CN1556562A - 激光稳频方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光稳频方法及装置，尤其是一种双频调制环型腔增强调制转移激光稳频方法及其装置，属于精密激光光谱技术、精密激光稳频技术和精密计量标准技术领域。本发明采用激光束经偏振分束器分成偏振方向相互正交两束光束，一束用于实现环形光学谐振腔与激光频率之间的锁定，另一束用来实现激光频率与谱线之间的高精度锁定。与之对应的激光稳频装置的特征在于：用两个射频信号驱动一个电光调制器对激光束产生双频调制，形成两个相互独立的伺服控制系统，以实现激光频率的锁定精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光稳频方法以及实现这一稳频方法的装置，尤其是一种双频调制环型腔增强调制转移激光稳频方法及其装置，属于精密激光光谱技术、精密激光稳频技术和精密计量标准技术领域。
背景技术
第一代激光稳频方法是三次谐波激光稳频方法，后来发展的第二代为调制转移光谱激光稳频方法。调制转移激光稳频方法与三次谐波激光稳频方法相比，它具有探测灵敏度高、光谱基线位移小、激光无频率调制等优点，用这一技术已经研制出了高频率稳定度的光学频率标准。国际标准局和美国国家标准与技术研究所与美国科罗拉多大学的联合研究所利用该技术研制成碘分子稳频固体激光器，该激光器在1秒积分时间其频率稳定度达到5×10-14，当积分时间达数百秒后，其频率稳定度可达到10-15量级。但是要进一步提高其频率稳定度，调制转移激光稳频方法受到了样品池的长度和泵浦光与探测光束相对位置的抖动的限制。
后来，又产生了环型腔增强调制转移光谱技术和噪声免疫谐振腔增强光外差分子光谱技术，它们将分子放入光学谐振腔中，利用光学谐振腔多次反射和腔内场增强的原理来提高探测样品分子吸收的灵敏度，利用光学腔内空间选模的原理使得探测光与饱和光束之间有很好的模匹配和光束准直的特性，从而提高了光谱探测的精度和稳定性。但是它们都分别有其不足之处。
对于环型腔增强调制转移光谱技术，虽然兼有环型腔增强技术和调制转移光谱技术的优点，但是该技术中的激光与谐振腔之间的锁定讯号和腔内分子光谱讯号的获得都是来自于一个调制频率，即其采用的是单频率调制而非双频调制，为了要获得较好的讯/噪比，对于调制转移光谱技术调制频率不能过高，只有数百千赫，因此采用该调制频率，激光与腔之间锁定精度比较低；另外，该技术采用的二个伺服控制讯号来自于同一束光和同一个调制频率，因此当它用于稳频伺服控制时，两个伺服控制系统会产生干扰，从而影响了稳频激光器的性能。
噪声免疫谐振腔增强光外差分子光谱技术在使用超高精细度光学谐振腔时能有效地抑制各种技术噪声，因而有可能将分子稳频激光器的稳定度提高到10-15量级(1秒积分时间)。但是该技术的困难之处在于：1)该技术要求光学调制频率高达数百兆到1GHz，且要求严格等于谐振腔的模间隔频率，因而技术难度比较大；2)由于其中一个调制频率很高，不易将两个调制讯号同时驱动一个电光调制器，通常用两个调制器，因而整个系统比较复杂，成本也较高；3)噪声免疫谐振腔增强光外差分子光谱技术采用的是驻波腔而非环型腔，因而用它所研制的稳频激光器具有频率调制，从而限制了它的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的激光稳频方法及其装置，以解决在噪声免疫谐振腔增强光谱技术要求光学调制频率等于谐振腔的模间隔频率，频率要高达数百兆到1GHz，技术难度大，成本也较高的问题；以及环型腔增强调制转移光谱技术中，激光与谐振腔之间的锁定讯号和腔内分子光谱讯号的获得都是来自于一个调制频率，在选定调制频率时面临分子光谱讯号讯/噪比和激光与光学谐振腔间锁定精度的矛盾，同时二个伺服控制讯号来自同一束光和同一个调制频率，当用于稳频伺服控制时，两个伺服控制系统会产生干扰，从而影响了稳频激光器性能的问题。
本发明是通过以下技术方案来达到上述目的的：
本发明所提供的激光稳频方法，其特征在于将双频调制、环型腔增强和调制转移三种光谱技术结合在一起实现激光稳频。
本发明所提供的双频调制环型腔增强调制转移激光稳频方法，其特征在于经过以下步骤：
频率为f0的激光束，经偏振分束器分成偏振方向相互正交两束光束；
一束光束经双频电光调制器，在频率Δ和δ处实现位相调制，从而在f0±Δ和f0±δ处产生两组调制频带，其中Δ为环形腔线宽的2-5倍，δ为谱线宽度的0.5-0.9倍；
另一束为未调制的光束，它与双频调制的光束以相反的方向同时耦合到环形光学谐振腔中；
由环形光学谐振腔反射的调制光束经光电探测器和平衡混频器在频率Δ处介调从而获得环形腔的色散讯号，该讯号用于实现环形光学谐振腔与激光频率之间的锁定；
由环形光学谐振腔反射的原先未经调制的光束，经光电探测器和平衡混频器在频率δ处介调从而获得调制转移光谱讯号，该讯号用来实现激光频率与谱线之间的高精度锁定。
与本发明所采用的双频调制环型腔增强调制转移激光稳频方法相对应的激光稳频装置包括激光器、偏振分束器、双频电光调制器、探测器、平衡混频器、环形光学谐振腔、样品池和伺服控制系统，其特征在于：用两个射频信号驱动一个电光调制器对激光束产生双频调制，形成两个相互独立的伺服控制系统。
该技术的有益效果在于既能保持调制转移光谱谱线基线稳定的特点，又由于采用了光学谐振腔讯号增强技术，因而有很高的探测灵敏度，这两点可以进一步提高激光频率的锁定精度。
由于采用双频调制环型腔增强调制转移激光稳频技术，二个伺服控制讯号，即激光与光学腔之间的锁定和用于稳频控制的腔内分子光谱讯号，分别来自于不同的光束和不同的调制频率。因而二个伺服控制系统之间的交叉干扰很小，可进一步提高稳频控制精度，且没有附加频率调制。
由于其调制频率不超过100MHz，与噪声免疫谐振腔增强光外差分子光谱技术相比，它的成本低，结构简单，可推广使用。
与常规调制转移激光光谱技术相比，其灵敏度和光谱探测的精度及稳定性都有很大的提高，将在精密计量科学、原子分子光谱、环境科学和生命科学中有很好的应用前景。用该技术有可能研制出频率稳定度为2×10-14或达到10-15量级的稳频激光器(1秒积分时间)。它比氢原子钟高一个数量级。如用它控制光梳将可研制低噪声频率标准，作为新一代光钟的低噪声振荡源。
具体实施方式：
下面结合附图对具体的实施方式作详细地论述：
实施例1：
频率为f0激光束经偏振分束棱镜被分成偏振方向相互正交的两束光，其中一束光通过双频电光调制器(Δ和δ)，对应产生两组调制边带，分别用于光学谐振腔相对激光频率的锁定及分子调制转移光谱信号检测。环型腔采用的是四镜环型光学谐振腔，用于锁定腔的光位相调制频率Δ为环形腔线宽的2倍，使得边带位于腔线宽以外，在增大腔的色散信号的同时也减少了边带对光谱信号的影响。当调制光束耦合到环型光学谐振腔时，其反射光进入探测器，再由双平衡混频器解调获得环型腔的色散型谱线信号作为鉴频信号，通过伺服控制系统把环型腔的共振频率锁定在激光频率上。另一组较低频率的调制边带用于检测样品I2分子的调制转移光谱，考虑到调制频率与分子吸收自然线宽的比值对调制转移光谱信号的影响，δ为谱线宽度的0.5倍，比光学谐振腔的线宽要小得多，因而其边带能有效地耦合进腔内。调制光及未经调制的探测光进入环型腔，它们以相反的方向同轴通过样品池，当腔的共振频率锁定在激光频率上时，泵浦光与探测光由于腔的增强作用都得到增强，因此分子中的四波混频作用也得到增强，从而在探测光中产生新的边带，即发生调制转移，新边带在腔内获得增强。带有新的边带的探测光经平衡混频器解调后获得分子的调制转移超精细结构谱线，然后经伺服控制系统实现对激光的稳频控制。
实施例2：
频率为f0激光束经偏振分束棱镜被分成偏振方向相互正交的两束光，其中一束光通过双频电光位相调制器(Δ和δ)，对应产生两组调制边带，分别用于光学谐振腔相对激光频率的锁定及分子调制转移光谱信号检测。基本与实施例1过程相同，不同之处在于：用于锁定腔的光位相调制频率Δ为环形腔线宽的5倍，δ为谱线宽度的0.9倍。
实施例3：
频率为f0激光束经偏振分束棱镜被分成偏振方向相互正交的两束光，其中一束光通过双频电光位相调制器(Δ和δ)，对应产生两组调制边带，分别用于光学谐振腔相对激光频率的锁定及分子调制转移光谱信号检测。基本与实施例1过程相同，不同之处在于：用于锁定腔的光位相调制频率Δ为环形腔线宽的3倍，δ为谱线宽度的0.7倍。
Claims (3)
1、一种激光稳频方法，其特征在于将双频调制、环型腔增强和调制转移三种技术结合在一起实现激光稳频。
2、如权利要求1所述的激光稳频方法，其特征在于：
频率为f0的激光束，经偏振分束器分成偏振方向相互正交两束光束；
一束光束经双频电光调制器，在频率Δ和δ处实现位相调制，从而在f0±Δ和f0±δ处产生两组调制频带，其中Δ为环形腔线宽的2-5倍，δ为谱线宽度的0.5-0.9倍；
另一束为未调制的光束，它与双频调制的光束以相反的方向同时耦合到环形光学谐振腔中；
由环形光学谐振腔反射的调制光束经光电探测器和平衡混频器在频率Δ处介调从而获得环形腔的色散讯号，该讯号用于实现环形光学谐振腔与激光频率之间的锁定；
由环形光学谐振腔反射的原先未经调制的光束，经光电探测器和平衡混频器在频率δ处介调从而获得调制转移光谱讯号，该讯号用来实现激光频率与谱线之间的高精度锁定。
3、一种激光稳频装置包括激光器、偏振分束器、双频电光调制器、探测器、平衡混频器、环形光学谐振腔、样品池和伺服控制系统，其特征在于：用两个射频信号驱动一个电光调制器对激光束产生双频调制，形成两个相互独立的伺服控制系统。
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