一种激光器频率稳定装置的制作方法

本发明涉及激光频率稳定领域，具体涉及一种激光器频率稳定装置。

背景技术：

在原子的激光冷却中，通常需要激光器的线宽小于1mhz甚至10khz，几个小时内的漂移也在1mhz以内。通常，商用的半导体激光器的线宽约为10mhz，长漂>100mhz/1h，为了有效压窄激光器的线宽，通常采用以下几种方法：饱和吸收稳频、zeeman稳频、偏振光谱稳频以及外腔稳频。对于前三种方法，主要应用于中性原子的光谱实验中，因为前三种方法都要求有合适的原子谱线作参考，通过这三种方法，激光器线宽一般可以压窄到1mhz左右，长期漂移也能够得到有效的控制。第四种方法是将外部参考腔的谐振频率作为参考频率去锁定激光器，外部参考腔一般为法布里-玻罗干涉仪（简称f-p腔）。这种方法相对于前面三种方法而言，其优点在于不依赖于原子的吸收谱线，因为很多情况下，找不到合适的原子谱线作为参考，此外，第四种方法具有更广泛的用途。但是，由于f-p腔的腔长容易受到外部环境的影响，从而影响激光器锁定到f-p腔之后的频率稳定度，因此，需要对腔进行很好的温度控制、噪声和振动的隔离，因此，系统比较复杂。这种情况下，传输腔稳频作为一种改进的外腔稳频方式，大大改进了激光的长期稳定度。传输腔稳频技术不依赖于高稳定度的参考腔和原子谱线，只需要利用一台稳定度高的激光器做参考，例如可采用碘稳频的氦氖激光器或者是稳定度更高的激光器作参考，将该激光和待稳的激光同时入射到一台扫描的f-p腔中，利用光电探测器探测这两束激光经过f-p腔之后的透射峰，通过锁定峰间距，从而实现提高待稳激光的长期稳定度的目的。

这种方法如图4和图5所示，原理如下：稳定激光器和待稳激光器输出的激光同时入射到法布里-玻罗干涉仪（传输腔）内，传输腔的腔长由压电陶瓷进行调节，通过压电陶瓷驱动源输出的锯齿波电压信号调节压电陶瓷的伸缩，由此改变传输腔的长度，达到改变传输腔的谐振频率的目的。利用光电探测器1探测稳定激光经过传输腔后的透射信号，利用光电探测器2探测待稳激光经过传输腔后的透射信号。光电探测器1和光电探测器2的信号利用模数转换卡转换成数字信号后输入到计算机中，利用计算机程序进行处理，计算出三个透射峰的峰值位置，得到a/b和c值，将a/b值与设定值相减得到待稳激光器的误差信号，经过比例积分运算得到反馈电压值，通过数模转换卡输出反馈信号给待稳激光器的pzt驱动电路，控制激光频率的长期漂移，将c值与设定值相减得到腔长扫描起始点的漂移误差信号，经过比例积分运算得到反馈电压值，通过数模转换卡输出另一路反馈电压信号到pzt驱动电路，以稳定腔的模式。

对于这种方法，需要利用采集速率很高的数据采集卡将光电探测的信号输入到计算机，否则会由于传输速度的问题造成反馈的延时，此外，该方法中，传输腔的压电陶瓷一直处于扫描状态，由于压电陶瓷的扫描的非线性的问题，因此，同样的扫描电压可能对应于压电陶瓷不同的扫描长度，同时，由于压电陶瓷不同的长度的电压敏感度不同，可能会造成误差信号的不敏感，从而限制了待稳激光器锁定的效果。同时，这种方法只能控制激光的长期漂移，而对激光的线宽压窄的贡献不大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提出一种能够实现压窄激光线宽和控制激光长期漂移的激光器频率稳定装置。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种激光器频率稳定装置，包括稳定激光器、第一电光调制器、第一偏振分光棱镜、法布里-玻罗干涉仪、第一驱动源、第一光电二极管、第一混频器、第一低通滤波器、待稳激光器、第二电光调制器、第二偏振分光棱镜、第二光电探测器、第二驱动源、第二混频器、第二低通滤波器和第三驱动源组成；

所述稳定激光器输出光经过所述第一电光调制器后射入所述法布里-玻罗干涉仪，所述第一偏振分光棱镜适于将从所述法布里-玻罗干涉仪中反射回的信号反射到所述第一光电二极管，所述第一驱动源连接到所述第一电光调制器并且其信号输出端连接到所述第一混频器的信号输出入端，所述第一光电二级管的信号输出端也连接到所述第一混频器的信号输入端，所述第一混频器的信号输出端连接到所述第一低通滤波器的信号输入端，所述第一低通滤波器的信号输出端连接到所述第三驱动源，所述第三驱动源适于连接到所述法布里-玻罗干涉仪并驱动压电陶瓷；

所述待稳激光器输出光经过所述第二电光调制器后射入所述法布里-玻罗干涉仪，所述第二偏振分光棱镜适于将从所述法布里-玻罗干涉仪中反射回的信号反射到所述第二光电二极管，所述第二驱动源连接到所述第二电光调制器并且其信号输出端连接到所述第二混频器的信号输出入端，所述第二光电二级管的信号输出端也连接到所述第二混频器的信号输入端，所述第二混频器的信号输出端连接到所述第二低通滤波器的信号输入端，所述第二低通滤波器的信号输出端连接所述待稳激光器。

进一步的，还包括第一波片、第二波片，所述第一波片位于所述第一偏振分光棱镜与法布里-玻罗干涉仪之间，所述第二波片位于所述第二偏振分光棱镜与法布里-玻罗干涉仪之间。

进一步的，还包括设于所述第二低通滤波器和待稳激光器之间的增益控制模块。

进一步的，还包括用于对所述待稳激光器进行温度控制的温控模块。

进一步的，所述温控模块包括测温桥路和运算放大器，所述测温桥路的信号输出到所述运算放大器。

本发明的有益效果是：

本发明的优点在于：由于传输腔的腔长不需要扫描，几乎处于恒定值，因此，可以避免由于传输腔的压电陶瓷的非线性效应造成的误差信号的不敏感，从而提高待稳激光器锁定的效果，因此可以将稳定激光器的稳定度几乎不受影响地传递给待稳激光器。此外，该方法不需要将光电探测器的信号输入到计算机，不需要通过计算机程序对误差信号分析、计算和反馈，因此，可以提高整个稳频反馈回路的速率。此外，由于传输腔锁定到稳定激光器以及待稳激光器锁定到传输腔均是采用边带调制技术，与之前方法中直接比较透射峰的位置相比，误差信号的斜率更陡，从而可以极大地压窄待稳激光器的线宽。因此，通过该方法，在提高待稳激光频率稳定度的同时，可以极大地压窄待稳激光器的线宽。

附图说明

下面结合附图对本发明的激光器频率稳定装置作进一步说明。

图1是激光器频率稳定装置的结构框图；

图2是温控模块的电路原理图；

图3是增益控制模块的电路原理图；

图4是背景技术中涉及的传统传输腔稳频原理图；

图5是背景技术中涉及的传统传输腔的透射峰图。

图1中实线为光路，虚线为电路，eom：电光调制器，pbs：偏振分光棱镜，pd：光电二极管，mixer：混频器。

具体实施方式

根据图1所示，本发明的激光器频率稳定装置，包括稳定激光器、第一电光调制器、第一偏振分光棱镜、法布里-玻罗干涉仪、第一驱动源、第一光电二极管、第一混频器、第一低通滤波器、待稳激光器、第二电光调制器、第二偏振分光棱镜、第二光电探测器、第二驱动源、第二混频器、第二低通滤波器和第三驱动源组成。

所述稳定激光器输出光经过所述第一电光调制器后射入所述法布里-玻罗干涉仪，所述第一偏振分光棱镜适于将从所述法布里-玻罗干涉仪中反射回的信号反射到所述第一光电二极管，所述第一驱动源连接到所述第一电光调制器并且其信号输出端连接到所述第一混频器的信号输出入端，所述第一光电二级管的信号输出端也连接到所述第一混频器的信号输入端，所述第一混频器的信号输出端连接到所述第一低通滤波器的信号输入端，所述第一低通滤波器的信号输出端连接到所述第三驱动源，所述第三驱动源适于连接到所述法布里-玻罗干涉仪并驱动压电陶瓷。

所述待稳激光器输出光经过所述第二电光调制器后射入所述法布里-玻罗干涉仪，所述第二偏振分光棱镜适于将从所述法布里-玻罗干涉仪中反射回的信号反射到所述第二光电二极管，所述第二驱动源连接到所述第二电光调制器并且其信号输出端连接到所述第二混频器的信号输出入端，所述第二光电二级管的信号输出端也连接到所述第二混频器的信号输入端，所述第二混频器的信号输出端连接到所述第二低通滤波器的信号输入端，所述第二低通滤波器的信号输出端连接所述待稳激光器。

在我们改进的传输腔稳频的方案中，频率为ω1的稳定激光器输出的激光经过第一电光调制器eom1之后，其频率被射频频率ω1调制，在载波频率(carrierfrequency)ω1两边产生两个频率分别为ω1-ω1和ω1+ω1的边带。这两个边带的幅度一致但相位相反。激光入射到法布里-玻罗干涉仪（传输腔）后，在调制频率大于传输腔线宽的情况下，如果将载波频率调于传输腔的谐振频率，则载波可以耦合到腔里面，而边带不能耦合到腔中。从腔反射回来的信号利用光电二极管或者光电倍增管接收。当激光的载波频率与传输腔的谐振频率完全匹配时，从腔反射回来的边带幅度相等但是相位相反，造成的结果是光电二极管输出的光电流不包含频率为ω1的成分。如果激光频率和腔的谐振频率有一定的失谐，记为△ω1，那么反射回来的两个边带的幅度并不相消。这时候光电二极管输出的电流信号中就包含频率为ω1的成分，该成分的幅度与△ω1成正比。该信号和本机振荡(localoscillator,频率为ω1)的信号送入第一混频器mixer1进行混频。第一混频器mixer1的输出信号的幅度和△ω1成正比。这个信号就是误差信号，经过第一低通滤波器1得到频率的纠偏信号作为误差信号反馈给传输腔的第三驱动源3，通过第三驱动源3控制传输腔的腔长，从而将传输腔的谐振频率锁定到稳定激光器上。

之后，频率为ω2的待稳激光器输出的激光经过第二电光调制器eom2之后，其频率被射频频率ω2调制，在载波频率(carrierfrequency)ω2两边产生两个频率分别为ω2-ω2和ω2+ω2的边带。这两个边带的幅度一致但相位相反。激光入射到法布里-玻罗干涉仪（传输腔）后，在调制频率大于传输腔线宽的情况下，如果将载波频率调于传输腔的谐振频率，则载波可以耦合到腔里面，而边带不能耦合到腔中。从腔反射回来的信号利用光电二极管或者光电倍增管接收。当激光的载波频率与传输腔的谐振频率完全匹配时，从腔反射回来的边带幅度相等但是相位相反，造成的结果是光电二极管输出的光电流不包含频率为ω2的成分。如果激光频率和腔的谐振频率有一定的失谐，记为△ω2，那么反射回来的两个边带的幅度并不相消。这时候光电二极管输出的电流信号中就包含频率为ω2的成分，该成分的幅度与△ω2成正比。该信号和本机振荡(localoscillator,频率为ω2)的信号送入第二混频器mixer2进行混频。第二混频器mixer2的输出信号的幅度和△ω2成正比。这个信号就是误差信号，经过低通滤波器2得到频率的纠偏信号作为误差信号反馈给增益控制模块后再传送至待稳激光器，从而控制待稳激光器的频率。

可以作为优选的是：还包括第一波片、第二波片，所述第一波片位于所述第一偏振分光棱镜与法布里-玻罗干涉仪之间，所述第二波片位于所述第二偏振分光棱镜与法布里-玻罗干涉仪之间。

可以作为优选的是：还包括设于所述第二低通滤波器和待稳激光器之间的增益控制模块。增益控制模块如图3所示，压控模块中的桥路测温主要由两个阻值相同的r，一个预设温度值热敏电阻传感器ro（它决定了待测激光器的工作环境温度）及测温热敏电阻rk组成。当待测激光器工作环境温度恒定时，即热敏电阻rk测量值与预设值ro相等，此时电阻桥路a、b端输出电压差将为0，整个压控模块输出端uout输出为0。当待测激光器工作环境温度发生改变时，则桥路的a、b端形成一定的电压差，通过电压跟随器a1及a2的传递送至a3进行差分放大，考虑到放大后的电压差能够有效得采集，所以在差分放大a3的输出端增加了一个增益线性调节电路a4。得到的电压差uout与低通滤波模块产生的压控电压求和后，送至待测激光器模块。

可以作为优选的是：还包括用于对所述待稳激光器进行温度控制的温控模块。里面含有温控芯片（控温用）、以及热敏电阻（测温用）。受中央处理器控制可以设定温度值t，由于整个温度控制模块置于待测激光器中，所以中央处理器可以设置对应的工作环境温度、以及获得实际的工作环境温度信息。温控模块如图2所示，其中两个r以及r1为具有相同温度系数的电阻，其阻值应该选择与rk相当。这里r1的值反映了实际工作环境温度t。rk为一个热敏电阻，它贴于温控模块的表面，用以感知实际的工作环境温度t。故当工作环境温度t无变化时，上图中电桥处于平衡，输送至加热线圈环路的温度补偿电压值为0。一旦工作环境温度t发生变化，则热敏电阻rk的阻值将变小（温度升高）或变大（温度降低），那么电桥两端存在电压差，经运算放大器a差分放大后变为温度补偿电压输送至电压源，同时输出给传统加热丝线圈环路。整个电路的放大增益由运算放大器的负反馈电阻rw调节，rw为一数字电位计，通过调节rw的阻值以达到上述电路补偿因子改变功能。

本发明的不局限于上述实施例，本发明的上述各个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案，另外凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。