专利名称：Dds声光调制波长锁定装置和波长锁定方法
技术领域：
本发明涉及一种激光器的波长锁定技术，特别是DDS声光调制波长锁定装置和波长锁定 方法。
背景技术：
在通讯、工业和科研的很多领域，都需要精确锁定激光器波长。通常都将可调谐激光器 的输出锁定在某种原子蒸汽的谱线上，例如钠，铷，铟，碘等。 一般通过锁相放大的方法将 激光器锁定在光谱的峰上。首先，将激光器的输出波长进行声频调制，激光透过原子蒸汽时 的吸收谱线上也将叠加上调制信号。然后通过锁相放大技术，检出激光波长与原子谱线之间 的误差，通过反馈电路反馈控制激光器，使得激光器的输出波长始终稳定在原子谱线上。
传统方法对激光器的腔进行调制，使得激光输出波长随之发生调制。这样锁定波长之后， 激光器的输出始终包含声频调制，为了获得较窄的激光线宽，只能减小调制幅度。与此同时， 激光波长与原子谱线之间的误差信号幅度也较小，使得锁定不够稳定。在对激光线宽要求较 高时，便会出现激光线宽与锁定稳定性之间的矛盾。
发明内容
本发明为了解决激光线宽与锁定稳定性之间的这个矛盾，目的是提供一种基于直接数字 合成(DDS)的声光调制波长锁定技术，用来取代传统的激光腔调制波长锁定技术。
本发明提供一种基于直接数字合成(DDS)的声光调制波长锁定技术。在传统方法对激 光器的腔进行调制的基础上，增加一个声光调制器和一个凸透镜，即可实现。光路简洁，易 于调整，增加成本不多；却能够显著压窄激光线宽，并且获得足够的误差信号幅度以实现稳 定锁频；另外，选择不同的声光驱动频率，可以方便地调节激光输出波长与原子谱线频率的 差，还可以实现频率扫描，比直接锁在原子谱线上灵活。因为采用DDS声光调制器，使用数 字控制，便于同数字工控设备协同工作。
本发明提供激光器的波长锁定技术，包括DDS声光调制波长锁定装置和波长锁定方法。
本发明提供DDS声光调制波长锁定装置，(参见附图l)主要由激光器l、分束器2、声 光调制器3、 DDS声光驱动器4、偏振分束器5、凸透镜6、四分之一波片7、反射镜8、原 子蒸汽池9、光电探测器10和锁相放大器11组成，通过激光光路连接，构成DDS声光调制 波长锁定装置的整体，其中锁相放大器11通过同轴电缆分别与光电探测器10、 DDS声光 驱动器4和激光器1相连接，DDS声光驱动器4通过同轴电缆与声光调制器3相连接。
4本发明提供DDS声光调制波长锁定装置，使用了 DDS声光调制器以及调制补偿光路； 所述的激光器1是待锁定的可调谐激光器；所述的分束器2将激光器1输出的激光分出一部 分进入声光调制器3;所述的声光调制器3将输入的激光进行调制，分成'0'级和'r级 输出激光；所述的DDS声光驱动器4用射频信号驱动声光调制器3，其输出频率等于声光调 制器3中的声子频率；所述的偏振分束器5按照偏振方向让激光透射或者反射；所述的凸透 镜6距离声光调制器3的光程等于凸透镜6的焦距，从声光调制器3射出的激光通过凸透镜 6后都变成平行光；补偿声光调制器3输出的'l'级激光因为不同的调制频率引起的偏转角 的变化；使得级激光始终可以被反射镜8垂直反射，并原路返回，形成入射光和反射光 同光路反方向传播，在原子蒸汽池9中产生饱和吸收效应；所述的四分之一波片7将从偏振 分束器5射来的水平线偏振激光变成左旋圆偏振，并将从反射镜8反射回来的右旋圆偏振的 反射激光变成竖直线偏振；所述的反射镜8将从偏振分束器5反射来的激光垂直地反射回去； 所述的原子蒸汽池9装了用来观测原子谱线的原子蒸汽；与原子谱线共振的激光在原子蒸汽 池9中将会被吸收，对射的两束激光在原子蒸汽池9内会出现饱和吸收效应；所述的光电探 测器10放置在凸透镜6的焦点处，观测透过原子蒸汽池9的激光，将光强信号转化为电信号；
所述的锁相放大器11将调制信号送入DDS声光驱动器4，通过锁相放大技术检出激光波长 与原子谱线之间的误差，并将此误差反馈给激光器l。
本发明所述的声光调制器3的输出'0'级和4'级激光，'0'级输出激光频率和方向 都不变，'r级输出激光频率增加一个声子频率，方向偏转且偏转角的正切为声子频率与激 光频率之比。
本发明所述的从声光调制器3输出的激光在偏振分束器5上反射，从反射镜8反射回来 的激光在偏振分束器5上透射。
本发明DDS声光调制波长锁定装置的波长锁定方法是激光器1出射的激光经过分束器 2，大部分透射输出，小部分反射至声光调制器3。 DDS声光驱动器4通过同轴电缆连接至声 光调制器3，驱动声光调制器3工作。声光调制器3出射出'0'级和级激光。声光调 制器3出射的'T级激光射至偏振分束器5，被完全反射至凸透镜6激光依次透过凸透镜6 和原子蒸汽池9后，通过四分之一波片7变成左旋圆偏振光，再由反射镜8垂直反射，原路 返回。激光反向透过四分之一波片7时，变成竖直线偏振光，并反向透射过原子蒸汽池9， 与正向射来的激光形成对射，产生饱和吸收效应，获得消多普勒展宽的超精细结构能级的光 谱。激光反向透射过原子蒸汽池9后再透过凸透镜6)进入偏振分束器5，因为偏振的缘故， 回射激光将完全透过偏振分束器5，并射入光电探测器10转换为电信号。光电探测器10通过同轴电缆将电信号送入锁相放大器11。锁相放大器11将调制信号通过同轴电缆送入DDS 声光驱动器4，并将处理后的误差信号通过同轴电缆反馈给激光器1。
本发明所述的激光器1是待锁定的输出波长可调谐的激光器，受到外部电压信号的控制， 改变其谐振腔的特性，可在一定范围内调谐输出激光的波长。
本发明所述的分束器2，是一种可将激光分成两束的光学元件，较强的一束作为输出， 较弱的一束作为探测光，用来检测激光波长。
本发明所述的声光调制器3，通过换能器将输入的驱动射频信号转换成为超声波，施加 在声光晶体上，形成声学光栅。入射的激光通过光栅后将发生衍射。'0'级衍射光波长和传 输方向不变；'r级衍射光频率增加一个声子频率，方向偏转且偏转角的正切为声子频率与 激光频率之比。本发明利用'r级衍射光。
本发明所述的DDS声光驱动器4，直接使用全数字的方式直接合成所需的频率和幅度的 波形，再放大功率驱动声光调制器3。接受锁相放大器ll的调制信号，进行同步的变频。通 过这种方式在激光的原子吸收光谱上叠加上锁相放大器11的调制信号。
本发明所述的偏振分束器5，可使水平偏振的激光完全透射，竖直偏振的激光完全反射。
本发明所述的凸透镜6，使得任何通过其焦点的光变成平行其主轴的光。
本发明所述的四分之一波片7放置成长轴与水平方向成45度，可将水平线偏振的激光变 成左旋圆偏振，同时也可以将反向传输地右旋圆偏振光变成竖直线偏振光。
本发明所述的反射镜8，将入射的激光垂直地原路反射回去，并且左旋圆偏振变成右旋 圆偏振。
本发明所述的原子蒸汽池9，是一个玻璃制成的空泡，内部充有用于观测原子谱线的气体。
本发明所述的光电探测器10，使用光电二极管构成，可以将光强信号转换为电信号。射 入的光越强，电信号也越强。
本发明所述的锁相放大器ll，是一种通用的低噪声检测仪器。它将调制信号加入到待测 信号中去，然后通过相关检测将与调制信号同步的信号解调出来。这种工作机理使得它可以 检测强噪声环境下的微弱交流信号的强度和相位。在本发明中，当探测光的波长比原子跃迁 谱线长时，锁相放大器ll输出电压为正，使得激光器l输出波长向短波方向移动；当探测光 的波长比原子跃迁谱线短时，锁相放大器ll输出电压为负，使得激光器l输出波长向长波方 向移动。通过这种反馈使得探测光波长稳定在原子跃迁谱线上。
本发明所提供的DDS声光调制波长锁定技术的机理是将激光器1的输出分出一小部分作为探测光，使用DDS声光驱动器4驱动的声光调制器3对探测光进行调频，该调频与锁相 放大器ll的调制信号同步。对调频之后的探测光做原子蒸汽池9的饱和吸收光谱，并由放置 于一倍焦距处的凸透镜6补偿声光调制器3调频时产生的探测光的角度偏转。经饱和吸收的 探测光进入光电探测器10转换为电信号，再由与之相连的锁相放大器11作锁相放大处理， 产生探测光波长与原子吸收谱线之间的误差信号。用该误差信号反馈到激光器1补偿激光器 的波长漂移。
本发明所提供的DDS声光调制波长锁定技术不直接调制激光器的输出波长，因此能够显 著压窄激光器的输出激光线宽；能够获得足够的误差信号幅度以实现稳定锁频；光路简洁， 易于调整，增加成本不多；选择不同的声光驱动频率，可以方便地调节激光输出波长与原子 谱线频率的差，还可以实现频率扫描，比直接锁在原子谱线上灵活；采用DDS声光调制器， 锁定的频率稳定性好，优于一般的压控振荡器；采用数字式调频，灵活方便，便于同数字工 控设备协同工作。
附图1是DDS声光调制波长锁定装置的示意图
具体实施例方式
实施实例1:
参见附图l， DDS声光调制波长锁定的装置主要由激光器1、分束器2、声光调制器3、 DDS声光驱动器4、偏振分束器5、凸透镜6、四分之一波片7、反射镜8、原子蒸汽池9、 光电探测器10和锁相放大器11组成。
所述的激光器1是待锁定的可调谐激光器；本实施实例使用的是一台Sachar公司生产的 Lynx型外腔式半导体激光器。输出功率约150mW，输出波长范围为776nm到795nm，中心 波长设置在780.1 nm，连续可调协范围大于20GHz。在连续调谐范围内，该激光器可通过外 部控制电压来调谐输出激光波长，电压升高向短波方向移动，电压降低向长波方向移动。
所述的分束器2将激光器1输出的激光分出约lmW进入声光调制器3。
所述的声光调制器3将输入的激光进行调制，并分成'0'级和'l'级输出激光。'0' 级输出激光频率方向都不变，'T级输出激光频率增加一个声子频率，方向偏转且偏转角的 正切为声子频率与激光频率之比。本发明使用的是Crystal Technology公司的3080—122型声 光调制器。
所述的DDS声光驱动器4用射频信号驱动声光调制器3，其输出频率等于声光调制器3 中的声子频率。本实施实例的DDS声光驱动器，其输出中心频率为72MHz，调频幅度为2MHz。当锁相放大器11的调制信号为高电平时，DDS声光驱动器4的输出为74MHz;当锁相放大 器11的调制信号为低电平时，DDS声光驱动器4的输出为70MHz。
所述的偏振分束器5可以按照偏振方向让激光透射或者反射。从声光调制器3输出的激 光将在偏振分束器5上反射，而从反射镜8反射回来的激光将在偏振分束器5上透射。
所述的凸透镜6距离声光调制器3的光程刚好等于凸透镜6的焦距，从声光调制器3射 出的激光通过凸透镜6后都将变成平行光。这样就能补偿声光调制器3输出的'l'级激光因 为不同的调制频率引起的偏转角的变化。使得'l'级激光始终可以被反射镜8垂直反射，并 原路返回，形成入射光和反射光同光路反方向传播，在原子蒸汽池9中产生饱和吸收效应。
所述的四分之一波片7将从偏振分束器5射来的水平线偏振激光变成左旋圆偏振，并将 从反射镜8反射回来的右旋圆偏振的反射激光变成竖直线偏振。
所述的反射镜8将从偏振分束器5反射来的激光垂直地反射回去。
所述的原子蒸汽池9装了用来观测原子谱线的稀薄的铷蒸气。对射的两束激光在原子蒸 汽池9内会出现饱和吸收效应，能获得消多普勒展宽的超精细结构能级的光谱。铷原子的D2 跃迁在780.1nm处，超精细结构能级的自然线宽为6MHz。
所述的光电探测器10也放置在凸透镜6的焦点处，观测透过原子蒸汽池9的激光，将光 强信号转化为电信号。本实施实例使用的硅光电二极管作为光电探测器10。
所述的锁相放大器11将调制信号送入DDS声光驱动器4，通过锁相放大技术检出激光 波长与原子谱线之间的误差，并将此误差反馈给激光器1。锁相放大器11调制频率为lOKHz， 调制波形为方波。
权利要求
1、一种DDS声光调制波长锁定装置，主要由激光器(1)、分束器(2)、声光调制器(3)、DDS声光驱动器(4)、偏振分束器(5)、凸透镜(6)、四分之一波片(7)、反射镜(8)、原子蒸汽池(9)、光电探测器(10)和锁相放大器(11)组成，其特征是通过激光光路连接，构成DDS声光调制波长锁定装置的整体，其中锁相放大器(11)通过同轴电缆分别与光电探测器(10)、DDS声光驱动器(4)和激光器(1)相连接，DDS声光驱动器(4)通过同轴电缆与声光调制器(3)相连接。
2、 根据权利要求1所述的DDS声光调制波长锁定装置，其特征是所述装置使用了 DDS 调制器以及调制补偿光路；所述的激光器(1)是待锁定的可调谐激光器；所述的分束器(2)将激光器(1)输出的激光分出部分进入声光调制器(3);所述的声光调制器(3) 将输入的激光进行调制，分成'0'级和级输出激光；所述的DDS声光驱动器(4) 用射频信号驱动声光调制器(3)，其输出频率等于声光调制器(3)中的声子频率；所述 的偏振分束器(5)按照偏振方向让激光透射或者反射；所述的凸透镜(6)距离声光调制器(3)的光程等于凸透镜(6)的焦距，从声光调制器(3)射出的激光通过凸透镜(6) 后都将变成平行光，补偿声光调制器(3)输出的l级激光因为不同的调制频率引起的偏 转角的变化；使得'l'级激光始终被反射镜(8)垂直反射，并原路返回，形成入射光 和反射光同光路反方向传播，在原子蒸汽池(9)中产生饱和吸收效应；所述的四分之一 波片(7)将从偏振分束器(5)射来的水平线偏振激光变成左旋圆偏振激光，并将从反 射镜(8)反射回来的右旋圆偏振的反射激光变成竖直线偏振；所述的反射镜(8)将从 偏振分束器(5)反射来的激光垂直地反射回去；所述的原子蒸汽池(9)装了用来观测 原子谱线的原子蒸汽，与原子谱线共振的激光在原子蒸汽池(9)中将被吸收；对射的两 束激光在原子蒸汽池(9)内出现饱和吸收效应；所述的光电探测器(10)放置在凸透镜 (6)的焦点处，观测透过原子蒸汽池(9)的激光，将光强信号转化为电信号；所述的锁相放大器(11)将调制信号送入DDS声光驱动器(4),通过锁相放大技术检出激光波长与原子谱线之间的误差，并将此误差反馈给激光器(1)。
3、 根据权利要求2所述的DDS声光调制波长锁定装置，其特征是声光调制器(3)的输 出'0'级和级激光，'0'级输出激光频率和方向都不变，'l'级输出激光频率增 加一个声子频率，方向偏转且偏转角的正切为声子频率与激光频率之比。
4、 根据权利要求2所述的DDS声光调制波长锁定装置，其特征是从声光调制器(3)输出的激光将在偏振分束器(5)上反射，从反射镜(8)反射回来的激光将在偏振分束器 (5)上透射。
5、 根据权利要求2所述的DDS声光调制波长锁定装置，其特征是:所述的四分之一波片(7)， 放置成长轴与水平方向成45度。
6、 根据权利要求1所述的DDS声光调制波长锁定装置，其特征是原子蒸汽池(9)是一 个玻璃制成的空泡，内部充有用于观测原子谱线的气体。
7、 权利要求1所述装置的波长锁定方法，其特征是激光器(1)出射的激光经过分束器(2)， 大部分透射输出，小部分反射至声光调制器(3); DDS声光驱动器(4)通过同轴电缆连 接至声光调制器(3),驱动声光调制器(3)工作；声光调制器(3)发射出'0，级和'l' 级激光；声光调制器(3)出射的'1'级激光射至偏振分束器(5)，被完全反射至凸透 镜(6);激光依次透过凸透镜(6)和原子蒸汽池(9)后，通过四分之一波片(7)变成 左旋圆偏振光，再由反射镜(8)垂直反射，原路返回；激光反向透过四分之一波片(7) 时，变成竖直线偏振光，并反向透射过原子蒸汽池(9)，与正向射来的激光形成对射，产生饱和吸收效应，获得消多普勒展宽的超精细结构能级的光谱；激光反向透射过原子蒸汽池(9)后再透过凸透镜(6)，进入偏振分束器(5)，因为偏振的缘故，回射激光将 完全透过偏振分束器(5)，并射入光电探测器(10)转换为电信号；光电探测器(10) 通过同轴电缆将电信号送入锁相放大器(11);锁相放大器(11)将调制信号通过同轴电 缆送入DDS声光驱动器(4)，通过锁相放大技术检出激光波长与原子谱线之间的误差， 并将处理后的误差信号通过同轴电缆反馈给激光器(1)。
8、 根据权利要求7所述装置的波长锁定方法，其特征是所述锁相放大技术，当探测光的 波长比原子跃迁谱线长时，锁相放大器(11)输出电压为正，使得激光器(1)输出波长 向短波方向移动；当探测光的波长比原子跃迁谱线短时，锁相放大器(11)输出电压为 负，使得激光器(1)输出波长向长波方向移动；使得探测光波长稳定在原子跃迁谱线上。
全文摘要
一种DDS声光调制波长锁定装置和波长锁定方法。在传统方法对激光器的腔进行调制的基础上，增加一个声光调制器和一个凸透镜，即可实现。光路简洁，易于调整，能够显著压窄激光线宽，并且获得足够的误差信号幅度以实现稳定锁频；采用DDS声光调制器，锁定的频率稳定性好，优于一般的压控振荡器；采用数字式调频，灵活方便，便于同数字工控设备协同工作。
文档编号H01S3/13GK101442179SQ200810163008
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月2日 优先权日2008年12月2日
发明者璋 张, 徐云飞, 强 林, 王兆英 申请人:浙江大学