专利名称：法珀干涉仪频率稳定性的测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及法珀干涉仪的频率稳定性，特别是一种法珀干涉仪频率稳定性 的测量装置。
背景技术：
随着激光雷达技术的发展，对激光频率的稳定性提出了更高的要求，法珀干涉 仪被广泛用作频率标准来控制和稳定单频激光的频率，其频率稳定性直接决定了激 光频率的稳定性，从而决定了激光雷达的测量精度，所以测量法珀干涉仪频率稳定 性有着重要意义。
现有的测量法珀干涉仪频率稳定性的方法是将稳频激光入射到干涉仪，通过扫 描法珀干涉仪腔长，或者扫描激光的频率，测量自由光谱范围随时间的变化即为干 涉仪频率变化。这种方法对扫描的驱动信号要求较高，并且测量的精度较低。
发明内容
本实用新型专利要解决的问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种法珀干 涉仪频率稳定性的测量装置。
本实用新型的原理是将一单频激光频率锁定在待测的法珀干涉仪上，将另一单 频激光频率锁定在某一原子或分子的吸收谱线上，将该两束激光进行拍频，测量二 者的频差随时间的变化，由于原子或分子吸收谱线的中心频率是不变的，所以频差 变化完全是由待测法珀干涉仪的漂移引起的，由此测量法珀干涉仪的频率稳定性。
本实用新型的技术解决方案如下
一种法珀干涉仪频率稳定性的测量装置，其特点在于由第一激光器、第一分束 片、电光相位调制器、第一透镜、第二透镜、第一偏振分束片、1/4波片、电光相 位调制器驱动源、移相器、混频器、第一高速光电二极管、第二激光器、第二分束
片、第三分束片、气体池、第二高速光电二极管、减法器、第一l/2波片、第二1/2
波片、第三高速光电二极管、全反镜、第二偏振分束片、第四高速光电二极管、频 率计、第一低通滤波器、第一放大器、第二低通滤波器和第二放大器组成，其位置
关系是
第一激光器输出的第一单频激光光束通过第一分束片被分为透射光束和反射光 束，该透射光束通过电光相位调制器被相位调制，然后经过与光束垂直放置的第一
透镜、第二透镜，实现与待测法珀干涉仪模式匹配，经与光束成45。放置的第一偏振 分束片后完全透射，然后垂直入射到1/4波片和待测法珀干涉仪，经待测法珀干涉
仪反射的光信号经过1/4波片后，偏振方向发生旋转，被第一偏振分束片反射后入 射到第一高速光电二极管，光信号转化为电信号后进入混频器，电光相位调制器驱 动源用来驱动电光相位调制器，其输出信号的一部分用做本振信号，该本振信号经 移相器移相后进入混频器并与来自第一高速光电二极管的电信号进行混频，由此产 生的电信号作为鉴频信号，经第一低通滤波器滤除高频信号后的直流信号经第一放 大器放大后反馈到第一激光器，将第一激光器的频率锁定在待测的法珀干涉仪的共 振频率上；
第二激光器输出的第二单频光束的光轴上依次是第二分束片、第三分束片、气 体池和第二高速光电二极管，所述的第二分束片将第二单频光束分成透射光束和反 射光束两部分，该透射光束又被第三分束片分为透射光束和反射光束两部分，该反 射光束入射到第三高速光电二极管，用做差分，消除光强变化带来的影响，透射光 束入射到气体池，气体池的透射光强由第二高速光电二极管探测，信号输入到减法 器，该电信号减去第三高速光电二极管的电信号，产生鉴频信号，经第二低通滤波 器低通滤波后的直流信号经第二放大器放大后反馈到第二激光器的压电陶瓷将第二 激光器的频率锁定在气体池内的原子或分子对应的吸收谱线上；
第一 1/2波片用于调整由第一分束片反射的第一单频激光的反射光束的偏振方 向，全反镜将该光束反射到与该光束反射成45"的第二偏振分束片，并完全透过，第 二 1/2波片用于调整第二分束片反射的第二单频激光束的反射光的偏振方向，使该 光束被与该光束成45。放置的第二偏振分束片完全反射，并与由全反镜的反射光束共 线，垂直入射到第四高速光电二极管上，产生拍频信号，频率计用来探测该拍频信 号频率变化，即为待测法珀干涉仪的频率变化，由此测得待测法珀干涉仪的频率稳 定性。
所述的第一激光器和第二激光器均为单频激光器，并且激光腔镜上粘有压电陶
瓷，通过外加电压于所述的压电陶瓷调节激光频率。
所述的电光相位调制器调制频率应大于待测的法珀干涉仪的线宽。 所述的第一分束片、第二分束片和第三分束片均与光束成45。放置，透射光束
与反射光束的强度比为1:1。
所述的移相器在0"—360"可调，用于补偿本振信号与光电信号的相位差。
所述的第一激光器的频率与待测法珀干涉仪的共振频率相对应。
所述的第二激光器的频率与所述的气体池内的原子或分子某条吸收谱线的频率
相对应。
本实用新型的优点在于
1、采用边频锁定技术将激光频率锁定在待测法珀干涉仪上，该方法稳定度高，
激光频率变化与待测法珀干涉仪的频率变化基本一致。
2、 采用了原子或分子跃迁谱线作为频率标准，稳定度高，测量结果准确。
3、 采用拍频方案，测量方法成熟简单，可以精确反应法珀干涉仪的频率稳定性。
图1为本实用新型法珀干涉仪频率稳定性测量装置结构框图具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一歩说明，但不应以此限制本实用新 型的保护范围。
请参照图1，图1为本实用新型法珀干涉仪频率稳定性测量装置结构框图。图1 中粗实线表示光信号，细实线表示电信号的走向。由图1可见，本实用新型法珀干 涉仪频率稳定性测量装置由第一激光器1，第二激光器13，第一分束片2，第二分 束片14，第三分束片15，第一透镜4，第二透镜5，全反镜22，电光相位调制器3， 电光相位调制器驱动源9，第一偏振分束片6，第二偏振分束片23，第一 1/2波片 19，第二1/2波片20， 1/4波片7，原子或分子气体池16，移相器IO，混频器ll， 第一高速光电二极管12,第二高速光电二极管17，第三高速光电二极管21，第四 高速光电二极管24，减法器18，频率计25，第一低通滤波器26，第一放大器27， 第二低通滤波器28，第二放大器29组成。
其位置关系是第一激光器1的输出光束首先通过第一分束片2，光束被分为两 部分， 一部分用于稳频，另一部分用于拍频。第一分束片2透射光束首先通过电光 相位调制器3，被相位调制。然后经过与光束垂直放置的第一透镜4，第二透镜5， 实现与待测法珀干涉仪8模式匹配。激光经与光束成45"放置的第一偏振分束片6 后完全透射，然后垂直入射到1/4波片7和待测法珀干涉仪8，待测法珀干涉仪8 反射光信号经过l/4波片7后，偏振方向发生旋转，经第一偏振分束片6后反射， 然后入射到第一高速光电二极管12，光信号转化为电信号然后进入混频器ll。电光 相位调制器驱动源9用来驱动电光相位调制器3，其输出信号的一部分用做本振信 号，该本振信号经移相器10移相后进入混频器11，与第一高速光电二极管12的电 信号进行混频，由此产生电信号可作为鉴频信号，经第一低通滤波器26滤除高频信 号，滤波后的直流信号经第一放大器27放大后反馈到第一激光器1，将第一激光器 1的频率锁定在待测法珀干涉仪8的共振频率上。
第二激光器13的输出光束的光轴上依次是第二分束片14，第三分束片15，原 子(分子)气体池16，第二高速光电二极管17。第二分束片14将光束分成两部分， 一部分用做拍频，另一部分用做稳频。第三分束片15将光束分为两部分， 一部分入 射到第三高速光电二极管21，用做差分，消除光强变化带来的影响。透射光束入射
到原子(分子)气体池16,透射光强由第二高速光电二极管17探测，信号输入到 减法器18，该电信号减去第三高速光电二极管21的电信号，产生鉴频信号，经第 二低通滤波器28进行低通滤波滤除高频信号，滤波后的直流信号经第二放大器29 放大，然后反馈到压电陶瓷将第二激光器13的频率锁定在原子(分子)对应吸收谱 线上。
第一 1/2波片19用于调整第一分束片2的反射光的偏振方向，全反镜22将该 光束发射到与其成45"的第二偏振分束片23，并完全透过。第二l/2波片20用于调 整第二分束片14反射光的偏振方向，使该光束被与其成45"放置的第二偏振分束片 23完全反射，并与全反镜22的反射光束共线，垂直入射到第四高速光电二极管24 上，产生拍频信号，频率计25用来探测拍频信号频率。该频率随时间的变化即为待 测法珀干涉仪8的频率变化，由此测得待测法珀干涉仪8的频率稳定性。
本实施例采用的具体器件为所述激光器1和激光器13为连续运转的单纵模激 光器，波长均为532nm，输出光束为线偏振光，并且激光腔镜上粘有压电陶瓷，可 通过外加电压于压电陶瓷调节激光频率。所述的待测法珀干涉仪8，主要应用波长 为532nm，透射谱线宽为2MHz。所述的电光相位调制器3调制频率为30MHz。所 述的气体池16内充满碘分子气体。所述的第一分束片2、第二分束片14和第三分 束片15均与光束成45"放置，透射比与反射比为l:l。所述的移相器10在0'—360" 可调，用于补偿本振信号与光电信号的相位差。所述的第一偏振分束片6和第二偏 振片23均对p偏振光增透，对s偏振光全反。
本实用新型实施例法珀干涉仪频率稳定性测量装置具体过程是
① 第一激光器1输出的光束经第一分束片2被分为两部分，透射光用于稳频， 反射光用于拍频。透射光经过电光相位调制器3进行频率调制后入射到待测法珀干 涉仪8，其反射信号经第一偏振分束片6，入射到第一高速光电二极管12转换为电 信号，该电信号与本振信号混频后产生鉴频信号，经第一低通滤波器26进行低通滤 波然后经第一放大器27放大后，反馈到第一激光器1的压电陶瓷将第一激光器1的 频率锁定在待测法珀干涉仪的共振频率上。
② 第二激光器13输出的第二单频激光光束经第二分束片14被分为两部分，透 射光用于稳频，反射光用于拍频。透射光经过第三分束片15被分为两部分， 一部分 入射到第三高速光电二极管21， 一部分入射到气体池16，透射光入射到第二高速光 电二极管17，第三高速光电二极管21的电信号与第二高速光电二极管17的电信号 输入到减法器18，产生鉴频信号，经第二低通滤波器28进行低通滤波然后经第二 放大器29放大后，反馈到第二激光器13的压电陶瓷将第二激光器13的频率锁定在 碘分子气体的吸收谱线上。
③第一分束片2的反射光束经第一 1/2波片19调节偏振方向后，在第二偏振分 束片23处完全透射。第二分束片14的反射信号经第二 1/2波片20调节偏振方向后， 在第二偏振分束片23处完全反射。第二偏振分束片23的透射光与反射光完全共线 入射到第四高速光电二极管24产生拍频信号，直接由频率计25读出拍频频率，该 频率的变化是由待测法珀干涉仪8频率漂移引起的，由此测得待测法珀干涉仪8的 频率稳定性。
权利要求1、一种法珀干涉仪频率稳定性的测量装置，其特征在于由第一激光器(1)、第一分束片(2)、电光相位调制器(3)、第一透镜(4)、第二透镜(5)、第一偏振分束片(6)、1/4波片(7)、电光相位调制器驱动源(9)、移相器(10)、混频器(11)、第一高速光电二极管(12)、第二激光器(13)、第二分束片(14)、第三分束片(15)、气体池(16)、第二高速光电二极管(17)、减法器(18)、第一1/2波片(19)、第二1/2波片(20)、第三高速光电二极管(21)、全反镜(22)、第二偏振分束片(23)、第四高速光电二极管(24)、频率计(25)、第一低通滤波器(26)、第一放大器(27)、第二低通滤波器(28)和第二放大器(29)组成，其位置关系是第一激光器(1)输出的第一单频激光光束通过第一分束片(2)被分为透射光束和反射光束，该透射光束通过电光相位调制器(3)被相位调制，然后经过与光束垂直放置的第一透镜(4)、第二透镜(5)，实现与待测法珀干涉仪(8)模式匹配，经与光束成45°放置的第一偏振分束片(6)后完全透射，然后垂直入射到1/4波片(7)和待测法珀干涉仪(8)，经待测法珀干涉仪(8)反射的光信号经过1/4波片(7)后，偏振方向发生旋转，被第一偏振分束片(6)反射后入射到第一高速光电二极管(12)，光信号转化为电信号后进入混频器(11)，电光相位调制器驱动源(9)用来驱动电光相位调制器(3)，其输出信号的一部分用做本振信号，该本振信号经移相器(10)移相后进入混频器(11)并与来自第一高速光电二极管(12)的电信号进行混频，由此产生的电信号作为鉴频信号，经第一低通滤波器(26)滤除高频信号后的直流信号经第一放大器(27)放大后反馈到第一激光器(1)，将第一激光器(1)的频率锁定在待测的法珀干涉仪(8)的共振频率上；第二激光器(13)输出的第二单频光束的光轴上依次是第二分束片(14)、第三分束片(15)、气体池(16)和第二高速光电二极管(17)，所述的第二分束片(14)将第二单频光束分成透射光束和反射光束两部分，该透射光束又被第三分束片(15)分为透射光束和反射光束两部分，该反射光束入射到第三高速光电二极管(21)，用做差分，消除光强变化带来的影响，透射光束入射到气体池(16)，气体池(16)的透射光强由第二高速光电二极管(17)探测，信号输入到减法器(18)，该电信号减去第三高速光电二极管(21)的电信号，产生鉴频信号，经第二低通滤波器(28)低通滤波后的直流信号经第二放大器(29)放大后反馈到第二激光器(13)的压电陶瓷将第二激光器(13)的频率锁定在气体池(16)内的原子或分子对应的吸收谱线上；第一1/2波片(19)用于调整第一分束片(2)反射的第一单频激光的反射光束的偏振方向，全反镜(22)将该光束反射到与该光束反射成45°的第二偏振分束片(23)，并完全透过，第二1/2波片(20)用于调整第二分束片(14)反射的第二单频激光束的反射光的偏振方向，使该光束被与该光束成45°放置的第二偏振分束片(23)完全反射，并与由全反镜(22)的反射光束共线，垂直入射到第四高速光电二极管(24)上，产生拍频信号，频率计(25)用来探测该拍频信号频率变化，即为待测法珀干涉仪(8)的频率变化，由此测得待测法珀干涉仪(8)的频率稳定性。
2、 根据权利要求1所述的法珀干涉仪频率稳定性测量装置，其特征在于所述的 第一激光器(1)和第二激光器(13)均为单频激光器，并且激光腔镜上粘有压电陶 瓷，通过外加电压于所述的压电陶瓷调节激光频率。
3、 根据权利要求1所述的法珀干涉仪频率稳定性测量装置，其特征在于所述的 电光相位调制器(3)调制频率应大于待测的法珀干涉仪的线宽。
4、 根据权利要求1所述的法珀干涉仪频率稳定性测量装置，其特征在于所述的 第一分束片(2)、第二分束片(14)和第三分束片(15)均与光束成45"放置，透射 光束与反射光束的强度比为1:1。
5、 根据权利要求1所述的法珀干涉仪频率稳定性测量装置，其特征在于所述的 移相器(10)在0"—360"可调，用于补偿本振信号与光电信号的相位差。
6、 根据权利要求1所述的法珀干涉仪频率稳定性测量装置，其特征在于所述的 第一激光器(1)的频率与待测法珀干涉仪(8)的共振频率相对应。
7、 根据权利要求1至6任一项所述的法珀千涉仪频率稳定性测量装置，其特征 在于所述的第二激光器(13)的频率与所述的气体池(16)内的原子或分子某条吸 收谱线的频率相对应。
专利摘要一种法珀干涉仪频率稳定性的测量装置，由第一激光器、第一分束片、电光相位调制器、第一透镜、第二透镜、第一偏振分束片、1/4波片、电光相位调制器驱动源、移相器、混频器、第一高速光电二极管、第二激光器、第二分束片、第三分束片、气体池、第二高速光电二极管、减法器、第一1/2波片、第二1/2波片、第三高速光电二极管、全反镜、第二偏振分束片、第四高速光电二极管、频率计、第一低通滤波器、第一放大器、第二低通滤波器和第二放大器组成，本实用新型具有测量稳定度高，测量结果准确的特点。
文档编号G01J9/00GK201191235SQ20082005733
公开日2009年2月4日 申请日期2008年4月16日 优先权日2008年4月16日
发明者刘继桥, 军 周, 孙旭涛, 陈卫标 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所