CN210693007U - 一种抑制激光器单频相位噪声的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种抑制激光器单频相位噪声的系统，其包括：激光器，用于产生激光光束；光隔离器，输出第一激光光束，以隔离第一激光光束返回激光器；相位噪声抑制模块，用于消除第一激光光束的单频相位噪声，并输出第二激光光束；PDH稳频模块，通过将第二激光光束进行边带调制处理和共振锁定处理，以输出频率误差信号；第一伺服回路模块，用于对频率误差信号进行运算，以输出频率调节信号；激光控制器，用于输出控制信号以控制激光器，并根据频率调节信号对控制信号进行调节，以纠正激光器频率误差，并使激光器输出稳频激光。通过本实用新型公开的抑制激光器相位噪声的系统可有效抑制激光器的相位噪声。

Description

一种抑制激光器单频相位噪声的系统

技术领域

本实用新型涉及激光噪声领域，尤其是一种抑制激光器单频相位噪声的系统。

背景技术

自上世纪60年代激光器诞生以来，激光器相关技术迅速发展。由于激光具有良好的单色性、长的相干时间以及好的方向性，在科研和工业领域都得到了广泛的应用。在一些光谱实验中，如光谱探测、光频标、量子计算等领域对激光器的性能也提出了更高的要求，包括窄线宽，单纵模等。但是在使用过程中发现，激光器出射的激光并不是理想的单频振荡，而是存在着噪声，即在频率、相位和幅度上发生随机涨落。噪声的存在对于很多研究领域如原子钟、量子计算、光学传感、相干通信以及引力波探测等来说，会产生负面影响。所以激光噪声的抑制有着重要意义。

激光器的噪声包括光功率噪声和相位噪声，其中抑制相位噪声的方法比较常用的有：1.将激光器的频率锁定到原子吸收谱；2.将激光器锁定到一个稳定的光学谐振腔。在这两种方法的基础上，激光的线宽已经能被压窄到mHz量级水平，当线宽压窄到一定程度时，某些噪声成分会被体现出来。在钛宝石激光器等激光类型中，会用到标准具来稳定输出激光的频率，其中需要调制标准具的长度，这类调制信号引起的噪声具有单一频率，幅度超过一般噪声，对精密光谱实验具有较大的影响。实验发现，上述噪声抑制技术对于噪声的抑制效果都不理想。

对于激光的相位噪声的测量，目前主要有如下方法：对于线宽在兆赫兹量级以上的激光，可采用扫描F-P干涉仪的方法进行测量。而对于线宽更窄的激光测量的方法一般有三种：一种方法是通过将两台频率和性能接近的激光器进行光外差混频，将光频信号变换到电学频段。两台激光器只能估计激光的线宽；要测量噪声频谱需要三台激光器进行两两拍频，通过相关分析可以获知各个激光器的频谱成分。多台激光器的方案代价较高，不适合一般实验室的情况。第二种方法是通过延时自拍频技术来实现的。该方法主要有利用长光纤、光纤环以及基于迈克尔逊干涉仪的延时自拍频等技术来进行激光噪声的测量。这种方法对于环境的影响比较敏感。对于噪声的抑制，目前可行的方案较少，一种是在光学谐振腔稳频技术的基础上利用光学谐振腔的透射光进行注入锁定，并进一步进行光放大的方法来实现激光的输出。由于超稳腔透射功率通常不大，这种方法需要采用多级放大的结构，较为复杂。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的是提供一种抑制激光器单频相位噪声的系统。

本实用新型所采用的技术方案是：

第一方面，本实用新型提供一种抑制激光器单频相位噪声的系统，包括：

激光器，用于产生激光光束；

光隔离器，允许所述激光光束单向输入，并输出第一激光光束，以隔离所述第一激光光束返回所述激光器；

相位噪声抑制模块，用于消除所述第一激光光束的单频相位噪声，并输出第二激光光束；

PDH(Pound-Drever-Hall)稳频模块，通过将所述第二激光光束进行边带调制处理和共振锁定处理，以输出频率误差信号；

第一伺服回路模块，用于对所述频率误差信号进行运算，以输出频率调节信号；

激光控制器，用于输出控制信号以控制所述激光器，并根据所述频率调节信号对所述控制信号进行调节，以纠正所述激光器频率误差，并使所述激光器输出稳频激光。

进一步地，所述相位噪声抑制模块与所述激光控制器电连接，以采集所述激光控制器的控制信号作为源信号输出。

进一步地，所述相位噪声抑制模块包括：

噪声采样电路模块，用于对所述第一激光光束的单频相位噪声进行采集，并输出源信号；

调幅移相放大模块，用于将所述源信号进行调幅和移相，以输出相位误差信号；

锁相放大电路模块，与所述PDH稳频模块电连接，用于将所述PDH稳频模块输出的所述频率误差信号和所述噪声采样电路模块输出的所述源信号进行锁相放大并运算，以输出幅度误差信号；

第一混频器，用于将所述相位误差信号和所述幅度误差信号进行混频，以输出纠偏信号；

第一电光调制器，根据所述纠偏信号对所述光隔离器输出的第一激光光束进行反相位调制，以消除所述第一激光光束的单频相位噪声，并输出第二激光光束输出。

进一步地，所述相位噪声抑制模块还包括：

第一光电探测器，用于探测所述第二激光光束，以获取强度信号；

频谱分析仪，与所述PDH稳频模块电连接，用于将所述PDH稳频模块输出的所述频率误差信号与所述第一光电探测器探测的强度信号进行分析，并获取所述第二激光光束的相位噪声谱。

进一步地，所述PDH稳频模块包括：

调制信号发生器，用于产生频率调制信号；

第二电光调制器，由所述频率调制信号驱动，对所述第二激光光束进行调制，使所述第二激光光束携带边带信号成为第三激光光束输出；

超稳腔，由所述第三激光光束入射，经腔内多光束共振，反射输出第四激光光束；

第二光电探测器，用于探测所述第四激光光束，以获取干涉信号；

第二混频器，用于将所述调制信号发生器产生的所述频率调制信号和所述第二光电探测器探测的所述干涉信号进行混频处理，以获取所述频率误差信号输出。

进一步地，所述PDH稳频模块还包括：

1/2波片，用于调节所述第三激光光束的线偏振方向；

偏振分束镜，用于对入射其上的第三激光光束和第四激光光束进行偏振分束，使第三激光光束发生透射，并使第四激光光束发生反射；

1/4波片，置于所述超稳腔和所述偏振分束镜之间，用于调节第三激光光束和第四激光光束的偏振状态，以使调节前的所述第三激光光束与调节后的所述第四激光光束偏振垂直。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过采用利用PDH稳频的误差信号输入频谱分析仪用以观察相位噪声谱，通过将调制源信号移相注入第一电光调制器进行反相位调制以抑制相位噪声。

另外，本实用新型还通过采用同时通过锁相放大模块提取出相位噪声幅度信号作为误差信号以抑制相位噪声幅度的变化。利用光电探测器来探测出射光信号输入频谱分析仪来观察幅度噪声谱。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例一种抑制激光器单频相位噪声系统的结构示意图。

附图标记说明

名称	标号	名称	标号
				激光器	1	激光控制器	2
光隔离器	3	第一伺服回路模块	4
				PDH稳频模块	5	相位噪声抑制模块	6
调制信号发生器	51	第二电光调制器	52
				超稳腔	53	第二光电探测器	54
第二混频器	55	1/2波片	56
				偏振分束镜	57	1/4波片	58
噪声采样电路模块	61	调幅移相放大模块	62
				锁相放大电路模块	63	第一混频器	64
第一电光调制器	65	第一电光探测器	66
				频谱分析仪	67	第一激光光束	11
第二激光光束	12	第三激光光束	13
				第四激光光束	14

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1，图1为本实用新型实施例的结构示意图。本实用新型实施例提供一种抑制激光器单频相位噪声的系统，其包括：激光器1，用于产生激光光束；光隔离器3，允许所述激光光束单向输入，并输出第一激光光束11，以隔离所述第一激光光束11返回所述激光器1；相位噪声抑制模块6，用于消除所述第一激光光束11的单频相位噪声，并输出第二激光光束12；PDH(Pound-Drever-Hall)稳频模块5，通过将输入的所述第二激光光束12进行边带调制处理和共振锁定处理，输出频率误差信号；第一伺服回路模块4，用于对所述频率误差信号进行运算，以输出频率调节信号；激光控制器2，与所述PDH稳频模块电连接，用于输出控制信号以控制激光器1，并根据频率调节信号对控制信号进行调节，以纠正激光器1频率误差，并使激光器1输出稳频激光。

其中相位噪声抑制模块6与激光控制器2电连接，以采集激光控制器2的控制信号作为源信号输出。

相位噪声抑制模块6包括：噪声采样电路模块61，用于对第一激光光束11的单频相位噪声进行采集，并输出源信号；调幅移相放大模块62，用于将源信号进行调幅和移相，以输出相位误差信号；锁相放大电路模块63，用于将PDH稳频模块5输出的频率误差信号和噪声采样电路模块61输出的源信号进行锁相放大并运算，以输出幅度误差信号；第一混频器64，用于将相位误差信号和幅度误差信号进行混频，以输出纠偏信号；第一电光调制器65，根据纠偏信号对光隔离器3输出的第一激光光束11进行反相位调制，以消除第一激光光束11的单频相位噪声，并输出第二激光光束12输出。

相位噪声抑制模块6还包括：第一光电探测器66，用于探测第二激光光束12，以获取强度信号；频谱分析仪67，与PDH稳频模块5电连接，用于将PDH稳频模块5输出的频率误差信号与第一光电探测器66探测的强度信号进行分析，并获取第二激光光束12的相位噪声谱。

上述PDH稳频模块5包括：调制信号发生器51，用于产生频率调制信号；第二电光调制器52，由频率调制信号驱动，对所述第二激光光束12进行调制，使第二激光光束12携带边带信号成为第三激光光束13输出；超稳腔53，由第三激光光束13入射，经腔内多光束共振，反射输出第四激光光束14；第二光电探测器54，用于探测第四激光光束14，以获取干涉信号；第二混频器55，用于将调制信号发生器51产生的频率调制信号和第二光电探测器54探测的干涉信号进行混频处理，以获取频率误差信号输出。

上述PDH稳频模块还包括：1/2波片56，用于调节第三激光光束13的线偏振方向；偏振分束镜57，用于对入射其上的第三激光光束13和第四激光光束14进行偏振分束，使第三激光光束13发生透射，并使第四激光光束14发生反射；1/4波片58，置于超稳腔53和偏振分束镜57之间，用于调节第三激光光束13和第四激光光束14的偏振状态，以使调节前的第三激光光束13与调节后的第四激光光束14偏振垂直。

通过第二电光调制器52以对第二激光光束12进行调制，使第三激光光束13除了携带有相位噪音外，还增边带信号。

通过由激光器控制器2获得噪声源，可避免使用锁相环。

通过频谱分析仪67分析第一光电探测器66所接收到的强度信号，当使用调幅移相放大模块62进行反调制时，边带信号随着调节变化，幅度直至为0，如果幅度变化，锁相位放大模块则产生误差反馈信号，并通过第二伺服回路模块将误差反馈信号输送至第一混频器64以对反相位调制的幅度进行反馈控制。

第一混频器64将相位误差信号及幅度误差信号进行混频处理以形成纠偏信号并传送至第一电光调制器65，以调节第一激光光束11。通过控制调幅移相放大模块62的调节参数，以使调制信号与噪声信号等幅反相，以消除激光光束中的相位噪声。

在其他实施例中可利用温控，加偏置电压等方法抑制第一电光调制器65的剩余幅度调制噪声。

在利用第一电光调制器65对相位噪音进行反相位调制的过程中，要进行相位匹配和幅度匹配。相位匹配通过前馈手段实现，幅度匹配通过负反馈来实现。请再参阅图1，含有相位噪声的激光光束在经过隔离器后，它的入射光可由下式表示

E_inc＝E_oe^{i(ωt+βsinΩt)} (1)

其中E₀是激光的电场强度，ω为激光载波的频率，Ω边带噪声的频率(它来源于激光器内部的频率调制，为本实施例中主要抑制的噪声)，β为噪声调制深度。

在消除相位噪声的开始阶段，由于没有获得良好的相位误差信号、幅度误差信号，故不对相位噪声进行抑制，第一电光调制器65不对第一激光光束11进行调制。

当带有相位噪声的第二激光光束22经过第二电光调制器52后，第二激光光束22除了本身带有的相位噪声外，还会增加第二电光调制器52所调制出的边带信号，以用于PDH稳频，该边带一般的频率是5MHz到几十兆赫兹，此时激光光束波动的表达式为

其中β₂是频率调制深度，Ω₂为第二电光调制器52的调制频率，所调制的两个边带的相位相反。第三激光光束13经过偏振分束镜57之后，第三激光光束13入射至超稳腔53，并在超稳腔53中发生振荡且部分反射沿着原光路返回。经由超稳腔53振荡后反射的光束与未进入超稳腔53直接反射的光束发生干涉以形成相干光并被第二光电探测器54接收。

以下对于超稳腔53中第三激光光束13反射前后变化的公式说明，若第三激光光束14入射前的电场为E_oe^iωt，第四激光光束14出射的电场为E₁e^iωt，则有反射系数

r是超稳腔53中的腔镜的反射系数，Δv_fsr为超稳腔53的自由光谱程。而经过第二电光调制器调制52的第三激光光束13进入超稳腔的激光电场由式(2)的1阶展开得到

其中未进入超稳腔53直接反射的光束与进入超稳腔53后反射出来的发生干涉所形成的干涉光的电场为

通过第二光电探测器55可探测总反射光束形成的干涉光的光场，探测到的是其光强，

除去第二光电探测器54无法响应的光频段，其中探测电流的频率成分会包括Ω、Ω₂、Ω₂+Ω、Ω₂-Ω、2Ω以及2Ω₂等。

此外，由于激光器1的相位噪声主要位于是低频段的，即满足Ω₂>>Ω。在PDH稳频阶段，通过第二混频器54将第二光电探测器55的信号与电光调制器的调制信号混频以形成混频信号，并通过低通滤波器(图未示)对混频信号进行滤波，上述混频信号通过低通滤波器之后，高频成分被滤除，只留下远小于Ω₂的频率成分。因此光电流中频率成分在Ω₂邻近如Ω₂、Ω₂+Ω、Ω₂-Ω频率成分为目标频率，它们通过与频率为Ω₂的调制信号源进行混频并滤除高频信号，得到用于PDH稳频的误差信号。其中第二光电探测器54探测到的与噪声调制β有关的电流信号成分为：

激光光束位于谐振腔时，上式中(Ω₂-Ω)和(Ω₂+Ω)成分的幅度是相等的，选择最优相位φ，将信号与sin[Ω₂t+φ]混频并进行低通滤波，将解调出Ω成分的信号。在其它条件稳定的情况下通过频谱分析仪分析Ω成分的幅度，它正比于相位噪声的大小J₁[β]。

如图1所示，通过噪声采样电路模块61从激光器1提取出含有调制的噪声信号Ω的源信号F*sin(Ωt+φ)，并分别传输至调幅移相放大电路模块62以及锁相放大器(图未示)。通过调幅移相放大电路模块62调节源信号，并藉由第一混频器64作用于第一电光调制器65，以直接反向调制激光光束，将相位噪声边带消除。通过频谱分析仪67查看含有Ω的信号，调节第一电光调制器67的相位和幅度，使得频谱分析仪51上的Ω信号减小，可抑制相位噪声。其中相位匹配通过前馈手段实现，幅度匹配通过负反馈来实现。

源信号F*sin(Ωt+φ)被传输至锁相放大电路模块63的A通道，第二混频器55所产生的混频信号中的D*sinΩt注入锁相放大电路模块63的B通道，当相位噪声减小后，D数值会较小；当相位噪声变大，D产生变化，该变化可通过锁相放大模块提取出来，并注入第一混频器64的另一端，通过调节第一电光调制器65的调制大小以补偿噪声的幅度改变。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种抑制激光器单频相位噪声的系统，其特征在于，包括：

激光器，用于产生激光光束；

光隔离器，允许所述激光光束单向输入，并输出第一激光光束，以隔离所述第一激光光束返回所述激光器；

相位噪声抑制模块，用于消除所述第一激光光束的单频相位噪声，并输出第二激光光束；

PDH(Pound-Drever-Hall)稳频模块，用于对所述第二激光光束进行边带调制处理和共振锁定处理，以输出频率误差信号；

第一伺服回路模块，用于对所述频率误差信号进行运算，以输出频率调节信号；

激光控制器，用于输出控制信号以控制所述激光器，并根据所述频率调节信号对所述控制信号进行调节，以纠正所述激光器频率误差，并使所述激光器输出稳频激光。

2.根据权利要求1所述的抑制激光器单频相位噪声的系统，其特征在于，所述相位噪声抑制模块与所述激光控制器电连接，以采集所述激光控制器的控制信号作为源信号输出。

3.根据权利要求1所述的抑制激光器单频相位噪声的系统，其特征在于，所述相位噪声抑制模块包括：

噪声采样电路模块，用于对所述第一激光光束的单频相位噪声进行采集，并输出源信号；

调幅移相放大模块，用于将所述源信号进行调幅和移相，以输出相位误差信号；

锁相放大电路模块，与所述PDH稳频模块电连接，用于将所述PDH稳频模块输出的所述频率误差信号和所述噪声采样电路模块输出的所述源信号进行锁相放大并运算，以输出幅度误差信号；

第一混频器，用于将所述相位误差信号和所述幅度误差信号进行混频，以输出纠偏信号；

第一电光调制器，根据所述纠偏信号对所述光隔离器输出的第一激光光束进行反相位调制，以消除所述第一激光光束的单频相位噪声，并输出第二激光光束输出。

4.根据权利要求3所述的抑制激光器单频相位噪声的系统，其特征在于，所述相位噪声抑制模块还包括：

第一光电探测器，用于探测所述第二激光光束，以获取强度信号；

频谱分析仪，与所述PDH稳频模块电连接，用于将所述PDH稳频模块输出的所述频率误差信号与所述第一光电探测器探测的强度信号进行分析，并获取所述第二激光光束的相位噪声谱。

5.根据权利要求1所述的抑制激光器单频相位噪声的系统，其特征在于，所述PDH稳频模块包括：

调制信号发生器，用于产生频率调制信号；

第二电光调制器，由所述频率调制信号驱动，对所述第二激光光束进行调制，以使所述第二激光光束携带边带信号成为第三激光光束输出；

超稳腔，由所述第三激光光束入射，经腔内多光束共振，反射输出第四激光光束；

第二光电探测器，用于探测所述第四激光光束，以获取干涉信号；

第二混频器，用于将所述调制信号发生器产生的所述频率调制信号和所述第二光电探测器探测的所述干涉信号进行混频处理，以获取频率误差信号输出。

6.根据权利要求5所述的抑制激光器单频相位噪声的系统，其特征在于，所述PDH稳频模块还包括：

1/2波片，用于调节所述第三激光光束的线偏振方向；

偏振分束镜，用于对入射其上的第三激光光束和第四激光光束进行偏振分束，以使第三激光光束发生透射，并使第四激光光束发生反射；

1/4波片，置于所述超稳腔和所述偏振分束镜之间，用于调节第三激光光束和第四激光光束的偏振状态，以使调节前的所述第三激光光束与调节后的所述第四激光光束偏振垂直。

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