CN203218703U

CN203218703U - 激光频率和功率的稳定装置

Info

Publication number: CN203218703U
Application number: CN 201320078172
Authority: CN
Inventors: 边武; 管桦; 黄垚; 刘培亮; 陈婷; 杜丽军; 邵虎; 钱源; 高克林
Original assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2023-02-20

Abstract

本实用新型公开了一种激光频率和功率的稳定装置，包括激光器、声光调制器、电光调制器、偏振分光棱镜、λ/4波片、法布里-玻罗干涉仪依顺次通过激光光路连接，偏振分光棱镜还通过激光光路与第二光电探测器连接；声光调制器和电光调制器通过电缆分别连接有第一驱动源和第二驱动源，第二驱动源和第二光电探测器通过电缆与混频器相连，混频器通过低通滤波器与第一驱动源相连。本实用新型大大提高参考的精度及稳定性，实现更高的功率稳定效果，而且提高了我们的频率稳定效果。

Description

激光频率和功率的稳定装置

技术领域

本实用新型涉及激光频率和功率的稳定领域，具体地指一种激光频率和功率的稳定装置。

背景技术

频标的相对频率准确度和稳定度都和标称频率f成反比，光波频率比微波频率高出4－5 个量级，如果其对应的参考谱线的线宽Δf 与工作在微波波段的传统频标（铷、氢、铯钟）相同，那么用于稳频谱线的Q（=f/Δf）值则为微波频标的几万－几十万倍，即从理论上预言光频标的稳定度和准确度比微波频标高出4-5 个量级，这是目前光频标发展十分迅速的原因。同时，随着超窄线宽激光技术和飞秒光学频率梳技术的发展，光学频率标准取得了迅猛的发展，目前世界上最好的Al⁺光频标的精度已经达到了10^-18，比目前的微波频标高2个量级。高精度的光学频率标准对于基本物理常数的测量，基本物理定律的检验以及发展更高精度的导航系统都有很大意义。为了实现光学频率标准，窄线宽的激光器是必不可少的，而其核心就是采用边带调制稳频方法将钟跃迁探测光的频率锁定在一个高稳定度的光学谐振腔上，通过光电探测器探测谐振腔反射光信号，将其转化为电信号，利用低通滤波电路和放大电路对信号进行处理之后，作为误差信号送入反馈执行机构从而实现激光频率的锁定。该方法中，进腔之前的激光功率的稳定性非常重要，由于激光功率的影响会造成光学谐振腔的腔长的变化，改变腔的谐振频率，从而造成激光锁定到腔之后的频率。因此，激光功率稳定性对于频率稳定的效果具有至关重要的影响，因此需要在激光进腔之前对激光进行功率稳定。

传统的激光频率和功率稳定装置如图1所示，其中实线部分为光路、虚线部分为电路，Laser-激光器、AOM1-第一声光调制器、AOM2-第二声光调制器、EOM-电光调制器、BS-分束片、PBS-偏振分光棱镜、PD1-第一光电探测器、PD2-第二光电探测器、λ/4-λ/4波片。

传统激光频率的稳定方法，是利用一个高精细度的法布里-玻罗光学谐振腔实现对激光频率的锁定。通过偏振分光棱镜PBS获得光学谐振腔的反射信号，用第二光电探测器PD2接收后和电光调制器EOM的第二驱动源发出的信号进行混频，经过低通滤波器得到频率的纠偏信号作为快环和慢环分别反馈给第一声光调制器AOM1的第一驱动源的调频端口和激光器Laser本身的压电陶瓷，以压窄激光器Laser的线宽和长期漂移。

传统激光功率的稳定方法，是通过第二声光调制器AOM2的第三驱动源的驱动功率来实现，具体来讲就是利用第二声光调制器AOM2的一级光衍射效率的改变从而实现0级光功率的改变。而第二声光调制器AOM2一级光衍射效率的大小与第二声光调制器AOM2所加第三驱动源的幅度大小有关。对于通过第二声光调制器AOM2的0级光，通过分束片BS让一部分光进入第一光电探测器PD1，然后将第一光电探测器PD1产生的电压信号送入功率稳定电路与一个模拟电压参考进行比较，经过差分放大和比例积分电路得到纠偏信号，将纠偏信号送入第二声光调制器AOM2的第三驱动源的调压端口,由于第三驱动源的幅度被调制，因此根据声光调制器的基本原理，第二声光调制器AOM2一级衍射光的衍射效率将会改变，从而零级光的功率也会改变，最终由于功率稳定电路的不断反馈从而实现0级光的功率稳定在一个参考值上，由此实现激光功率的稳定。在这个功率稳定方法中并没有利用第二声光调制器AOM2的一级光，原因是第三驱动源本身的输出频率可能就不够稳定，从而影响进一步的稳频。

但是这种传统的稳定装置，通常要使用两个声光调制器来分别实现激光功率和频率的稳定，增加了光路和电路的复杂性，同时，功率稳定电路中的模拟电压参考可能还不够稳定，经过实验也发现其功率稳定效果还不足以达到我们的要求，激光通过两个声光调制器同时也会造成一部分光功率的浪费。

实用新型内容

本实用新型的目的就是要提供一种激光频率和功率的稳定装置，采用该装置能够利用一个声光调制器同时实现激光频率和功率的双重稳定。

为实现上述目的，本实用新型所提供的激光频率和功率的稳定装置，包括激光器、声光调制器、电光调制器、偏振分光棱镜、λ/4波片、法布里-玻罗干涉仪依顺次通过激光光路连接，偏振分光棱镜还通过激光光路与第二光电探测器连接；声光调制器和电光调制器通过电缆分别连接有第一驱动源和第二驱动源，第二驱动源和第二光电探测器通过电缆与混频器相连，混频器通过低通滤波器与第一驱动源相连。

进一步、所述的激光频率和功率稳定装置还包括氢钟、分束片、第一光电探测器、模数转换器、比较器、十六位数字基准电压源和通过数模转换器，分束片通过激光光路设置在声光调制器和电光调制器之间，分束片还通过激光光路与第一光电探测器相连，第一光电探测器上通过电缆依顺次连接有模数转换器和比较器，比较器的输入端通过电缆连接有十六位数字基准电压源，比较器的输出端通过数模转换器与第一驱动源相连，第一驱动源外部输入端通过电缆连接有氢钟。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型基于氢钟和数字电压参考，只使用了一个声光调制器来同时实现了激光功率和频率的稳定，这样就大大减少了系统光路和电路的复杂程度，提高了系统的可靠性和稳定性。而且减少了由于声光调制器衍射效应导致的激光功率的损失，可以将节约一部分光功率用于其它实验。我们采用数字电压基准作参考，这样相对于模拟电路就可以大大提高参考的精度及稳定性，实现更高的功率稳定效果，而且提高了我们的频率稳定效果。

附图说明

图1为传统的激光频率和功率稳定装置的结构示意图。

图2为本实用新型所提供的激光频率和功率稳定装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

图2所示的一种激光频率和功率稳定装置，包括激光器1、声光调制器2、分束片3、电光调制器4、偏振分光棱镜5、λ/4波片6、法布里-玻罗干涉仪7依顺次通过激光光路连接，分束片3和偏振分光棱镜5还通过激光光路分别与第一光电探测器8和第二光电探测器9连接；声光调制器2和电光调制器4通过电缆分别连接有第一驱动源10和第二驱动源11，第一驱动源10外部输入端通过电缆连接有氢钟12，第一光电探测器8上通过电缆依顺次连接有模数转换器13和比较器14，第二驱动源11和第二光电探测器9通过电缆与混频器15相连，混频器15通过低通滤波器16与第一驱动源10的调频端口相连，比较器14的输入端通过电缆连接有十六位数字基准电压源17，比较器14的输出端通过数模转换器18与第一驱动源10的调压端口相连。第一驱动源10和第二驱动源11均为信号发生器，第一驱动源10输出的正弦波的频率能够达到300MHz，输出功率能够达到2W；第二驱动源11输出的正弦波的频率能够达到20MHz，输出幅度能够达到100V。

激光频率的稳定方法包括以下步骤：

1）获取激光通过声光调制器2的一级衍射光；

2）将获取的一级衍射光通过电光调制器4，使激光产生两个频率边带，即通过电光调制器4的激光含有三个频率成分，载波角频率ω、高频成分角频率ω+Ω和低频成分角频率ω-Ω，其中Ω为第二驱动源11输出信号的角频率大小；

3）将通过电光调制器4的光经过偏振分光棱镜5和λ/4波片6后射入法布里-玻罗干涉仪7；

4）用第二光电探测器9探测激光进入法布里-玻罗干涉仪7的反射光强信号作为频率误差信号；

5）将第二光电探测器9探测到的频率误差信号与第二驱动源11的频率振荡信号用混频器15进行混频；

6）将混频器15输出的信号经过低通滤波器16得到频率的纠偏信号；

7）将频率的纠偏信号分为频率段为1kHz到1MHz的频率纠偏信号和1kHz以下的频率纠偏信号分别作为快环和慢环通过电缆分别反馈到声光调制器2和激光器1，从而实现激光频率锁定在法布里-玻罗干涉仪7上。

激光功率的稳定方法包括以下步骤：

1）氢钟12产生标准10MHz频率信号，将产生的标准10MHz频率信号通过电缆输入到第一驱动源10的外部频率参考输入端；

2）获取激光通过声光调制器2的一级衍射光；

3）将获取的一级衍射光通过分束片3分出一部分射入第一光电探测器8用于稳定激光功率；

4）将第一光电探测器8探测到的电压信号通过电缆输入到模数转换器13，模数转换器13将其转换为数字信号，十六位数字基准电压源17发出十六位数字基准电压；

5）将从模数转换器13输出的数字信号与十六位数字基准电压一同送入比较器14比较，从而获得激光功率的电压纠偏信号；

6）将获得的电压纠偏信号送入数模转换器18，数模转换器18将其转化为模拟信号；

7）数模转换器18将转化的模拟信号经过电缆输入到第一驱动源10的外部调压端口，从而改变第一驱动源10的输出信号电压大小；

8）第一驱动源10将步骤6和步骤7中产生的电压信号输入到声光调制器2的驱动端口从而实现激光功率的稳定。

频率为ω₀的激光经过电光调制器之后，其频率被射频频率Ω (通常为5-20MHz)调制，在载波频率(carrier frequency) ω₀两边产生两个频率分别为ω₀-Ω和ω₀+Ω的边带，这两个边带的幅度一致但相位相反，在调制频率大于参考腔的线宽的情况下，如果将载波频率调于腔的谐振频率，则载波可以耦合到腔里面，而边带不能耦合到腔中。从腔反射回来的信号利用光电二极管或者光电倍增管接收，当激光的载波频率与参考腔的谐振频率完全匹配时，从腔反射回来的边带幅度相等但是相位相反，造成的结果是光电二极管输出的光电流不包含频率为Ω的成分。如果激光频率和腔的谐振频率有一定的失谐，记为Δω，那么反射回来的两个边带的幅度并不相消，这时候光电二极管输出的电流信号中就包含频率为Ω的成分，该成分的幅度与Δω成正比，该信号经过滤波之后和本机振荡(Local oscillator, 频率为Ω)的信号送入混频器混频，混频器的输出信号的幅度和Δω成正比，这个信号就是误差信号，该信号中包含高频(一般为MHz量级)和低频（小于1kHz）部分，其中高频部分的误差信号送入激光器的电流源直接控制激光二极管的注入电流，而低频部分反馈到激光器光栅的PZT，控制光栅的角度。利用这种方法，激光器能够锁定的范围为两个调制边带的所包含的频率范围，例如调制频率为10MHz，那么锁定的范围就是中心频率左右各10MHz。

本实用新型的工作原理是这样的，基本思想是利用一个声光调制器2和一个电光调制器4。对于激光频率的稳定，我们利用法布里-玻罗干涉仪7的高精细度光学谐振腔实现对激光频率的锁定，通过偏振分光棱镜5获得光学谐振腔的反射信号，用第二光电探测器9接收后和第二驱动源11发出的频率信号进行混频，经过低通滤波得到频率的纠偏信号分为频率段为1kHz到1MHz的频率纠偏信号和1kHz以下的频率纠偏信号作为快环和慢环分别反馈给第一驱动源10的调频端口和激光器1电路控制盒的外部锁定输入端，从而实现激光的频率稳定。对于功率稳定，将氢钟信号作为稳定的频率参考输入到第一驱动源10的外部频率参考输入端，由于声光调制器2的1级衍射光的频率取决于声光调制器2的驱动频率，因此，只要保证第一驱动源10的输出频率准确性和稳定性，就可以保证声光调制器2的1激光的频率准确性和稳定性，从而使声光调制器2的1级衍射光的频率精确并保持稳定，我们利用声光调制器2的1级衍射光作为激光功率稳定的待稳光。由于声光调制器2的1级衍射光的功率取决于声光调制器2的驱动功率，即第一驱动源10的输出功率，因此通过调节第一驱动源10的输出功率，就可以调节声光调制器2的1级衍射光的功率。将通过声光调制器2的1级衍射光用一个分束片3进行分光，由于分束片3不具备偏振选择性，因此激光经过分束片3之后的透射光和反射光的功率比恒定，不会随着激光偏振的变化而变化。利用第一光电探测器8进行探测，将光信号转化成电压信号，再将电压信号经过模数转换器13转换为数字信号，该数字信号与一个十六位的数字基准电压进行比较，得到电压纠偏信号后再通过数字模拟转换器18转换为模拟信号并反馈到第一驱动源10的调压端口，从而调节声光调制器2的1级衍射光效率，这样就可以将激光功率稳定在我们想要的功率值。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种激光频率和功率的稳定装置，其特征在于包括激光器、声光调制器、电光调制器、偏振分光棱镜、λ/4波片、法布里-玻罗干涉仪依顺次通过激光光路连接，偏振分光棱镜还通过激光光路与第二光电探测器连接；声光调制器和电光调制器通过电缆分别连接有第一驱动源和第二驱动源，第二驱动源和第二光电探测器通过电缆与混频器相连，混频器通过低通滤波器与第一驱动源相连。

2.根据权利要求1所述的激光频率和功率的稳定装置，其特征在于还包括氢钟、分束片、第一光电探测器、模数转换器、比较器、十六位数字基准电压源和数模转换器，分束片通过激光光路设置在声光调制器和电光调制器之间，分束片还通过激光光路与第一光电探测器相连，第一光电探测器上通过电缆依顺次连接有模数转换器和比较器，比较器的输入端通过电缆连接有十六位数字基准电压源，比较器的输出端通过数模转换器与第一驱动源相连，第一驱动源外部输入端通过电缆连接有氢钟。

3.根据权利要求1或2所述的激光频率和功率的稳定装置，其特征在于，所述第一驱动源和第二驱动源均为信号发生器。