CN208433632U - 单频连续光环形腔倍频系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单频连续光环形腔倍频系统，包括“8”字形环形腔，光电探测器压电陶瓷和激光锁频机构，所述的“8”字形环形腔包括基频光输入端面镜、平面腔镜、凹面腔镜、凹面输出腔镜腔镜，以及设置在凹面腔镜和凹面输出腔镜腔镜光路之间的倍频晶体。本实用新型的激光锁频系统包括光电探测器、锁频装置、示波器、驱动腔镜的压电陶瓷装置组成，光电探测器探测腔内的光学振荡情况，反馈给锁频装置，由锁频装置发出信号传至压电驱动上，进而调节腔长，这样就可形成对光的在线检测和电学反馈，实现对腔长的锁定，保持激光器频率的稳定。

Description

单频连续光环形腔倍频系统

技术领域

本实用新型属于激光器技术领域，具体涉及一种单频连续光环形腔倍频系统。

背景技术

环形激光器具有效率高、结构紧凑、性能稳定、寿命长和全固化等优点，广泛应用于激光雷达、光谱分析、引力波探测、相干通讯和量子光学等领域。

为了获得较为稳定的倍频激光输出，要求外部倍频环形腔的光学长度保持在基频光波的整数倍以达到谐振增强的目的。外界环境的改变以及机械振动等因素会对激光器腔长产生影响，破坏环形腔的谐振状态。

频率锁定的实质是选取一个参考频率作为标准值，当激光频率偏离标准值时对其进行鉴别，产生一个反映这一偏差的误差信号，该误差信号不仅能够指明偏离标准值的量，而且还能指明偏离方向，然后将误差信号转变为执行信号反馈回来，通过控制系统自动调节腔长，就可以使激光工作频率锁定在特定的频率上，频率锁定的关键是获得稳定且信噪比高的误差信号。目前，频率锁定的方法主要有Pound-Drever-Hall(PDH)锁频技术、Hansch-Couillaud(HC)锁频技术等。其中，PDH锁频技术是通过对激光进行频率调制(调制频率约MHz量级)后与外腔相互作用，将入射腔镜的反射信号进行解调，从而获得腔模频率调制光谱的色散信号，这一信号对于锁频位置具有奇函数特征，可以用来作为误差信号。目前针对双波长外腔共振系统的频率锁定的方法主要是PDH锁频技术。Emmanuel等人于2009年在Physics Optics上发表了题为“Solid-state laser system for laser cooling ofSodium”的论文，该工作就是利用PDH锁频技术对双波长外腔共振系统进行频率锁定。PDH锁频技术的优点是具有高的灵敏度和信噪比，缺点则是需要对激光频率进行高频调制，对基频光损耗较大，且需要对信号进行高频探测，过程比较复杂。HC锁频技术是一项基于偏振态检测的误差信号产生技术，主要是通过在腔内放置一个双折射晶体，输入的线偏振光入射到晶体后会沿竖直方向和水平方向进行分解，由于两个方向对应的晶体折射率不同，两者不会同时共振，当竖直偏振方向的光与腔发生共振时，水平方向的光会完全反射，这样反射信号由于腔对两个偏振方向的相移不同，使其偏振态随激光与腔模失谐频率而变化，因此通过对偏振态的检测就可以获得具有奇函数特征的误差信号。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种单频连续光环形腔倍频系统，可保持环形腔的腔长稳定，频率实现锁定。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种单频连续光环形腔倍频系统，包括“8”字形环形腔，光电探测器压电陶瓷和激光锁频机构，所述的“8”字形环形腔包括基频光输入端面镜、平面腔镜、凹面腔镜、凹面输出腔镜腔镜，以及设置在凹面腔镜和凹面输出腔镜腔镜光路之间的倍频晶体，所述的压电陶瓷设置在所述的平面腔镜的背部，所述的光电探测器置于所述的凹面腔镜后方以探测谐振腔的透射光谱并获得反射信号，所述的压电陶瓷与压电驱动器连接，所述的压电驱动器和光电探测器分别连接至激光锁频机构。

在上述技术方案中，包括与所述的激光锁频机构连接的示波器。

在上述技术方案中，所述的频率锁定装置采用PZT压电陶瓷进行腔长控制。

在上述技术方案中，所述的单频连续光的发生机构包括单频激光器、隔离器以及整形系统，所述的整形系统是由依次设置的一个自聚焦透镜、两个正交柱面镜和聚焦透镜组成。

在上述技术方案中，所述的倍频晶体为PPKTP晶体或LBO晶体。

在上述技术方案中，所述的倍频晶体的定位机构包括调整基架，固定设置在调整基架上方的底载板，固定设置在底载板上方的导热载板，以及间隔地固定设置在导热载板上的固定块和活动块，所述的倍频晶体被夹持定位在所述的固定块和活动块间，所述的导热载板底面设置有半导体致冷器，所述的半导体制冷器的制热面与所述的导热载板贴合。

在上述技术方案中，所述的底载板为金属材质，所述的半导体制冷器的制冷面与所述的底载板贴合。

在上述技术方案中，环形腔的端面镜为对1342nm光反射率为98％的腔镜。

在上述技术方案中，所述的单频连续光为1342nm红外光，M²<1.2。

一种所述的单频连续光环形腔倍频系统的频率锁定方法，包括以下步骤，

1)单频连续光耦合进入环形倍频腔内；

2)由激光锁频机构给出扫描信号以反馈到压电驱动器上来改变环形腔的频率，开始扫描腔长，

3)光电探测器探测倍频腔的透射光谱以获得光谱信号，通过光谱信号实时获取扫描腔长时腔内的光功率信息，光电探测器将探测到的光信号转化为电信号输入到锁频装置内，激光锁频机构开启锁定功能；

4)当透射峰光谱受到外部扰动偏离锁定点，由激光锁频机构反馈给PZT，将腔长拉回锁定点，达到重新锁定的状态。

本实用新型的优点和有益效果为：

本实用新型的激光锁频系统包括光电探测器、锁频装置、示波器、驱动腔镜的压电陶瓷装置组成，光电探测器探测腔内的光学振荡情况，反馈给锁频装置，由锁频装置发出信号传至压电驱动上，进而调节腔长，这样就可形成对光的在线检测和电学反馈，实现对腔长的锁定，保持激光器频率的稳定。腔长反馈控制电学系统与环形腔连接，一方面接收光电探测器获得的光信号，另一方面输出调制和控制信号至压电陶瓷端，使环形腔的光学长度恒定于基频激光器波长的整数倍，避免外界环境对谐振状态产生的破坏。从而实现环形腔腔长的精确、稳定、实时的锁定。

附图说明

图1是具有锁频系统的环形激光器的结构示意图。

图2所示为定位支架结构示意图。

图中1.基频激光器 2.隔离器 3.整形系统 4.基频光输入端面镜 5.平面腔镜 6.凹面腔镜 7.凹面输出腔镜腔镜 8.压电陶瓷 PZT 9.压电驱动器 10.示波器 11.激光锁频装置 12.光电探测器。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例一

本实施例的一种单频连续光环形腔倍频系统，包括“8”字形环形腔，光电探测器压电陶瓷和激光锁频机构，所述的“8”字形环形腔包括基频光输入端面镜、平面腔镜、凹面腔镜、凹面输出腔镜腔镜，以及设置在凹面腔镜和凹面输出腔镜腔镜之间的束腰处的倍频晶体，所述的压电陶瓷设置在所述的平面腔镜的背部以受驱动改变腔长，所述的光电探测器置于所述的凹面腔镜后方以探测谐振腔的透射光谱并获得反射信号，所述的压电陶瓷与压电驱动器连接，所述的压电驱动器和光电探测器分别连接至激光锁频机构。即，将光电探测器12置于环形腔的腔镜6后，探测谐振腔的透射光谱以获得反射信号，通过反射信号可以实时获取扫描腔长时腔内的光功率信息。光电探测器12将探测到的光信号转化为电信号输入到锁频装置11内。通过探测腔内光强的光学参量以获得误差信号，经过伺服反馈控制电路处理后驱动腔镜从而实现对腔长的控制和锁定，以保持激光器的长期稳定运行。其中，为实现单频连续光的有效进入，环形腔的端面镜4为对1342nm光反射率为98％的腔镜。

光电探测器通过反射信号可以实时获取扫描腔长时腔内的光功率信息；即探测腔内的光学振荡情况并反馈给锁频装置，由锁频装置11给出扫描信号并发出信号传至压电驱动上，由压电驱动器9驱动压电陶瓷8来改变腔长。形成对光的在线检测和电学反馈，实现对腔长的锁定，保持激光器频率的稳定。谐振腔采用四镜“8”字环形腔结构，由两个平面镜和两个凹面镜组成，这样光束在腔内可形成两个腰斑，分别满足了种子光模式匹配和倍频模式匹配的要求。环形腔为行波腔，利用单频激光在腔内谐振，并且在稳定环形腔内光束环绕一周实现自再现，实现单向运转。

其中，所述的压电陶瓷为PZT，包括与所述的激光锁频机构连接的示波器。通过示波器可以便捷实现在线监控，提高调控的便利性。

其中，所述的单频连续光包括单频激光器1、隔离器2以及整形系统3，基频光源为1342nm红外光。此激光为单频连续光，线宽小于500kHz，光束质量好，M²<1.2，频率可连续调节，频率稳定性高，可以满足腔长锁定对基频光的的基本要求。1342nm基频光经倍频腔内LBO倍频晶体进行二次谐波转换，得到671nm红光。隔离器2置于光路中，可以使基频光正向通过进入环形腔内，而对于返回来的光进行阻断隔离，这样避免了光路中回波对基频种子激光器的干扰和损害。所述的整形系统3是由一自聚焦透镜、两正交柱面镜和聚焦透镜组成。此系统透镜的球差小，收光角大，聚光能力强，可获得较小的聚焦光斑尺寸和合适的工作聚焦长度，使得基频光在空间上注入到环形腔内的高斯光束空间模式要尽可能的与腔本证模的空间模式重合，达到较好模式匹配。

整个系统工作如下：基频激光器1出射的1.1W基频光1342nm光经过隔离器2传输到整形系统3内，由整形系统3整形到约600um光斑大小，使得基频光与环形腔内的本征模的基模一致后，经端面镜4注入到环形腔内，达到模式匹配。环形腔的端面镜4选择对1342nm光反射率为98％的腔镜，使得耦合进腔内的基频光达到最大，以实现腔的阻抗匹配。为了使得基频光注入到腔内的功率保持在最大位置处，需要使腔的腔长稳定在特定的值附近，这就需要对谐振腔进行锁定。在对环形倍频腔实现的锁定基础上，1342nm基频光耦合进入倍频腔内，这样基频光在环形腔内循环一周后与恰好进入腔内时刻的基频光发生多光束干涉，腔内基频光功率因干涉增强效应得到极大提高，形成谐振振荡。放大后的基频光经过倍频晶体13后转化为671nm红光输出。本实用新型的核心为对1342nm基频光注入到外部环形倍频腔内，在对环形腔进行调制锁频锁定基础上，使基频光耦合进入腔内，经倍频晶体倍频产生671nm红光。

实施例二

具体地，为实现对PPKTP晶体的温度控制，所述的PPKTP晶体的定位机构包括调整基架20，固定设置在调整基架上方的底载板21，固定设置在底载板上方的导热载板22，以及间隔地固定设置在导热载板上的固定块23和活动块24，所述的倍频晶体13被夹持定位在所述的固定块和活动块间，所述的导热载板底面设置有半导体致冷器25，所述的半导体制冷器的制热面与所述的导热载板贴合。

其中，所述的固定块由两个螺钉固定在导热载板上，所述的活动块上开设有一个或两个长槽，通过对应的一个或两个螺钉将之可调节地固定在导热载板上，所述的导热载板和固定块以及活动块优选以导热性能佳金属，如铜制成，采用半包围式金属铜的布局，有效提高其温度均衡性，保证其工作状态，优选地，所述的活动块与所述的固定块相邻侧形成有上端面朝向固定块倾斜的斜面，利用该斜面的设计，减少定位固定时的挤压面，而且实现了竖直方向的定位，保证固定稳固性。

优选地，所述的底载板为金属材质，所述的半导体制冷器的制冷面与所述的底载板贴合，制冷面与底载板的贴合，利用底载板的大面积进一步提升换热效果，保证晶体的温度稳定性。

实施例三

根据所述的单频连续光环形腔倍频系统的频率锁定方法，包括以下步骤，

1)单频连续光耦合进入环形倍频腔内；

2)由激光锁频机构11给出扫描信号，以此反馈到压电驱动器上来改变环形腔的频率，开始扫描腔长，该扫描信号即驱动压电驱动器的预定行程动作，

3)光电探测器12探测倍频腔的透射光谱以获得光谱信号，通过光谱信号实时获取扫描腔长时腔内的光功率信息，光电探测器12将探测到的光信号转化为电信号输入到激光锁频机构11内，并由激光激光锁频机构9开启锁定功能，即激光锁频机构通过光电探测器获知倍频状态，当实现倍频时则自动锁定停止压电驱动器动作；同时还可通过示波器直观显示观察。

4)当透射峰光谱受到外部扰动偏离锁定点，由激光锁频机构反馈给PZT，重新驱动压电驱动器将腔长拉回锁定点，达到重新锁定的状态。

通过探测腔内光强的光学参量以获得误差信号，经过伺服反馈控制电路处理后驱动腔镜从而实现对腔长的控制和锁定，以保持激光器的长期稳定运行。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种单频连续光环形腔倍频系统，其特征在于：包括“8”字形环形腔，光电探测器压电陶瓷和激光锁频机构，所述的“8”字形环形腔包括基频光输入端面镜、平面腔镜、凹面腔镜、凹面输出腔镜腔镜，以及设置在凹面腔镜和凹面输出腔镜腔镜光路之间的倍频晶体，所述的压电陶瓷设置在所述的平面腔镜的背部，所述的光电探测器置于所述的凹面腔镜后方以探测谐振腔的透射光谱并获得反射信号，所述的压电陶瓷与压电驱动器连接，所述的压电驱动器和光电探测器分别连接至激光锁频机构。

2.根据权利要求1所述的一种单频连续光环形腔倍频系统，其特征在于：所述的频率锁定装置采用PZT压电陶瓷进行腔长控制。

3.根据权利要求1所述的一种单频连续光环形腔倍频系统，其特征在于：包括与所述的激光锁频机构连接的示波器。

4.根据权利要求1所述的一种单频连续光环形腔倍频系统，其特征在于：单频连续光的发生机构包括单频激光器、隔离器和整形机构，所述的整形系统是由依次设置的一个自聚焦透镜、两个正交柱面镜和聚焦透镜组成。

5.根据权利要求4所述的一种单频连续光环形腔倍频系统，其特征在于：所述的倍频晶体为PPKTP晶体或LBO晶体。

6.根据权利要求5所述的一种单频连续光环形腔倍频系统，其特征在于：所述的倍频晶体的定位机构包括调整基架，固定设置在调整基架上方的底载板，固定设置在底载板上方的导热载板，以及间隔地固定设置在导热载板上的固定块和活动块，所述的倍频晶体被夹持定位在所述的固定块和活动块间，所述的导热载板底面设置有半导体致冷器，所述的半导体制冷器的制热面与所述的导热载板贴合。

7.根据权利要求6所述的一种单频连续光环形腔倍频系统，其特征在于：所述的底载板为金属材质，所述的半导体制冷器的制冷面与所述的底载板贴合。

8.根据权利要求6所述的一种单频连续光环形腔倍频系统，其特征在于：所述的活动块与所述的固定块相邻侧形成有上端面朝向固定块倾斜的斜面。

9.根据权利要求6所述的一种单频连续光环形腔倍频系统，其特征在于：环形腔的端面镜为对1342nm光反射率为98％的腔镜。

10.根据权利要求1所述的一种单频连续光环形腔倍频系统，其特征在于：所述的单频连续光为1342nm红外光，M²<1.2。