基于内腔电光标准具锁定的连续可调谐单频钛宝石激光器的制作方法

本发明涉及钛宝石激光器，具体是一种基于内腔电光标准具锁定的可连续调谐的单频钛宝石激光器。

背景技术：

由于掺钛蓝宝石激光器输出激光可涵盖700nm-1000nm的红光和近红外波段，所以其被广泛应用于冷原子物理及量子光学等科学研究领域。在原子俘获与冷却、原子存储等实验过程中，需要激光器输出光的频率与原子跃迁线精确匹配，这就需要钛宝石激光器具有一定的频率连续调谐能力。因此，近些年来，人们对钛宝石激光器的高功率、高稳定性、宽调谐范围等特性进行关注外，也开始对钛宝石激光器的频率连续调谐特性进行了关注，并采取了一系列技术手段来达到这一目的。目前，市面上已有几款可供选择的连续调谐单频钛宝石激光器，如美国相干公司的MBR系列连续可调谐钛宝石激光器、英国M Squared lasers公司的SilsTis系列窄线宽连续单频可调谐钛宝石激光器、美国Spectra-Physics公司的Matisse 2系列窄线宽可调谐钛宝石激光器以及俄罗斯Tekhnosca公司推出的TiS-SF系列钛宝石激光器。这些激光器均是将腔内标准具的透射峰与谐振腔振荡频率实时锁定，然后改变激光器的腔长实现连续调谐。而标准具锁定的实施方式是：将薄片标准具粘贴在一个安装于支架上的压电陶瓷上，支架固定在振镜电机的转轴上，通过给压电陶瓷施加调制信号使标准具产生微小角度的振动，利用光电探测器探测其反射光信号并转换成电信号，与本地振荡信号混频产生误差信号，控制旋转振镜电机的转轴来控制标准具的角度。在这种锁定装置中，由于压电陶瓷的惯性、蠕变以及非线性等特点严重影响了标准具的锁定效果，从而影响激光器的频率连续调谐能力；而且压电陶瓷以及支架会加重振镜电机的负荷，同样会影响标准具的锁定效果；另外，为得到较好的误差信号，施加的调制信号的频率需固定在压电陶瓷的固有频率处，限制了其灵活性，且会增大激光器在对应频率处的强度噪声，从而影响激光器在这一频段处的强度噪声的抑制。我们实验小组在2014年提出了一种在谐振腔内引入非线性损耗来实现钛宝石激光器的频率连续调谐的方法。尽管这种方法可获得较大的频率连续调谐范围，然而受到非线性晶体接受带宽的限制，钛宝石激光器只能在特定的频段内实现这一功能。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有连续可调谐钛宝石激光器中存在的缺陷，提供一种灵活稳定且具有一定连续调谐能力的钛宝石激光器。该激光器结构简单，操作简便。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种基于内腔电光标准具锁定的连续可调谐单频钛宝石激光器，包括泵浦源、位于泵浦源出射光路上的激光谐振腔、位于激光谐振腔出射光路上的分束镜；分束镜的反射光路上设有光电探测器；光电探测器的信号输出端连接有伺服控制器；伺服控制器的信号输入端还连接有信号发生器，信号发生器的另一个信号输出端连接有高压驱动器；所述的激光谐振腔采用四镜环形激光谐振腔结构，由第一平凹镜、第二平凹镜、第一平面镜、第二平面镜组成，第一平凹镜和第二平凹镜之间设有钛宝石晶体，四镜环形激光谐振腔内同时设有光学单向器和双折射滤波片，第一平面镜粘接有压电陶瓷；四镜环形激光谐振腔内还设有电光标准具；所述电光标准具为沿光轴方向即z方向切割并加工成两通光面即x-o-z面平行的薄片电光晶体，在晶体的两x-o-y面上安装铜电极，且入射光的偏振方向沿z方向；伺服控制器的信号输出端连接有振镜电机，所述电光标准具粘接在振镜电机的转轴上，高压驱动器的信号输出端连接在电光标准具的两电极上；泵浦源发出的激光经耦合系统整形聚焦后入射到钛宝石晶体上，激光谐振腔的输出光束经分束镜分出一小部分激光进入光电探测器转化为电信号，其余部分作为主激光输出，光电探测器的输出信号进入伺服控制器，伺服控制器产生控制信号作用于振镜电机上，控制电光标准具的角度，信号发生器产生两路同频率的正弦振荡信号，一路进入伺服控制器，另一路进入高压驱动器，高压驱动器的输出信号经铜电极产生交变电场对腔内光场进行调制，光电探测器探测到的信号经由伺服控制器提取出电光标准具透射峰与激光振荡频率之间的偏差值，将这一偏差值作为控制信号作用于振镜电机上控制电光标准具的角度，实现电光标准具的实时锁定，进而通过扫描压电陶瓷的长度改变激光谐振腔的腔长实现激光器频率的连续调谐。

本发明利用电光晶体的线性电光效应，在外加电场的作用下，晶体的折射率会产生相应的变化。当给电光晶体标准具施加一周期变化的电场时，该标准具的透射峰对应的频率会随着周期性变化，将这一标准具插入激光谐振腔内，会引起激光器输出光强的周期性变化，利用光电探测器探测这一周期变化信号，从中可提取出标准具透射峰与激光振荡频率之间的偏差值，然后通过控制振镜电机的转轴控制标准具的角度，从而将标准具的透射峰实时锁定在激光器的振荡频率处，这样，当改变激光器谐振腔腔长时，标准具透射峰始终与激光器的振荡频率相对应而不发生跳摸现象，实现了激光器输出频率的连续调谐。对于铌酸锂晶体而言，当沿晶体光轴方向(z方向)施加电场，入射光偏折方向沿z 方向，并沿y (或x) 方向传播时，在外加电场的作用下，晶体折射率的变化量为（其中为施加电场的场强，γ33为铌酸锂晶体的电光系数），则电光晶体标准具透射峰对应频率的改变量为。所以周期性变化的电场可以引起电光标准具透射峰对应频率的周期性变化。

所述的电光标准具因外加交变电场引起的透射峰频率的变化应小于激光器谐振腔的一个自由光谱区。

所述的电光晶体为铌酸锂晶体、钽酸锂晶体等。

所述的泵浦源的输出波长为532nm。

所述的泵浦源的泵浦方式为端面泵浦。

所述的钛宝石晶体是加工成两通光面不平行的光学晶体或是以布儒斯特角放置在光路中的光学晶体。

所述的粗调谐元件双折射滤波片是由厚度成一定比例的石英晶体片组成，且以布儒斯特角放置在光路中。双折射滤波片的自由光谱区由最薄一片的厚度决定，而双折射滤波片的透射峰宽度则由最厚一片决定。

所述的压电陶瓷与谐振腔腔镜粘接在一起，改变压电陶瓷的电压可以改变激光器谐振腔腔长，实现激光器频率连续调谐。

所述的光电探测器采用腔外探测的方式。

所述的分束镜分出一小部分光束进入光电探测器，其余部分作为主激光输出。

所述的伺服控制器内含混频电路、低通滤波电路及PI控制电路，用于提取标准具透射峰与激光振荡频率之间的偏差信号并产生相应的控制信号。

所述的电光标准具粘接在振镜电机的转轴上，由外加交变电场对腔内光场进行调制，光电探测器将光信号转换为电信号，经由伺服控制器产生控制信号作用于振镜电机控制标准具的角度，进而将标准具的透射峰实时锁定在谐振腔的振荡频率处。

所述的高压驱动器为具有高压摆率的宽带高压放大器。

与现有技术相比，本发明所提供的一种基于内腔电光标准具锁定的连续可调谐单频钛宝石激光器具有以下优点：

1. 采用电光晶体的线性电光效应对腔内光场进行调制，取代了基于压电陶瓷的机械式调制方式，避免了由于压电陶瓷的惯性、蠕变及非线性造成的不稳定性，同时减轻了振镜电机的负荷，使得标准具锁定更加稳定，进而使激光器更加稳定。

2. 用于锁定标准具的调制信号的频率不受限制，可任意选择，其益处在于：当需要抑制激光器某一频率段的强度噪声时，可选择合适的调制频率，避开这一频率段，使其不影响激光器强度噪声的抑制。

3. 采用腔外探测的方式提取标准具透射峰与激光振荡频率之间的偏差信号，使得激光器的结构更加简单。

4. 不需要在谐振腔内插入额外的光学元件，只需通过扫描腔镜上的压电陶瓷实现激光器的频率连续调谐，降低了激光器的腔内损耗。

总之，本发明通过采用电光晶体标准具获得了一种结构简单，可稳定运转并具有一定频率连续调谐能力的单频钛宝石激光器。

附图说明

图1本发明所提供的一种基于内腔电光标准具锁定的连续可调谐单频钛宝石激光器的结构示意图，图中：1-泵浦源，2-钛宝石晶体，31-第一平凹镜，32-第二平凹镜，33-第一平面镜，34-第二平面镜，4-光学单向器，41-磁致旋光晶体，42-自然旋光晶体，5-双折射滤波片，6-电光标准具，7-振镜电机，8-压电陶瓷，9-分束镜，10-光电探测器，11-伺服控制器，12-高压驱动器，13-信号发生器。

图2本发明钛宝石激光器中电光晶体的切割方式示意图。

图3本发明钛宝石激光器在795nm附近连续调谐的实验结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

图1为本发明所提供的一种基于内腔电光标准具锁定的连续可调谐单频钛宝石激光器的结构示意图。泵浦源1发出的激光经耦合系统整形聚焦后入射到放置在四镜环形谐振腔中的增益介质钛宝石晶体2上。泵浦源1的发射光的中心波长为532nm，而且泵浦源1发射激光的线偏振方向为水平偏振，满足了增益介质钛宝石晶体2对泵浦光偏振吸收的需求。谐振腔采用四镜环形谐振腔结构，由两个平凹镜(第一平凹镜31、第二平凹镜32)和两个平面镜(第一平面镜33、第二平面镜34)构成。其中双折射滤波片5位于第二平凹镜32和第一平面镜33之间，光学单向器4位于第一平凹镜31和第二平面镜34之间，电光标准具6位于第一平面镜33和第二平面镜34之间，光学单向器4和双折射滤波片5的位置也可以互换。第一平凹镜31镀有对740-890nm光高反，对532nm光高透膜；第二平凹镜32和第一平面镜33镀有对740-890nm光高反膜；第二平面镜34对740-890nm光的透射率为5.5%。所述的增益介质钛宝石晶体2放置在第一平凹镜31和第二平凹镜32之间，其两端面均布儒斯特角(60.4°)切割，c轴垂直于晶体中的通光方向，以使 π 偏振泵浦光和振荡光几乎无损耗地透射，同时自动抑制 σ 偏振光。谐振腔内的由外加磁场的磁致旋光晶体41和自然旋光晶体42组成的宽带光学单向器4迫使激光器单向运转。腔内粗调谐元件双折射滤波片5由三片光轴平行、厚度比例为1:2:4的石英晶体材料制成。为避免标准具效应，光学单向器4和双折射滤波片5均为布儒斯特角放置。细调谐元件电光标准具6由电光晶体材料制成。所述电光标准具为沿光轴方向(z方向)切割并加工成两通光面(x-o-z面)平行的薄片电光晶体，在晶体的两x-o-y面上安装铜电极，且入射光的偏振方向沿z方向；所述电光标准具6安装在振镜电机7上。压电陶瓷8与第一平面镜33粘接在一起，通过改变压电陶瓷8的长度改变谐振腔的长度，实现激光器频率的精确连续调谐。钛宝石激光器输出光束经分束镜9分出一小部分激光进入光电探测器10转化为电信号，其余部分作为主激光输出。光电探测器10的输出信号进入伺服控制器11，伺服控制器11产生控制信号作用于振镜电机7上，控制电光标准具6的角度。信号发生器13产生两路同频率的正弦振荡信号，一路进入伺服控制器11，另一路进入高压驱动器12，高压驱动器12的输出信号连接在电光标准具6的两电极上，用于产生电光标准具6的外加电场。所述高压驱动器12为由PA85制成的高压摆率的宽带高压放大器。

所述电光标准具的锁定步骤为：(1) 信号发生器13产生的一路正弦振荡信号作为调制信号经高压驱动器12后放大成振幅为200V的高压正弦振荡信号，将这一信号加载到电光标准具6的两电极上产生外加交变电场，从而利用其电光效应对腔内光场进行调制；(2) 光电探测器10将探测到的光信号转换为电信号，其中交流成分为与调制信号同频率的一正弦信号；(3) 光电探测器10交流端输出的信号进入伺服控制器11中，与信号发生器13产生的另一路同频率正弦振荡信号经混频电路混频，并经低通滤波电路后得到标准具透射峰与激光振荡频率之间的偏差信号，得到的偏差信号经PI电路后产生控制信号，作用于振镜电机7控制电光标准具6的角度；(4) 微调电光标准具6的角度，使得光电探测器10探测到的交流信号的频率正好为调制信号的两倍，此时电光标准具的透射峰处于谐振腔的振荡频率处，调节伺服控制器11的调零端、PI参数以及信号发生器13产生的两路信号的相对位相差，然后打开伺服控制器11的锁定开关，从而将电光标准具6的透射峰锁定在谐振腔的振荡频率处，完成锁定过程。

图2所示为本发明钛宝石激光器中电光晶体的一种切割方式，电光晶体62沿光轴方向65 (z方向)切割，光束传播方向67与晶体y方向66平行，光束偏振方向61与晶体z方向65平行，电极63所加电场方向与光轴方向65平行。

在激光器正常工作后，通过调整粗调谐元件双折射滤波片5的光轴与入射光偏振方向之间的角度实现激光器频率的粗调谐，然后通过旋转细调谐元件电光标准具6与入射光之间的角度实现激光器的频率细调谐，最后通过扫描与腔镜相连的压电陶瓷8连续改变谐振腔的腔长，实现激光器的频率连续调谐。调整粗调谐元件双折射滤波片5使激光器输出波长到795nm附近；旋转电光标准具6的角度使激光器输出波长到795.000nm附近并将电光标准具6的透射峰实时锁定在激光器振荡频率处；扫描压电陶瓷8的长度，获得如图3所示的连续调谐实验结果。在粗调谐元件双折射滤波片5、细调谐元件电光标准具6和精调谐元件压电陶瓷8的共同作用下，钛宝石激光器实现了频率连续调谐。