱和吸收峰处的频率相比较，得到误差信号并反馈到激光器中的相位控制调谐机构中，完成闭环控制，从而使激光器的频率锁定到参考频率上，完成稳频。

然而，现有的基于内调制的光束相位控制系统的稳频机构体积大，空间利用率低，而且结构复杂、稳频精度低。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种基于内调制的光束相位控制系统及方法，旨在解决现有的激光稳频器体积大、结构复杂、稳频精度低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种基于内调制的光束相位控制系统，包括：

光源和内调制稳频基体；

所述内调制稳频基体包括第一准直器、第二准直器、偏振分光棱镜、偏振片、分光片、第一二项镜、第二二项镜、全反镜、参考气室、收光筒、第一光电探测器、第二光电探测器、差分电路；

所述第一准直器导入由光源产生的光束，所述光束经由偏振分光棱镜滤波后到达分光片，并通过分光片分为第一光束和第二光束；第一光束依次穿过第一二项镜、参考气室、第二二项镜后到达第一光电探测器；

在所述第一光束射出参考气室的出口端之前，由第二准直器导入第三光束，第三光束通过第二二项镜反射后自参考气室的出口端射入参考气室内，并与第一光束光路重合且偏振垂直，而后第三光束自参考气室的入口端射出后通过第一二项镜反射到收光筒内被吸收；

所述第二光束通过全反镜反射后以平行于第一光束的光路依次穿过参考气室、偏振片后到达第二光电探测器；

所述第一光电探测器、第二光电探测器根据接收的第一光束和第二光束进行光电信号转换，第一光电探测器、第二光电探测器输出端连接差分电路，差分电路将处理后输出的电信号馈送至光源的相位控制端，以实现稳频。

进一步，所述第一光电探测器为第一光电二极管，所述第二光电探测器为第二光电二极管，所述第一、第二光电二极管将光信号转换为电信号以进行差分处理。

进一步，所述第一光电二极管、第二光电二极管、差分电路集成于PD电路板上。

进一步，所述偏振片旋转所述第二光束的光轴，从而衰减所述第二光束的功率，使得第一光束和第二光束功率相等。以用于协助所述第二光电二极管及差分电路进行差分处理。

进一步，所述第二二项镜与所述第一光电二极管之间还依次设置有第一透镜、第一滤波片；所述第一透镜用于对第一光束聚焦，所述第一滤波片用于对第一光束去噪。以用于提升所述第一光电二极管及差分电路处理的精度，增强所述稳频效果。

进一步，所述偏振片与所述第二光电二极管之间还设置有第二透镜、第二滤波片；所述第二透镜用于对第二光束聚焦，所述第二滤波片用于对第二光束去噪。以增强所述稳频效果。

进一步，所述收光筒内设置有衰减片，用于衰减所述第三光束。以避免所述副光束反射回光路中对所述内调制稳频系统造成干扰。

进一步，所述参考气室为铯原子气室。

进一步，所述分光片为50:50分光片。

本发明还提出一种基于内调制的光束相位控制方法，其使用前述的基于内调制的光束相位控制系统，包括以下步骤：

S1、提供一光源以及一内调制稳频基体，所述光源产生的光束自所述内调制稳频基体上的第一准直器导入至基体内，光束经由偏振分光棱镜滤波后到达分光片，并通过分光片分为第一光束和第二光束；

S2、第一光束依次穿过第一二项镜、参考气室、第二二项镜，并通过第一透镜聚焦后以及第一滤波片去噪后到达第一光电二极管；

在第一光束射出参考气室的出口端之前，由第二准直器导入第三光束，第三光束通过第二二项镜反射后自参考气室的出口侧射入参考气室内，并与第一光束光路重合且偏振垂直；

S3、第二光束通过全反镜反射后以平行于第一光束的光路依次穿过参考气室、偏振片后到达第一光电二极管；

S4、第一光电探测器、第二光电探测器根据接收的第一光束和第二光束进行光电信号转换，第一光电探测器、第二光电探测器输出端连接差分电路，差分电路将处理后输出的电信号馈送至光源的相位控制端，以实现稳频。

相较于现有技术，本发明的有益效果为：

1.本发明的基于内调制的光束相位控制系统无冗余光学元器件，整体结构紧凑，体积小，空间利用率高。

2.本发明通过在光路中设置透镜，对第一光束、第二光束进行聚焦，以减小光斑，从而使得第一光束和第二光束能够准确到达第一、第二光电二极管上，提升了差分电路处理的精度，能够更精准对光源产生的光束实施相位控制，增强内调制稳频效果。

3.本发明通过在第二光束的光路中设置的偏振片降低功率，使得第一光束和第二光束功率相等，以用于协助所述第二光电二极管及差分电路进行差分处理，能够更好实现内调制稳频。

4.本发明通过设置滤波片，能够有效地对第一光束和第二光束进行去噪处理，从而显著提高了内调制稳频效果。

附图说明

图1为本发明实施例中所述基于内调制的光束相位控制系统的内调制稳频基体主视图。

图2为本发明另一个实施例中所述基于内调制的光束相位控制方法的步骤示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于现有的激光稳频器体积大，空间利用率低，而且结构复杂、稳频精度低。为解决上述技术问题，本发明提出一种激光稳频系统及方法。

如附图1所示，本发明实施例提出一种基于内调制的光束相位控制系统，包括：

光源，所述光源提供光束；

内调制稳频基体1，所述内调制稳频基体1包括第一准直器21、第二准直器22、偏振分光棱镜31、偏振片32、分光片4、第一二项镜51、第二二项镜52、全反镜6、参考气室7、收光筒8、第一光电探测器、第二光电探测器、差分电路。

所述第一准直器21导入由光源产生的852nm光束211，所述光束211经由偏振分光棱镜31滤波后到达50：50分光片4，并通过分光片4分为第一光束A₁和第二光束A₂；第一光束A₁依次穿过第一二项镜51、参考气室7、第二二项镜52、第一透镜101和第一滤波片102后到达第一光电探测器(图中未标示)。

可以理解的是，偏振分光棱镜(Polarizing Beam Splitter，PBS)偏振分光棱镜是通过在直角棱镜的斜面镀制多层膜结构，然后胶合成一个立方体结构，利用光线以布鲁斯特角入射时P偏振光透射率为1而S偏振光透射率小于1的性质，在光线以布鲁斯特角多次通过多层膜结构以后，达到使的P偏振分量完全透过，而绝大部分S偏振分量反射(至少90％以上)，进而得到高消光比、极低的光束偏转角的光束。

可以理解的是，分光镜即让光线部分透过，部分反射达到分光效果，50：50分光片其在表面上镀了一层特殊的膜使得入射光可以反射一半透射一半，且拥有低吸收的特性。

在所述第一光束A₁射出参考气室7的出口端之前，由第二准直器22导入509nm第三光束B，第三光束B通过第二二项镜52反射后自参考气室7的出口侧射入参考气室7内，并与第一光束A₁光路重合且偏振垂直，而后第三光束B自参考气室7的入口侧射后通过第一二项镜51反射到收光筒8内被吸收。

其中，波长为509nm的第三光束B光强大于波长为852nm的第一光束A₁的光强，因此在参考气室7内会产生饱和作用，参考气室7内的原子只会与509nm的第三光束B发生跃迁反应，而不会与第一光束A₁反应，所以第一光束A₁中不会携带有关原子跃迁的相关信息。

所述第二光束A₂通过509nm全反镜6反射后以平行于第一光束的光路依次穿过参考气室7、偏振片32后、第二透镜103、第二滤波片104，到达第二光电探测器(图中未标示)；可以理解的是，通过852nm全反镜6反射后，第二光束A₂会平行于第一光束A₁射入参考气室7内。

所述第一光电探测器、第二光电探测器根据接收的第一光束A₁和第二光束A₂进行光电信号转换，第一光电探测器、第二光电探测器输出端连接差分电路，差分电路将处理后输出的电信号馈送至内调制稳频基体的稳频控制端，以实现稳频。

可以理解的是，内调制稳频一般是在饱和吸收光谱(SaturatedAbsorptionSpectra，SAS)稳频基础上进行。

可以理解的是，所述第一光电探测器为第一光电二极管(Photo Diode，PD)，所述第二光电探测器为第二光电二极管，所述第一、第二光电二极管将光信号转换为电信号以进行差分处理。当光电二极管中的PN结受到光照射，且入射光能量高于光电二极管的带隙能时，会产生电子和空穴，其中在内部电场的驱动下，电子和空穴按相反方向各自移动，形成了光电流，以实现光电信号转换。

可以理解的是，所述第一光电二极管、第二光电二极管、差分电路集成于PD电路板9上。

可以理解的是，偏振片32用于旋转第二光束A₂的光轴，从而衰减第二光束A₂的功率，以使第一光束A₁和第二光束A₂的功率一致，以用于协助所述第二光电二极管及差分电路进行差分处理。

在本实施例中，第一二项镜51和第二二项镜52均为T852 R509二项镜，可以理解的是，第一二项镜51和第二二项镜52可以透过852nm的光束，反射509nm的光束。

在本实施例中，第一透镜101和第二透镜103均为D4 F10透镜，且第一透镜101用于聚焦第一光束A₁，第二透镜103用于聚焦所述第二光束A₂。

在本实施例中，第一滤波片102和第二滤波片104均为509nm滤波片，且第一滤波片102用于对第一光束A₁去噪，过滤509nm光束；所述第二滤波片104用于对第二光束A₂去噪，过滤509nm光束。

在本实施例中，收光筒8为509nm收光筒，其内设置有衰减片(图中未标示)，用于衰减509nm第三光束B，避免509nm第三光束B反射回光路中对所述内调制稳频系统造成干扰。

在本实施例中，所述参考气室7为铯原子气室。

如附图2所示，本发明实施例还提出一种基于内调制的光束相位控制方法，其使用前述的基于内调制的光束相位控制系统，包括以下步骤：

S1、提供一光源以及一内调制稳频基体，所述光源产生的852nm光束A自所述内调制稳频基体上的第一准直器21导入至基体内，光束经由偏振分光棱镜31滤波后到达分光4片，并通过分光片分为第一光束A₁和第二光束A₂；

S2、第一光束A₁依次穿过第一二项镜51、铯原子参考气室7、第二二项镜52，并通过第一透镜101聚焦后以及第一滤波片去噪后到达第一光电二极管；

在第一光束A₁射出参考气室7的出口端之前，由第二准直器22导入509nm第三光束B，第三光束B通过第二二项镜52反射后自参考气室7的出口侧射入参考气室7内，并与第一光束A₁光路重合且偏振垂直；

S3、第二光束A₂通过全反镜6反射后以平行于第一光束A₁的光路依次穿过参考气室7、偏振片32、第二透镜103聚焦后到达第一光电二极管；

S4、第一光电探测器、第二光电探测器根据接收的第一光束A₁和第二光束A₂进行光电信号转换，第一光电探测器、第二光电探测器输出端连接差分电路，差分电路将处理后输出的电信号馈送至光源的相位控制端，以实现稳频。

以上所述的仅为本发明的部分或较佳实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于内调制的光束相位控制系统，其特征在于，包括光源和内调制稳频基体；

所述内调制稳频基体包括第一准直器、第二准直器、偏振分光棱镜、偏振片、分光片、第一二项镜、第二二项镜、全反镜、参考气室、收光筒、第一光电探测器、第二光电探测器、差分电路；

所述第一准直器导入由光源产生的光束，所述光束经由偏振分光棱镜滤波后到达分光片，并通过分光片分为第一光束和第二光束；第一光束依次穿过第一二项镜、参考气室、第二二项镜后到达第一光电探测器；

在所述第一光束射出参考气室的出口端之前，由第二准直器导入第三光束，第三光束通过第二二项镜反射后自参考气室的出口端射入参考气室内，并与第一光束光路重合且偏振垂直，而后第三光束自参考气室的入口端射出后通过第一二项镜反射到收光筒内被吸收；

所述第二光束通过全反镜反射后以平行于第一光束的光路依次穿过参考气室、偏振片后到达第二光电探测器；

所述第一光电探测器、第二光电探测器根据接收的第一光束和第二光束进行光电信号转换，第一光电探测器、第二光电探测器输出端连接差分电路，差分电路将处理后输出的电信号馈送至光源的相位控制端，以实现稳频。

2.根据权利要求1所述的基于内调制的光束相位控制系统，其特征在于，所述第一光电探测器为第一光电二极管，所述第二光电探测器为第二光电二极管，所述第一、第二光电二极管将光信号转换为电信号以进行差分处理。

3.根据权利要求2所述的基于内调制的光束相位控制系统，其特征在于，所述第一光电二极管、第二光电二极管、差分电路集成于PD电路板上。

4.根据权利要求1所述的基于内调制的光束相位控制系统，其特征在于，所述偏振片旋转所述第二光束的光轴，从而衰减所述第二光束的功率，使得第一光束和第二光束功率相等。

5.根据权利要求2所述的基于内调制的光束相位控制系统，其特征在于，所述第二二项镜与所述第一光电二极管之间还依次设置有第一透镜、第一滤波片；所述第一透镜用于对第一光束聚焦，所述第一滤波片用于对第一光束去噪。

6.根据权利要求2所述的基于内调制的光束相位控制系统，其特征在于，所述偏振片与所述第二光电二极管之间还设置有第二透镜、第二滤波片；所述第二透镜用于对第二光束聚焦，所述第二滤波片用于对第二光束去噪。

7.根据权利要求1所述的基于内调制的光束相位控制系统，其特征在于，所述收光筒内设置有衰减片，用于衰减所述第三光束。

8.根据权利要求1所述的基于内调制的光束相位控制系统，其特征在于，所述参考气室为铯原子气室。

9.根据权利要求1所述的基于内调制的光束相位控制系统，其特征在于，所述分光片为50:50分光片。

10.一种基于内调制的光束相位控制方法，其使用如权利要求1-9任一项所述的基于内调制的光束相位控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1、提供一光源以及一内调制稳频基体，所述光源产生的光束自所述内调制稳频基体上的第一准直器导入至基体内，光束经由偏振分光棱镜滤波后到达分光片，并通过分光片分为第一光束和第二光束；

S2、第一光束依次穿过第一二项镜、参考气室、第二二项镜，并通过第一透镜聚焦后以及第一滤波片去噪后到达第一光电二极管；

在第一光束射出参考气室的出口端之前，由第二准直器导入第三光束，第三光束通过第二二项镜反射后自参考气室的出口侧射入参考气室内，并与第一光束光路重合且偏振垂直；

S3、第二光束通过全反镜反射后以平行于第一光束的光路依次穿过参考气室、偏振片后到达第一光电二极管；

S4、第一光电探测器、第二光电探测器根据接收的第一光束和第二光束进行光电信号转换，第一光电探测器、第二光电探测器输出端连接差分电路，差分电路将处理后输出的电信号馈送至光源的相位控制端，以实现稳频。