本发明属于连续激光技术领域，具体涉及一种多波长连续激光的稳频装置及稳频方法。
背景技术
自1960年梅曼发明激光器，激光一直应用于科学研究和生产的多个领域。连续激光作为激光技术的重要分支之一，在原子干涉仪、重力波探测、激光光谱和频率计量标准等多个领域具有重要的应用，而且多数的实验需要不同波长的多种稳频激光。现有技术中采用锁定在原子光谱的方法获得稳频激光，锁定方法有饱和吸收光谱和调制转移光谱等技术。也可采用pound-drever-hall技术将连续激光锁定在光学参考腔上，以获得线宽在亚赫兹量级的稳频激光。
不同波长的多种激光稳频一般采用腔传递或者光梳将其他多种连续激光锁定在频率稳定的激光上，但现有的方法依赖稳频激光和传递腔或者光梳，系统复杂，成本高。
技术实现要素：
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种多波长连续激光的稳频装置及稳频方法，该稳频方法在不分离反射光信号条件下，利用不同的调制频率相位调制激光，通过双平衡混频器解调信号，经过低通滤波器，获得互不干扰的误差系统，通过伺服反馈控制，从而实现不同波长的多种连续激光锁定在单一光学参考腔上，基于pound-drever-hall技术进而实现不同波长的多种连续激光稳频效果。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种多波长连续激光的稳频装置，应用于对至少三种波长的连续激光进行同步稳频调制，每个所述连续激光对应一激光光源、相位调制模块、误差解析模块，其特征在于，所述稳频装置包括：
至少三个所述激光光源，用于生成不同波长的连续激光，并根据接收的误差信号对所述连续激光进行调节；
至少三个所述相位调制模块，分别设置于对应的所述激光光源的射出端，用于接收对应的所述连续激光，并将所述连续激光进行相位调制后射入一光学参考腔；
所述光学参考腔，用于共线接收每个所述连续激光，并反射出一反射光至一反射光探测模块；
所述反射光探测模块，用于探测所述反射光以生成反射信号；
至少三个所述误差解析模块，连接所述反射光探测模块以及所述连续激光对应的所述激光光源和所述相位调制模块，用于接收所述反射信号，并将所述反射信号进行混频、解调、滤波后得到误差信号，以及将所述误差信号反馈至对应的所述连续激光的所述激光光源中。
每个所述激光光源包括一伺服控制器和一激光发生器，所述伺服控制器控制所述激光发生器发射的所述连续激光的频率；所述伺服控制器内设置有一调节模块，所述调节模块根据所述误差信号对当前输出的连续激光的频率进行调整。
每个所述连续激光之间的波长差值为10-1000纳米。
每个所述连续激光根据其波长各预设有一相位调制频率，每个所述相位调制模块包括：
声光调制器，对所述连续激光进行移频以满足与所述光学参考腔产生共振的条件，并将移频好的所述连续激光射入至一保偏光纤的接收端；
所述保偏光纤，通过光纤将所述连续激光传输至输出端；
电光调制器，接收所述保偏光纤的输出端所输出的所述连续激光，并根据预设的所述相位调制频率对所述连续激光进行相位调制。
所述光学参考腔的输入端处设置有一组分束镜，用于接收并共线处理每个所述连续激光以形成一合束激光射入所述光学参考腔。
所述反射光探测模块包括：
光电探测器，用于探测所述反射光，并根据探测结果生成反射信号；
射频放大器，连接所述光电探测器，用于对所述反射信号进行放大处理。
误差解析模块包括：
双平衡混频器，连接对应所述相位调制模块，用于根据获取的所述相位调制频率生成本地参考频率，并根据所述反射信号与所述本地参考频率进行混频及解调，生成初始误差信号；
低通滤波器，连接所述双平衡混频器，用于对所述初始误差信号进行信号过滤得到所述误差信号
所述光学参考腔为f-p腔传感器。
一种涉及任一所述的多波长连续激光的稳频装置的稳频方法，其特征在于，应用于对至少三种波长的连续激光进行同步稳频调制，每个所述连续激光对应一激光光源、相位调制模块、误差解析模块，所述稳频方法包括以下步骤：
步骤s1：至少三个所述激光光源同时生成不同波长的连续激光；
步骤s2：至少三个所述相位调制模块分别接收对应的所述连续激光，将所述连续激光进行相位调制；
步骤s3：光学参考腔共线接收每个所述连续激光，并反射出一反射光；
步骤s4：反射光探测模块探测所述反射光以生成反射信号；
步骤s5：至少三个所述误差解析模块分别接收所述反射信号，并将所述反射光信号进行混频、解调、滤波后得到误差信号，并将所述误差信号反馈至对应的所述激光光源；
步骤s6：所述激光光源根据所述误差信号对所述连续激光进行调节。
本发明的优点是：（1）可同时将不同波长的多种激光同时锁定在单一光学参考腔上，其结构简洁，易于实现；（2）空间不分离反射光信号，采用不同的调制频率，可以减小光路的复杂度，易于获得波长相近激光的误差信号，利于光学系统的小型化和集成化，对例如光钟等复杂实验系统的发展具有推动作用。
附图说明
图1为本发明实施例中一种多波长连续激光的稳频装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中稳频装置中光信号及电信号的传输路径示意图；
图3为本发明实施例中649nm激光、759nm激光和770nm激光同时锁定在光学参考腔上时示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-3，图中标记分别为：激光光源1、伺服控制器11、激光发生器12、相位调制模块2、声光调制器21、保偏光纤22、电光调制器23、光学参考腔3、反射光探测模块4、光电探测器41、射频放大器42、误差解析模块5、调制频率50、双平衡混频器51、低通滤波器52。
实施例：如图1-3所示，本实施例具体涉及一种多波长连续激光的稳频装置及稳频方法，应用于对至少三种波长的连续激光进行同步稳频调制，采用在不分离反射光信号条件下，利用不同的调制频率50相位调制激光，通过双平衡混频器51解调信号，经过低通滤波器52，获得互不干扰的误差系统，通过伺服反馈控制，从而实现不同波长的多种连续激光锁定在单一光学参考腔3上，基于pound-drever-hall技术进而实现不同波长的多种连续激光稳频效果。
如图1-3所示，一种多波长连续激光的稳频装置，包括多个激光光源1、多个相位调制模块2、多个误差解析模块5，连续激光包括至少三种，每种连续激光对应一组激光光源1、相位调制模块2和误差解析模块5，稳频装置中还包括共用的光学参考腔3、反射光探测模块4。其中，激光光源1，用于生成不同波长的连续激光，并根据接收的误差信号对连续激光进行调节；相位调制模块2，分别设置于对应的激光光源1的射出端，用于接收对应的连续激光，并将连续激光进行相位调制后射入一光学参考腔3；光学参考腔3共线接收每个连续激光，并反射出一反射光至一反射光探测模块4；反射光探测模块4探测反射光以生成反射信号；误差解析模块5连接反射光探测模块4以及连续激光对应的激光光源1和相位调制模块2，接收反射信号，并将反射光信号进行混频、解调、滤波后得到误差信号，以及将误差信号反馈至对应的连续激光的激光光源1中。图2和图3中带实线为连续激光的传输路径，虚线为电信号的传输路径。激光光源1、调制模块、光学参考腔3、反射光探测模块4之间依次为光路连接，而误差解析模块5与激光光源1、相位调制模块2、反射光探测模块4之间的为电路连接，实现信号的传递与实时伺服反馈。上述方案采用不同调制频率相位调制激光，获得互不干扰的误差信号，从而将不同波长的多种连续激光同时锁定在单一光学参考腔3上。
如图2和图3所示，激光光源1包括一伺服控制器11和一激光发生器12，伺服控制器11通过电信号控制激光发生器12发射的连续激光的频率；伺服控制器11内设置有一调节模块，误差信号从误差解析模块5发送至伺服控制器11后，调节模块根据误差信号对各自当前输出的连续激光的频率进行调整，进而实现多种激光的同步稳频，将连续激光频率锁定在光学参考腔3上。上述的伺服反馈是基于互不干扰的误差信号，实现将频率锁定在光学参考腔3上。每个激光发生器12输出的连续激光的波长之间存在较大的波长差，其实质为波长相差几十至几百纳米的不同类型的连续激光，且连续激光为非锁定的频率随时间变化，线宽较宽，为非稳频连续激光。本实施例中采用649nm的半导体激光、759nm的钛宝石激光和770nm的半导体激光进行稳频处理，因而，激光发生器12采用半导体激光器、钛宝石激光器。
如图2和图3所示，每个连续激光根据其波长各预设有一相位调制频率，649nm的半导体激光、759nm的钛宝石激光和770nm的半导体激光所对应的相位调制频率分别为14mhz、19.5mhz和24mhz。每个相位调制模块2包括：声光调制器21、保偏光纤22、电光调制器23。连续激光借助透镜组各自双次通过相应的声光调制器21，以实现对连续激光进行移频以满足与光学参考腔3产生共振的条件并将移频好的连续激光射入至一保偏光纤22的接收端；保偏光纤22通过光纤将连续激光传输至输出端，光纤输出端为可调节焦距的光纤准直头，以调节激光光束的束腰大小和位置满足模式匹配。连续激光射出保偏光纤22后依次通过纯化激光偏振和格兰棱镜射入电光调制器23中。电光调制器23根据预设的相位调制频率对连续激光进行相位调制。激光相位调制元件可采用电光调制器，其进行相位调制激光时对不同的激光采用不同的调制频率，需要设置合适的调制频率才能确保解调的误差互不影响。对激光的相位调制也可以采用调制半导体激光器电流等其他方式。
如图2和图3所示，光学参考腔3的输入端处设置有一组分束镜，分束镜接收并共线处理每个连续激光以形成一合束激光射入光学参考腔3，通过光路连接实现激光器与光学参考腔3以及多种激光同时入射耦合至光学参考腔3。光学参考腔3为f-p腔传感器（fabry–perot参考腔）。光学参考腔3为精细度在几千至万量级的中等精细参考腔，光学参考腔3的镀膜对多种波长具有高反特性，稳频激光的频率稳定度跟随光学参考腔3的稳定度。光学参考腔3为平凹腔，水平放置在真空度为5×10-5pa的真空室内，其温度起伏低于0.01℃。光学参考腔3的精细度影响稳频激光的线宽，对光学参考腔3所处环境（温度、振动等）的控制也能够影响稳频激光的稳定度。
如图2和图3所示，反射光探测模块4包括：光电探测器41和射频放大器42。反射光由偏振分束棱镜和四分之一波片分离，再进入光电探测器41的探测区域。光电探测器41探测反射光，并根据探测结果生成反射信号；射频放大器42连接光电探测器41，对反射信号进行放大处理，以获得足够大的信号。光电探测器41同时探测不同波长的多种连续激光由光学参考腔3反射的反射信号。
如图2和图3所示，放大后的反射信号分成三部分，分别送至各自的双平衡混频器51，与本地参考信号混频，对反射光信号解调。误差解析模块5包括：双平衡混频器51和低通滤波器52。双平衡混频器51通过与相位调制模块2的连接获取的相位调制频率，进而得到本地参考频率，再进一步将反射信号与本地参考频率进行混频及解调，进而生成包含和频信号、差频信号、杂散信号的初始误差信号。
图2和图3中的调制频率50为标准射频信号，用以驱动电光调制器，其频率为对激光相位调制的频率。调制频率50其实质为传输过程中的频率信号，同时被电光调制器23和双平衡混频器51所收发及处理。本实施例中，649nm的半导体激光、759nm的钛宝石激光和770nm的半导体激光所对应的调制频率分别为14mhz、19.5mhz和24mhz，因而，本地参考频率也就基于14mhz、19.5mhz和24mhz生成。双平衡混频器51解调得到的差频信号中包括所有调制信号与本地参考频率的差频信号，从而导致误差信号相互干扰，因此，采用合适的调制频率50和低通滤波器52以过滤额外的解调信号。低通滤波器52对初始误差信号进行信号过滤得到误差信号。低通滤波器52过滤掉和频和杂散信号，获得互不干扰的误差信号。低通滤波器52的过滤频率为1.9mhz。上述方案通过采用不同的调制频率50，无需空间分离反射光，双平衡混频器51即可解调包括多种调制信息的反射光信号，从而避免空间分离反射光带来的光路复杂度。
如图1-3所示，本实施例中多波长连续激光的稳频装置的稳频方法，应用于对至少三种波长的连续激光进行同步稳频调制，每个连续激光对应一激光光源1、相位调制模块2、误差解析模块5，稳频方法包括以下步骤：
步骤s1：至少三个激光光源1同时生成不同波长的连续激光；
步骤s2：至少三个相位调制模块2分别接收对应的连续激光，将连续激光进行相位调制；
步骤s3：光学参考腔3共线接收每个连续激光，并反射出一反射光；
步骤s4：反射光探测模块4探测反射光以生成反射信号；
步骤s5：至少三个误差解析模块5分别接收反射信号，并将反射光信号进行混频、解调、滤波后得到误差信号，并将误差信号反馈至对应的激光光源1；
步骤s6：激光光源1根据误差信号对连续激光进行调节。
换而言之，上述过程相当于：不同波长的多种连续激光先各自经过相位调制，然后合束地耦合入射至光学参考腔3，通过光路和单一光电探测器41实现反射光信号的探测；反射光信号分别送至各自的双平衡混频器51，和各自的本地参考频率混频，经过各自的低通滤波器52，获得互不干扰的误差信号；各自的误差信号送至各自的伺服控制器11的调节模块，调节模块基于反馈的信号控制各自激光器的执行元件，实现多种激光同时锁定在单一光学参考腔3上，获得稳频激光。
本实施例的有益效果为：（1）可同时将不同波长的多种激光同时锁定在单一光学参考腔3上，其结构简洁，易于实现；（2）空间不分离反射光信号，采用不同的调制频率，可以减小光路的复杂度，易于获得波长相近激光的误差信号，利于光学系统的小型化和集成化，对例如光钟等复杂实验系统的发展具有推动作用。