一种激光稳频实现方法
【专利摘要】本发明提供一种激光稳频实现方法，其包括：步骤1，利用单块双波长激光器输出532nm激光；步骤2，利用所述碘饱和吸收稳频装置对所述532nm激光进行判断处理，如果532nm激光的频率偏离所述碘饱和吸收稳频装置的参考频率，则所述碘饱和吸收稳频装置产生反馈信号，并将该反馈信号发送给伺服控制装置，执行步骤3；如果所述532nm激光的频率在所述参考频率上，则已经实现激光稳频，无需处理；步骤3，利用所述伺服控制装置根据反馈信号调节所述单块双波长激光器的腔长，使所述532nm激光的频率在所述参考频率上。本发明使激光器频率的稳定性和复现性得到了很大提高。
【专利说明】一种激光稳频实现方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光稳频【技术领域】，尤其涉及一种激光稳频实现方法。
【背景技术】
[0002]自从人们利用甲烷吸收线来稳定激光频率后，激光稳频的研究进入了一个新阶 段，频率稳定度很快就达到了 io_n?IO-12量级。随着研究的深入，人们发现了更多可被利 用的谱线和稳频方法。碘分子是简单的双原子分子，在(500?650)nm的可见光波段约有 5000条吸收谱线，特别是在532nm附近，碘分子有上百条的强吸收谱线。由于532nm的碘吸 收跃迁为基态吸收，吸收系数大，谱线宽度比633nm更窄，从而使饱和吸收谱线的信噪比很 闻。
[0003]在激光波长(频率)标准中，光学频率的稳定是将作为光源的激光器发出激光束 的光学频率，稳定在作为自然基准的特定粒子的适当跃迁上。这些特定粒子有原子、离子和 分子。在这些可选的粒子中，相比较而言，原子或离子频标具有更高的频率稳定度，但技术 复杂，耗资巨大，研究周期长，装置庞大。而以分子的振转跃迁中的超精细成分作为自然基 准而实现的分子频标的激光频率(波长)稳定装置，尽管其长期频率稳定度低于原子或离 子频标，但是结构相对简单，耗资较少，较易实现，较易小型化，并且具有极好的短期频率稳 定度。
【发明内容】
[0004]为解决上述问题，本发明提供一种激光稳频实现方法，其能产生波长具有严格倍 数关系的1064nm、532nm稳定激光，可对光栅型光谱的波长线性度进行校准。其获得的 532nm绿稳频激光具有波长稳定性好、线宽窄等特点，进而实现对光谱仪短波长波段的波长 指标校准。本发明使激光器频率的稳定性和复现性得到了很大提高。
[0005]本发明的激光稳频实现方法包括:
[0006]步骤1，利用单块双波长激光器输出532nm激光，所述532nm激光入射到碘饱和吸 收稳频装置，其中，所述单块双波长激光器为双波长输出，一个波长是单频1064nm激光，另 一个波长是将所述单频1064nm激光单次通过PPKTP倍频晶体而产生的532nm激光；
[0007]步骤2，利用所述碘饱和吸收稳频装置对所述532nm激光进行判断处理，如果 532nm激光的频率偏离所述碘饱和吸收稳频装置的参考频率，则所述碘饱和吸收稳频装置 产生反馈信号，并将该反馈信号发送给伺服控制装置，执行步骤3 ;如果所述532nm激光的 频率在所述参考频率上，则已经实现激光稳频，无需处理；
[0008]步骤3，利用所述伺服控制装置根据反馈信号调节所述单块双波长激光器的腔长， 使所述532nm激光的频率在所述参考频率上。
[0009]进一步的，所述步骤I包括:
[0010]步骤11，将单块双波长激光器的半导体激光二极管发射的808nm激光经偏振合束 棱镜合光后入射到密封单块谐振腔中，激励键合单块晶体产生1064nm激光；[0011]步骤12，利用第一分束棱镜对808nm激光透射，对1064nm激光反射，透射的808nm 激光经第二分束棱镜透射后，使用光电反馈噪声抑制电路，进行激光强度噪声的抑制；反射 的1064nm激光经第二分束棱镜反射后，使用\ /4波片作偏振态调整，然后经聚焦透镜进入 PPKTP倍频晶体，产生532nm激光，倍频后的光束经过准直透镜进行准直和调整光束的空间 分布形状；
[0012]步骤13，利用第三分束棱镜对1064nm的激光透射，对532nm倍频光反射，将532nm 倍频光和1064nm基频光在空间上分开。
[0013]进一步的，所述步骤2包括:
[0014]步骤21，将532nm激光经入/ 4波片和透镜进行空间偏振态调整后分为偏振方向 相互垂直的两束光，其中一束激光为泵浦光利用所述碘饱和吸收稳频装置的电光调制器进 行调制，另一束激光为探测光不进行调制；
[0015]步骤22，将两束光同向或反向进入所述碘饱和吸收稳频装置的碘室，在碘室中，两 束光产生非线性四波混频，实现边带由调制光束向未调制光束的转移；
[0016]步骤23，将所述探测光和产生的边带导入光电差分探测器中，通过双平衡混频器 解调并与本振信号混频，得到误差信号，该误差信号经过伺服控制电路装置，分为快环部分 和慢环部分；
[0017]步骤24，利用快环部分反馈控制激光器单块谐振腔上的压电陶瓷，通过改变应力 从而改变激光器单块谐振腔的腔长，调整单块激光的输出频率，实现单块激光器快速小范 围的跟踪与锁定，将慢环部分反馈在单块谐振腔的控温系统上，通过改变单块谐振腔的温 度改变激光的谐振频率，实现激光频率的锁定；
[0018]步骤25，伺服控制装置同时采用快环反馈的快速跟踪特性和慢环反馈的锁定特 性，最终实现将激光器的频率稳定在参考频率上。
[0019]本发明的有益效果在于:
[0020]本发明的碘分子饱和吸收及光外差调制转移光谱稳频相对于兰姆凹陷双频稳频、 塞曼效应双频稳频、无源腔稳频、线性吸收调频光谱稳频等其它稳频方法优势明显，由于消 除了多普勒展宽，使吸收线中心处形成的凹陷很窄而且很稳定，将532nm激光频率稳频在 该参考点上，使激光器频率的稳定性和复现性得到了很大提高。
[0021]本发明采用单块双波长固体激光器技术和碘分子饱和吸收及光外差调制转移光 谱稳频技术，将532nm激光频率稳定到碘分子跃迁谱线的自然基准上，误差反馈信号使单 块双波长固体激光器得到稳频，其输出的1064nm稳频激光单次通过PPKTP倍频晶体后，获 得稳定的532nm绿稳频激光。
[0022]本发明的532nm稳频激光具有波长稳定性好、线宽窄等特点，进而实现对光谱仪 短波长波段的波长指标校准。产生波长具有严格倍数关系的1064nm、532nm稳定激光，可对 光栅型光谱的波长线性度进行校准。
[0023]本发明实现了碘稳频激光波长标准装置的小型化，性能稳定、结构紧凑、抗干扰能 力强，其稳频部分的光路尺寸为27X12Xllcm3，其Is的频率稳定度优于3X 10_12，三个月 的频率稳定度优于2X10_1(I。
【专利附图】
【附图说明】[0024]图1是本发明的532nm激光标准波长产生总体流程示意图；
[0025]图2是本发明的单块双波长激光器产生532nm、1064nm双波长激光的流程示意 图；
[0026]图3是本发明的碘分子饱和吸收及光外差调制转移光谱稳频原理示意图；
[0027]图4是本发明的碘分子R(56)32-0的a1(l分量的调制转移光谱曲线；
[0028]图5是本发明的小型化碘稳频激光装置稳频部分的光路结构图。
【具体实施方式】
[0029]532nm绿激光标准波长产生的总体流程示意图如图1所示:
[0030]单块双波长固体激光器输出的532nm激光入射到碘分子饱和吸收稳频系统，稳频 系统提供一个频率稳定的参考频率，如果532nm激光的频率偏离该参考频率，稳频系统会 产生反馈信号，该反馈信号通过伺服控制系统，调节单块激光器的腔长，使532nm激光频率 稳定在稳频系统提供的参考频率上，保证532nm激光频率的稳定。由于该532nm激光是由 单块激光谐振腔输出的1064nm激光单次通过PPKTP倍频晶体得到，所以上述稳频过程同时 也保证了 1064nm激光频率的稳定。单块双波长固体激光器输出的稳定的1064nm激光单次 通过PPKTP倍频晶体得到稳定的532nm绿激光输出。
[0031]单块固体激光器是一种非常巧妙的构思，它集单向环形腔优良的单模特性与单块 腔极好的稳定性于一身构造而成。自单块固体激光器从出现之后，似乎就与固体激光频标 结下了不解之缘。该激光器的线宽或频率噪声小于几十千赫，具有几十个吉赫的大跨度频 率调谐和(5?10)GHz的单频不跳模连续频率调谐范围，其方向性和光束空间特征接近衍 射极限，具有杰出的对音频或机械振动噪声的抑制能力，可产生瓦级的优质单频输出功率， 特别是它具有优良的开环频率和功率稳定性。采用噪声压缩技术后，其强度噪声水平可降 低到接近量子噪声极限，特别适合于光频标和对激光频谱质量及噪声、光束的时间和空间 稳定性、频率控制和调谐范围等有较高要求的各种领域。
[0032]单块固体激光器为双波长输出，其中一个波长是稳定的单频1064nm红外激光，另 一个波长是将上述单频1064nm激光单次通过PPKTP倍频晶体而产生的532nm倍频光。单 块固体激光器的光路系统如图2所示，808nm半导体激光二极管A、B发射的激光经PBS (偏 振合束棱镜)合光后入射到密封单块谐振腔中，激励键合Nd =YAG单块晶体，产生1064nm近 红外激光。BSl (分束棱镜)对808nm泵浦光高透射，对1064nm激光高反射。经BS2 (分束 棱镜)透射的1064nm激光入射到噪声抑制单元中，使用光电反馈噪声抑制电路，实现激光 强度噪声的有效抑制。经BS2反射的1064nm激光经过入/4波片作偏振态调整后，经过聚 焦透镜Lens3进入PPKTP倍频晶体，倍频后的光束经过准直透镜Lens4进行准直和调整光 束的空间分布形状。BS3 (分束棱镜)对1064nm的激光高透射，对532nm倍频光高反射，它 用于将532nm倍频光和1064nm基频光在空间上分开，从而分别输出，其中532nm倍频光入 射到碘分子吸收稳频系统，用于将532nm激光频率锁定到碘分子R(56)32_0超精细结构中 的a1(l分量频率上进行稳频；另外的1064nm基频光入射到PPKTP倍频晶体中，用于产生高稳 定输出的532nm倍频光。
[0033]环境温度变化、机械振动等外界干扰对激光频率稳定性影响很大，因而，最直接的 稳频方法就是恒温、防震、密闭隔声、稳定电源等。然而，由于激光频率对环境影响的极端敏感，即使采取严格的措施，自由运转的激光器频率稳定性和复现性也不能达到10_8量级。为 了进一步改善频率稳定性和复现性，必须使用电子伺服系统对激光器进行自动控制，即主 动稳频的方法。在保持折射率不变的情况下，稳频技术的实质就是保持谐振腔光学长度的 稳定。主动稳频需要选取一个稳定的参考频率，当外界影响使激光频率偏离特定的参考频 率时，可以通过频率鉴别，由电子伺服系统自动调节腔长，将激光频率回复到特定的参考频 率而达到稳频的目的。
[0034]激光稳频的基本原理:将激光器的频率锁定在某个极其稳定的参考频率上，如: 原子或者分子的高稳定的特征跃迁谱线或者已经锁定的激光器等。通过光电探测器得到误 差信号，一旦频率偏移参考频率时，则会将此信号通过PI (比例-积分)伺服电路处理产生 反馈信号，反馈信号控制激光器的电流以及谐振腔腔镜上的压电陶瓷，从而将激光器的频 率稳定到参考频率上。
[0035]目前激光主动稳频的方法包括兰姆凹陷双频稳频、塞曼效应双频稳频、无源腔稳 频、线性吸收调频光谱稳频、饱和吸收调制转移光谱稳频等。兰姆凹陷双频稳频和塞曼效应 双频稳频都是以激光器本身原子跃迁的增益曲线的中心频率作为参考标准频率，但是该中 心频率易受到放电条件和压力位移等因素的影响，其稳定度不高，且线宽也比较宽，限制了 稳频精度的提闻。
[0036]背景噪声的存在会大大限制对微弱吸收信号的测量，从而影响检测灵敏度的提 高。背景噪声的频谱一般在低频段，所以采用调制器对激光频率进行高频调制就可以抑制 这种低频背景噪声。经过频率调制后的激光束通过吸收物质以后，其吸收线的强度也是受 到相同频率调制的，于是可用相敏检波等方法进行检测。与直接检测投射光强相比，频率调 制方法至少可以将检测灵敏度提高约100倍。线性吸收调频光谱稳频是利用外界参考频率 进行稳频，虽然检测灵敏度得到了很大提高，也提高了激光的稳定度，但是由于吸收谱线的 多普勒展宽效应，仍然限制了稳频精度的进一步提高。所以，为了提高激光器的频率稳定性 和复现性，应采用饱和吸收调制转移光谱稳频技术。
[0037]为了进一步提高频率的长期稳定性和复现性的关键是如何选择一个稳定的和线 宽尽可能窄的参考频率。碘的饱和吸收稳频恰恰符合这一要求，由于采用碘的吸收谱线作 为参考频率提高了频率稳定性，而且由于碘室的气压很低，吸收线的碰撞展宽和吸收中心 频率的压力位移都很小，最重要的是用两束同向(反向)重合的激光产生饱和效应，消除了 多普勒展宽，使吸收线中心处形成的凹陷很窄而且很稳定。以此作为稳频的参考点，可使频 率的稳定性和复现性有很大的提闻。
[0038]光外差调制转移光谱技术就是一束通过光学相位调制器的调制光束与原先未经 调制的光束同时作用于非线性介质时，由于近简并四波混频过程，会在原先未经调制的光 束中产生新的边带，也就是说对光束的调制从调制光束转移到原先未经调制的光束。当后 者被一个快速光电探测器探测时，就会产生光外差拍频信号，该拍频信号的幅度和位相反 映了激光束与介质的非线性相互作用。光外差调制转移光谱技术可以产生信噪比极高的窄 吸收峰信号，它只受信号自身的基本扰动所限制。它可以提供非常对称而纯净的谐振信号， 因此将激光锁定到量子吸收谐振谱线中，可达到前所未有的准确度。
[0039]在采用饱和吸收光外差调制转移光谱稳频技术实现的稳频系统中，强光(称为饱 和光束)作为泵浦光，与其同轴、平行、同向(或反向)传播的探测光束对碘的饱和吸收信号进行探测。由于四波混频作用，泵浦光上的频率调制信号转移到用于检测误差信号的弱 探测光上(调制转移光谱法)。双平衡混频器把探测到的信号与经过移相的本振信号进行 混频，可得到比线性吸收谱线更窄的吸收或色散信号，从而用于更精确地锁定激光频率。由 于该方法将激光频率锁定在无多普勒展宽的碘分子超精细谱线上，因而能够实现高精度的 激光稳频，频率稳定度优于10_14量级。
[0040]碘分子饱和吸收及光外差调制转移光谱稳频原理流程示意图如图3所示:532nm 激光经过\ / 4波片和透镜实现空间偏振态调整后，由PBSl分为偏振方向相互垂直的两 束光，其中一束激光(泵浦光)经过电光调制器对激光进行调制，另一束激光(探测光)未 进行调制，两束光同向(或反向)进入碘室，通过控温装置保持碘室温度稳定，在碘室中，两 束光产生非线性四波混频，实现边带由调制光束向未调制光束的转移。未调制光束和新产 生的边带经PBS3导入光电差分探测器(DET)，通过双平衡混频器解调并与本振信号混频， 得到误差信号。该误差信号经过伺服控制电路系统，分为快慢环路两部分。快环部分反馈 控制激光器单块谐振腔上的压电陶瓷，通过改变应力从而改变激光器单块谐振腔的腔长， 调整单块激光的输出频率，实现单块激光器快速小范围的跟踪与锁定。慢环部分反馈在单 块谐振腔的控温系统上，通过改变单块谐振腔的温度改变激光的谐振频率，从而实现激光 频率的大范围的锁定。伺服控制系统同时采用快环反馈的快速跟踪特性和慢环反馈的大范 围锁定特性，最终实现将激光器的频率稳定在参考频率为碘分子R (56) 32-0超精细结构中 的a1(l分量的频率上。碘分子R(56)32-0的a1(l分量的调制转移光谱曲线如图4所示。
[0041]在532nm波长附近，碘分子存在着下能级为基态的强吸收谱线，这种强吸收的存 在使得有可能降低碘室冷指温度到低于零下10摄氏度，相当于碘分子的蒸汽压降到IPa以 下。对于激光频率的稳定和计量而言，这种低的压力意味着碰撞引入的压力加宽和位移的 减小。在这种低的压力下，一方面有可能使用更小的激光功率，而更小功率的使用可以降低 功率加宽和功率位移；另一方面，可以使用更长的吸收长度或采用折叠光路，这种有效吸收 光路的延长可以获得更窄的吸收谱线，提高信噪比。对于光外差调制转移光谱技术而言，随 着碘蒸汽压力的降低，调制频率应作相应降低，这种降低实现的可能，要求在所用激光器的 相应频谱范围内，应该具有极低的噪声，而单块固体环形激光器采用噪声抑制技术后，在该 范围内的强度噪声可接近量子噪声极限。
[0042]对532nm的激光进行稳频，常用的是饱和吸收稳频法，以碘元素的超精细谱线的 频率作为参考频率进行稳频。稳频装置采用碘气体分子的超精细谱线中的吸收谱线的频率 作为参考频率进行稳频，选择的吸收谱线应具有谱线纯、强度大等优点，a1(l分量吸收谱线满 足要求。532nm激光束经过该稳频装置后，稳频装置提供稳定的参考频率，当激光频率偏离 参考频率，稳频装置会产生差分信号，通过信号处理技术产生反馈信号，反馈信号经过伺服 系统驱动532nm激光器(实际是1064nm单块激光器)的压电陶瓷(PZT)调整激光器的谐 振腔，使激光器的频率稳定在参考频率上，从而保持激光器的频率稳定。此外，还要采用控 温装置减小532nm激光器和稳频装置的温度波动，提高激光器的频率稳定性。
[0043]通过上述措施，我们采用碘分子饱和吸收及光外差调制转移光谱稳频技术研制的 小型化532nm稳频激光装置的激光线宽约400kHz，与其它稳频方法相比，其频率稳定度更 好，其Is的频率稳定度优于3 X 10_12，三个月的频率稳定度优于2X 10_1(1。
[0044]本发明利用碘分子饱和吸收及光外差调制转移光谱技术，实现了 532nm标准波长激光的输出，进而实现了对光谱仪短波长波段波长指标的校准。本发明所要解决的技术问 题包括:
[0045]1、实现532nm激光的稳频，获得稳定的532nm激光输出。
[0046]2、实现稳频激光波长标准装置的小型化。
[0047]本发明结合单块双波长固体激光器技术、碘分子饱和吸收及光外差调制转移光谱 稳频技术，研制了小型化的532nm稳频激光装置，其光路部分的尺寸为27X 12X llcm3，获 得了波长稳定的532nm绿激光输出，其Is的频率稳定度优于3 X 10_12，三个月的频率稳定度 优于2X 10_1(1。小型化碘稳频激光装置稳频部分的光路尺寸为27X 12X llcm3，其结构图如 图5所示。
[0048]当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟 悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变 形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种激光稳频实现方法，其特征在于，包括:步骤1，利用单块双波长激光器输出532nm激光，所述532nm激光入射到碘饱和吸收稳频装置，其中，所述单块双波长激光器为双波长输出，一个波长是单频1064nm激光，另一个波长是将所述单频1064nm激光单次通过PPKTP倍频晶体而产生的532nm激光；步骤2，利用所述碘饱和吸收稳频装置对所述532nm激光进行判断处理，如果532nm激光的频率偏离所述碘饱和吸收稳频装置的参考频率，则所述碘饱和吸收稳频装置产生反馈信号，并将该反馈信号发送给伺服控制装置，执行步骤3 ;如果所述532nm激光的频率在所述参考频率上，则已经实现激光稳频，无需处理；步骤3，利用所述伺服控制装置根据反馈信号调节所述单块双波长激光器的腔长，使所述532nm激光的频率在所述参考频率上。
2.如权利要求1所述的激光稳频实现方法，其特征在于，所述步骤I包括:步骤11，将单块双波长激光器的半导体激光二极管发射的808nm激光经偏振合束棱镜合光后入射到密封单块谐振腔中，激励键合单块晶体产生1064nm激光；步骤12，利用第一分束棱镜对808nm激光透射，对1064nm激光反射，透射的808nm激光经第二分束棱镜透射后，使用光电反馈噪声抑制电路，进行激光强度噪声的抑制；反射的 1064nm激光经第二分束棱镜反射后，使用\ / 4波片作偏振态调整，然后经聚焦透镜进入 PPKTP倍频晶体，产生532nm激光，倍频后的光束经过准直透镜进行准直和调整光束的空间分布形状；步骤13，利用第三分束棱镜对1064nm的激光透射，对532nm倍频光反射，将532nm倍频光和1064nm基频光在空间上分开。
3.如权利要求1所述 的激光稳频实现方法，其特征在于，所述步骤2包括:步骤21，将532nm激光经入/ 4波片和透镜进行空间偏振态调整后分为偏振方向相互垂直的两束光，其中一束激光为泵浦光利用所述碘饱和吸收稳频装置的电光调制器进行调制，另一束激光为探测光不进行调制；步骤22，将两束光同向或反向进入所述碘饱和吸收稳频装置的碘室，在碘室中，两束光产生非线性四波混频，实现边带由调制光束向未调制光束的转移；步骤23，将所述探测光和产生的边带导入光电差分探测器中，通过双平衡混频器解调并与本振信号混频，得到误差信号，该误差信号经过伺服控制电路装置，分为快环部分和慢环部分；步骤24，利用快环部分反馈控制激光器单块谐振腔上的压电陶瓷，通过改变应力从而改变激光器单块谐振腔的腔长，调整单块激光的输出频率，实现单块激光器快速小范围的跟踪与锁定，将慢环部分反馈在单块谐振腔的控温系统上，通过改变单块谐振腔的温度改变激光的谐振频率，实现激光频率的锁定；步骤25，伺服控制装置同时采用快环反馈的快速跟踪特性和慢环反馈的锁定特性，最终实现将激光器的频率稳定在参考频率上。
【文档编号】H01S3/13GK103606814SQ201310585243
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】张洪喜, 陈坤峰 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所