饱和吸收谱稳频激光器光路和饱和吸收谱稳频激光器的制作方法

本申请涉及精密仪器领域，特别是涉及饱和吸收谱稳频激光器光路和饱和吸收谱稳频激光器。

背景技术：

高性能、小型化稳频激光器在众多基础科研、精密测量、计量等领域有着重要应用。饱和吸收谱稳频技术可以实现激光器频率锁定于原子、分子的特定跃迁谱线上，不仅可以保证锁定激光器输出激光相对频率的长期稳定性，而且可以实现输出激光具有很高的绝对波长准确性，因此饱和吸收谱稳频激光器可以应用于长度基准、超高精度长度测量等领域。

传统的高性能稳频激光器在实际应用中，为了获取较高的谱线信号的强度，在激光器的光路设计中，通常使用长度较长的气室，因而造成了光路占用面积和体积大，使用不方便的问题。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的高性能稳频激光器在实际应用中，体积大，使用不方便的问题，提供一种饱和吸收谱稳频激光器光路和饱和吸收谱稳频激光器。

一种饱和吸收谱稳频激光器光路，包括：

底座平台；

气室，设置于所述底座平台；

第一偏振分束镜和第一反射镜，顺着激光射入的方向间隔设置于所述底座平台，均位于所述气室的一侧，所述第一偏振分束镜用于将所述激光分束为泵浦光和探测光，所述第一反射镜用于反射所述泵浦光；

第二反射镜和第二偏振分束镜，间隔设置于所述底座平台，并朝向所述气室的激光入口的方向依次设置；

第三反射镜，设置于所述底座平台，并位于所述气室的激光出口；

第四反射镜，设置于所述底座平台，并位于所述第一偏振分束镜和所述第二偏振分束镜之间；

所述泵浦光依次经过所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第二偏振分束镜、所述气室，射向所述第三反射镜，所述泵浦光经过所述第三反射镜反射后再依次经过所述气室、所述第四反射镜、所述第一偏振分束镜输出；

所述探测光从所述第一偏振分束镜射出后，依次经过所述第四反射镜、所述气室射向所述第三反射镜，所述探测光经所述第三反射镜反射后经过所述气室、所述第二偏振分束镜射向探测器，其中，所述泵浦光和所述探测光在所述气室内的光路重合，方向相反。

在一个实施例中，还包括：

第一半波片，设置于所述第一偏振分束镜远离所述第一反射镜的一侧，用于调节射向所述述第一偏振分束镜的所述泵浦光和所述探测光的功率比例。

在一个实施例中，还包括光隔离器，设置于所述第一偏振分束镜远离所述第一反射镜的一侧，用于隔离所述激光反射光。

在一个实施例中，还包括：

第一反射镜调节架，所述第一反射镜设置于所述第一反射镜调节架；

第二反射镜调节架，所述第二反射镜设置于所述第二反射镜调节架。

一种饱和吸收谱稳频激光器，包括所述的饱和吸收谱稳频激光器光路，还包括激光发射器，设置于所述底座平台，并位于所述第一偏振分束镜远离所述第一反射镜的一侧，用于向所述第一偏振分束镜发射所述激光。

在一个实施例中，还包括：

所述探测器，设置于所述底座平台，并位于所述第二偏振分束镜远离所述第一偏振分束镜的一侧。

在一个实施例中，所述气室中填充碘蒸气。

在一个实施例中，所述激光发射器选自分散式反馈半导体激光二极管。

一种饱和吸收谱稳频激光器光路，包括：

底座平台；

气室，设置于所述底座平台；

第三偏振分束镜、第一偏振分束镜和第一反射镜，顺着激光射入的方向间隔设置于所述底座平台，且均位于所述气室的同一侧，射向所述第三偏振分束镜的激光部分通过所述第三偏振分束镜射向所述第一偏振分束镜，并在所述第一偏振分束镜将所述激光分束为泵浦光和探测光；部分激光从所述第三偏振分束镜输出。

第二反射镜和第二偏振分束镜，间隔设置于所述底座平台，并朝向所述气室的激光入口的方向依次设置；

第三反射镜，设置于所述底座平台，并位于所述气室的激光出口；

第四反射镜，设置于所述底座平台，并位于所述第一偏振分束镜和所述第二偏振分束镜之间；

所述泵浦光依次经过所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第二偏振分束镜、所述气室射向所述第三反射镜，所述泵浦光经过所述第三反射镜反射后，经过所述气室、所述第四反射镜、所述第一偏振分束镜、从所述第三偏振分束镜输出；

所述探测光从所述第一偏振分束镜射出后依次经过所述第四反射镜、所述气室射向所述第三反射镜，所述探测光经所述第三反射镜反射后通过所述气室、所述第二偏振分束镜射向探测器，其中，所述泵浦光和所述探测光在所述气室内的光路重合。

在一个实施例中，还包括第一半波片，设置于所述第一偏振分束镜和所述第三偏振分束镜之间。

在一个实施例中，还包括第二半波片，设置于所述第三偏振分束镜远离所述第一偏振分束镜的一侧，用于调节所述泵浦光和所述探测光的功率比例。

一种饱和吸收谱稳频激光器，包括所述的饱和吸收谱稳频激光器光路，还包括激光发射器，设置于所述底座平台，并位于所述第三偏振分束镜远离所述第一反射镜的一侧，用于向所述第一偏振分束镜发射所述激光。

在一个实施例中，还包括

所述探测器，设置于所述底座平台，并位于所述第二偏振分束镜远离所述第一偏振分束镜的一侧。

在一个实施例中，还包括连接器，与所述激光发射器电连接，用于连接激光控制器。

本申请实施例提供的饱和吸收谱稳频激光器光路，所述泵浦光依次经过所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第二偏振分束镜、所述气室，射向所述第三反射镜，所述泵浦光经过所述第三反射镜反射后再依次经过所述气室、所述第四反射镜、所述第一偏振分束镜输出。所述探测光依次经过所述第四反射镜、所述气室射向所述第三反射镜，经所述第三反射镜反射后经过所述气室、所述第二偏振分束镜射向探测器。即所述泵浦光和所述探测光在所述气室内都经过两次。且所述泵浦光和所述探测光在气室内的光路路径相同，行进方向相反。因此，增加了所述泵浦光和所述探测光在所述气室内通过的路径长度，进而增加了所述泵浦光和所述探测光与气室内气体的相互作用的时间和路径长度。因而，本实施例中的饱和吸收谱稳频激光器光路，在不减少所述泵浦光和所述探测光在所述气室内行进路径长度的前提下，可以减少所述气室的长度，进而可以减少所述饱和吸收谱稳频激光器光路占用的体积和面积，方便使用。

附图说明

图1为本申请实施例提供的饱和吸收谱稳频激光器光路示意图；

图2为本申请实施例提供的饱和吸收谱稳频激光器示意图；

图3为本申请另一个实施例提供的饱和吸收谱稳频激光器光路示意图；

图4为本申请另一个实施例提供的饱和吸收谱稳频激光器示意图。

附图标记说明：

饱和吸收谱稳频激光器光路10

饱和吸收谱稳频激光器20

饱和吸收谱稳频激光器光路30

饱和吸收谱稳频激光器40

底座平台100

气室110

激光入口112

激光出口114

第一偏振分束镜120

第一反射镜130

第二反射镜140

第二偏振分束镜150

第三反射镜160

第四反射镜170

第一半波片180

光隔离器190

第一反射镜调节架210

第二反射镜调节架220

激光发射器230

探测器240

第三偏振分束镜250

第二半波片260

探测器电路板270

连接器280

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的饱和吸收谱稳频激光器光路和饱和吸收谱稳频激光器进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1，本申请实施例提供一种饱和吸收谱稳频激光器光路10。所述光路包括底座平台100、气室110、第一偏振分束镜120、第一反射镜130、第二反射镜140、第二偏振分束镜150、第三反射镜160和第四反射镜170。所述气室110设置于所述底座平台100。所述第一偏振分束镜120和所述第一反射镜130顺着激光射入的方向间隔设置于所述底座平台100，均位于所述气室110的一侧。所述第一偏振分束镜120用于将所述激光分束为泵浦光和探测光，所述第一反射镜130用于反射所述泵浦光。所述第二反射镜140和所述第二偏振分束镜150间隔设置于所述底座平台100，并朝向所述气室110的激光入口112的方向依次设置。所述第三反射镜160设置于所述底座平台100，并位于所述气室110的激光出口114。所述第四反射镜170设置于所述底座平台100，并位于所述第一偏振分束镜120和所述第二偏振分束镜150之间。

所述泵浦光依次经过所述第一反射镜130、所述第二反射镜140、所述第二偏振分束镜150、所述气室110，射向所述第三反射镜160。所述泵浦光经过所述第三反射镜160反射后再依次经过所述气室110、所述第四反射镜170、所述第一偏振分束镜120输出。所述探测光从所述第一偏振分束镜120射出后，依次经过所述第四反射镜170、所述气室110射向所述第三反射镜160。所述探测光经所述第三反射镜160反射后经过所述气室110、所述第二偏振分束镜150射向探测器240，其中，所述泵浦光和所述探测光在所述气室110内的光路重合，方向相反。

上述实施例中，所述底座平台100可以作为光路零件的支撑平台。所述第一偏振分束镜120可以将激光分为所述泵浦光和所述探测光。所述探测光可以用于激光频率的锁定。通过改变所述激光的频率，可以改变所述探测光的频率，因而可以通过切换所述探测光的频率、经过转换得到饱和吸收谱信号，此时可以将所述激光的频率锁定。此时所述泵浦光的频率为锁定频率，可以为外界使用。

本实施例中，所述第一偏振分束镜120和所述第一反射镜130构成的第一线性光路和所述第二反射镜140、第二偏振分束镜150所述气室110、所述第三反射镜160构成的第二线性光路可以大致平行。所述泵浦光可以经过所述第一线性光路射向所述第二线性光路。然后再经过所述第三反射镜160反射后再依次经过所述气室110、所述第四反射镜170、所述第一偏振分束镜120输出。

所述探测光依次经过所述第四反射镜170、所述气室110射向所述第三反射镜160，经所述第三反射镜160反射后经过所述气室110、所述第二偏振分束镜150射向探测器240。即所述泵浦光和所述探测光在所述气室110内都经过两次。且所述泵浦光和所述探测光在气室110内的光路路径相同，行进方向相反。因此，增加了所述泵浦光和所述探测光在所述气室110内通过的路径长度，进而增加了所述泵浦光和所述探测光与气室110内气体的相互作用的时间和路径长度。因而，本实施例中的饱和吸收谱稳频激光器光路10，在不减少所述泵浦光和所述探测光在所述气室110内行进路径长度的前提下，可以减少所述气室110的长度，进而可以减少所述饱和吸收谱稳频激光器光路10占用的体积和面积，方便使用。

在一个实施例中，所述饱和吸收谱稳频激光器光路10还包括第一半波片180。所述第一半波片180设置于所述第一偏振分束镜120远离所述第一反射镜130的一侧。所述第一半波片180用于调节射向所述述第一偏振分束镜120的所述泵浦光和所述探测光的功率比例。

在一个实施例中，所述饱和吸收谱稳频激光器光路10还包括光隔离器190。所述光隔离器190设置于所述第一偏振分束镜120远离所述第一反射镜130的一侧。所述光隔离器190用于隔离所述激光反射光。经过光隔离器190的激光被所述光隔离器190隔离，无法返回，因此可以保护激光器。

在一个实施例中，所述饱和吸收谱稳频激光器光路10还包括第一反射镜调节架210和第二反射镜调节架220。所述第一反射镜130设置于所述第一反射镜调节架210。所述第二反射镜140设置于所述第二反射镜调节架220。通过所述第一反射镜调节架210和所述第二反射镜调节架220可以分别调节所述第一反射镜130和所述第二反射镜140对激光的反射方向，通过调节所述第一反射镜调节架210和所述第二反射镜调节架220可以使泵浦光和所述探测光在所述气室110内的路径重合。

请参见图2，本申请实施例还提供一种饱和吸收谱稳频激光器20。所述饱和吸收谱稳频激光器20包括上述实施例中的所述饱和吸收谱稳频激光器光路10。所述饱和吸收谱稳频激光器20还包括激光发射器230。所述激光发射器230设置于所述底座平台100，并位于所述第一偏振分束镜120远离所述第一反射镜130的一侧。所述激光发射器230用于向所述第一偏振分束镜120发射所述激光。所述激光发射器230发射的经过所述第一偏振分束镜120分为所述泵浦光和所述探测光。

在一个实施例中，所述饱和吸收谱稳频激光器20还包括所述探测器240。所述探测器240设置于所述底座平台100，并位于所述第二偏振分束镜150远离所述第一偏振分束镜120的一侧。所述探测光在所述探测器240经过电流-电压转化、放大、滤波，获得饱和吸收谱信号，进而可以用于激光频率的锁定。

在一个实施例中，还包括探测器电路板240，与所述探测器240电连接。

在一个实施例中，所述气室110中填充碘蒸气。即所述饱和吸收谱稳频激光器20可以为碘分子谱稳频激光器。饱和吸收谱稳频性能取决于饱和吸收谱信号的信噪比，信号的大小与分子或原子的跃迁速率、参与相互作用的分子或原子个数、激光强度相关。通常，分子或原子的跃迁速率越快，信号越强，但是信号谱线越宽；参与相互作用的粒子越多，信号越强，通过加热气室110的方式可以增加粒子数密度，但会导致谱线碰撞展宽和碰撞频移；激光强度增大，信号也增大，但激光强度达到饱和光强后，信号不再显著增强，但谱线会出现显著功率增宽。对于室温下饱和蒸气压比较高的碱金属，比较容易获得较强的饱和吸收谱信号。但是对于碘分子谱，由于谱线信号比较弱，通常使用较长的吸收泡、较高的激光功率才能获得满意的信号强度。

发明人研究发现，目前633nm碘分子谱稳频激光器，存在体积大、输出功率低等缺陷。传统633nm碘分子谱稳频激光器采用he-ne激光器的体积比较大，同时该类激光器输出功率比较低，通常小于1mw。用于稳频的碘分子气室110长度较长，通常需要几十厘米。本实施例中，由于所述饱和吸收谱稳频激光器光路10中所述气室110的长度较短，且不影响光路的长度，因此可以在获得有效饱和吸收信号强度前提下缩短气室110长度，从而减少所述碘分子谱稳频激光器的体积。

在一个实施例中，所述激光发射器230选自分散式反馈半导体激光二极管。当所述饱和吸收谱稳频激光器为碘分子谱稳频的633nmdfb半导体激光器时，可以采用633nm蝶形封装的dfb半导体激光二极管，输出功率<10mw。

本实施例中，填充碘分子的所述气室110长度约70mm，激光折叠两次穿过所述气室110，使激光与碘分子相互作用长度增长到约140mm。所述dfb半导体激光器输出功率较低，可以将所述探测光功率调到100μw左右，所述dfb半导体激光器绝大部分输出的激光作为泵浦光，进而提高饱和吸收信号强度。因此可以充分利用所述dfb半导体激光器输出的激光，同时还可以保证所述dfb半导体激光器最终输出功率，输出功率大于5mw。本实施例中，激光头外形尺寸约为150mm×95mm×45mm，体积比传统碘稳频氦氖激光器小很多。采用更小体积的反射镜调节架、更小封装的半导体激光器、更短的气室110，可以将激光头尺寸进一步减小。

在一个实施例中，所述气室110内还可以填充碱金属气体，通过碱金属谱，可以半导体激光器或其他类型激光器。

请参见图3，本申请实施例还提供一种饱和吸收谱稳频激光器光路30，所述饱和吸收谱稳频激光器光路30包括底座平台100、气室110、第三偏振分束镜250、第一偏振分束镜120、第一反射镜130、第二反射镜140、第二偏振分束镜150、第三反射镜160和第四反射镜170。所述气室110设置于所述底座平台100。所述第三偏振分束镜250、所述第一偏振分束镜120和所述第一反射镜130顺着激光射入的方向间隔设置于所述底座平台100，且均位于所述气室110的同一侧。射向所述第三偏振分束镜120的激光部分通过所述第三偏振分束镜250射向所述第一偏振分束镜120，并在所述第一偏振分束镜120将所述激光分束为泵浦光和探测光。部分激光从所述第三偏振分束镜250输出，所述第二反射镜140和第二偏振分束镜150间隔设置于所述底座平台100，并朝向所述气室110的激光入口112的方向依次设置。所述第三反射镜160设置于所述底座平台100，并位于所述气室110的激光出口114。所述第四反射镜170设置于所述底座平台100，并位于所述第一偏振分束镜120和所述第二偏振分束镜150之间。

所述泵浦光依次经过所述第一反射镜130、所述第二反射镜140、所述第二偏振分束镜150、所述气室110射向所述第三反射镜160，所述泵浦光经过所述第三反射镜160反射后，经过所述气室110、所述第四反射镜170、所述第一偏振分束镜120、从所述第三偏振分束镜250输出。所述探测光从所述第一偏振分束镜120射出后依次经过所述第四反射镜170、所述气室110射向所述第三反射镜160，所述探测光经所述第三反射镜160反射后通过所述气室110、所述第二偏振分束镜150射向探测器240，其中，所述泵浦光和所述探测光在所述气室110内的光路重合。

本实施例中，所述第三偏振分束镜250作为所述激光的输出端，可以根据需要在所述第一偏振分束镜120远离所述第一反射镜130的一侧线性移动，进而可以改变所述泵浦光的输出位置，同时也方便调节输出激光的角度。当所述激光较强时，在所述激光进入所述第一偏振分束镜120之前，可以先将部分激光通过所述第三偏振分束镜250输出。

本实施例中所述饱和吸收谱稳频激光器光路30具有上述实施例中所述饱和吸收谱稳频激光器光路的优点，这里不再赘述。

在一个实施例中，所述饱和吸收谱稳频激光器光路30还包括第一半波片180。所述第一半波片180设置于所述第一偏振分束镜120和所述第三偏振分束镜250之间。所述第一半波片180可以用于调节所述第一半波片180用于调节射向所述第一偏振分束镜120的所述泵浦光和所述探测光的功率比例。

在一个实施例中，所述饱和吸收谱稳频激光器光路30还包括第二半波片260，所述第二半波片260设置于所述第三偏振分束镜250远离所述第一偏振分束镜120的一侧，用于调节所述泵浦光和所述探测光的功率比例。

通过所述第二半波片260可以将激光分两束，一束经过所述第三偏振分束镜250向外界输出，供外界使用。另一束射向所述第一偏振分束镜120。所述第二半波片260可以用于调节通过所述第三偏振分束镜250向外界输出的激光功率和射向所述第一偏振分束镜120的激光的功率比例。

请参见图4，本申请实施例还提供一种饱和吸收谱稳频激光器40。所述饱和吸收谱稳频激光器40包括所述的饱和吸收谱稳频激光器光路30，还包括激光发射器230，设置于所述底座平台100，并位于所述第三偏振分束镜250远离所述第一反射镜130的一侧，用于向所述第一偏振分束镜120发射所述激光。所述饱和吸收谱稳频激光器40具有上述实施例中所述饱和吸收谱稳频激光器的优点。所述饱和吸收谱稳频激光器40的体积可以显著减小。可以理解，通过所述第三偏振分束镜250可以改变所述激光输出的位置。所述饱和吸收谱稳频激光器40既能够提高有限功率输出激光器的饱和吸收谱探测效率，又可以保证激光最终输出功率。所述饱和吸收谱稳频激光器可以用于碘分子谱、碱金属谱稳频的半导体激光器、nd-yag激光器或he-ne激光器等。

在一个实施例中，所述饱和吸收谱稳频激光器40还包括所述探测器240。所述探测器240设置于所述底座平台100，并位于所述第二偏振分束镜150远离所述第一偏振分束镜120的一侧。

在一个实施例中，所述饱和吸收谱稳频激光器40还包括连接器280。所述连接器280与所述激光发射器230电连接，用于连接激光控制器。所述激光控制器通过所述连接器280可以控制所述激光发射器230。所述激光发射器230为半导体激光二极管时，所述激光控制器可以通过所述连接器280控制所述半导体激光二极管的温度、电流，并利用通过探测器240检测到的饱和吸收谱信号，在所述探测器电路板270上完成电流-电压转化及滤波放大后反馈控制所述激光二极管的电流和温度，实现对所述激光二极管输出激光频率的控制，即稳频。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。