基于拍频锁定的高稳定度双频法拉第激光器及其实现方法与流程

本发明属于光频原子钟与激光稳频技术领域，具体涉及应用拍频锁定方法实现的高稳定度双频法拉第激光器及其实现方法。

背景技术：

半导体激光器是目前最常见的激光器类型，它具有窄线宽、可调谐、便于稳频、体积小、结构紧凑等优势，在冷原子物理、激光光谱、量子信息、精密计量、环境监测、工业测量等领域都具有广泛的应用。一般的半导体激光器为了实现窄线宽的特定模式输出，采用外腔反馈的形式，并在腔内具有选模器件。

在应用中，为了使得半导体激光器的输出频率更加稳定，线宽更窄，通常会采取额外的稳频措施。常见的稳频方法有：借助超稳光学谐振腔腔的pdh稳频，锁定在原子谱线上的饱和谱稳频、调制转移谱稳频、极化谱稳频等。这些稳频方法采用的都是外部参考的方式，通过搭建外部稳频光路，探测激光与原子/谐振腔的相互作用，获得误差信号，再对激光器进行反馈控制。前述的pdh，饱和谱、调制转移谱等稳频方法需要搭建的光路结构较为复杂，因此对工作环境的要求较为苛刻：例如pdh方法使用的光学谐振腔需要真空环境，并且入射光需要严格位于谐振腔的中心，空间上与腔横模相匹配，对振动极为敏感；而饱和谱、调制转移谱等稳频方法采用的光路中，需要严格保持泵浦光与探测光共线反向，否则会导致信号减弱、频移等效应，影响稳频后的激光输出频率。

技术实现要素：

为了克服现有激光稳频技术存在的不足，本发明提出了一种新型的基于拍频锁定的高稳定度双频法拉第激光器及实现方法，本发明实现的激光器系统结构简单，抵抗环境噪声的能力更强，具有较好的相干性，能够实现频差等于碱金属原子基态超精细能级间隔的微波信号输出，线宽小于1khz。

本发明提供的基于拍频锁定的高稳定度双频法拉第激光器，由双频法拉第激光器与拍频锁定系统两个部分组成。双频法拉第激光器通过对工作条件的精密控制，实现两个不同频率的激光模式的同时输出，并且这两个输出频率对应参考原子的两个超精细能级跃迁；例如，在本发明的双频法拉第激光器中852nm的铯原子气室长度为30mm，气室温度43℃，磁场强度330g时，可以使双频法拉第激光器同时输出对应铯原子6s1/2f＝4→6p3/2与6s1/2f＝3→6p3/2两个跃迁频率的激光模式。拍频锁定系统通过锁相控制技术，将双频激光器输出的两个模式的拍频锁定在微波频率参考上，从而对激光器的腔长进行反馈控制，实现双频法拉第激光器的稳频。该系统无需在激光器外对原子光谱进行探测，而是将法拉第反常色散原子滤光器的透射谱用作频率参考，并通过法拉第反常色散原子滤光器的两透射峰之间拍频的锁定来对激光进行进一步的稳频，因此可以将激光稳频的系统大大简化。

其中，双频法拉第激光器利用法拉第反常色散原子滤光器实现对半导体激光器的腔内选模，从而直接输出以原子跃迁频率为频率参考的激光。法拉第反常色散原子滤光器由两个正交放置的偏振分光棱镜、原子气室和永磁体组成；具体的工作原理是：光在通过第一偏振分光棱镜后变为线偏振光，在穿过原子气室时偏振方向由于法拉第旋光效应而发生旋转；由于法拉第旋光效应的频率选择性，只有特定频率的光偏振旋转方向达到90°并穿过第二偏振分光棱镜，而其他频率的光无法通过法拉第反常色散原子滤光器，由此实现了激光器的腔内选模。原子的法拉第旋光效应由原子的跃迁谱线所决定，因此法拉第反常色散原子滤光器的透射谱是以原子跃迁谱线为频率参考的。

由于法拉第反常色散原子滤光器的透射谱是原子数密度、轴向磁场强度以及原子气室长度的函数，通过对上述参数的调节，可以改变法拉第反常色散原子滤光器的透射谱，从而对法拉第半导体激光器的输出频率进行调谐。在合适的原子数密度、轴向磁场强度以及原子气室长度条件下，法拉第反常色散原子滤光器可以实现对应于原子基态两个超精细能级跃迁处的透射谱，可以通过条件优化使两个透射谱的峰值透过率尽量相等，从而在半导体激光器的腔内选出两个激光模式，最终实现双频激光输出。这样，就得到了频率间隔对应原子基态超精细能级跃迁频率的双频法拉第半导体激光器。

本发明提供的技术方案是：

一种基于拍频锁定的高稳定度双频法拉第激光器，由双频法拉第激光器与拍频锁定系统两个部分组成。拍频锁定电路对双频法拉第激光器的两个输出频率的拍频进行探测，并通过腔长反馈来将拍频锁定在微波参考源的频率上，从而实现对双频法拉第激光器的稳频。

双频法拉第激光器由激光二极管、准直透镜、法拉第反常色散原子滤光器、激光腔镜、压电陶瓷构成。拍频锁定系统由半波片、偏振分光棱镜、高速光电探测器、平衡混频器、频率计数器、频率综合发生器、伺服反馈电路与压电陶瓷驱动电路构成。双频法拉第激光器通过工作参数调节满足双频输出的条件，输出对应于参考原子两个超精细能级跃迁频率的输出激光；双频法拉第激光器的输出激光进入拍频锁定系统的光路部分后，拍频锁定系统对输出激光两频率之间的拍频进行探测，与微波参考频率进行比较后产生误差信号，对双频法拉第激光器进行反馈调节，从而对双频法拉第激光器进行稳频。

其中，激光二极管的输出光端面镀有增透膜，后表面镀有高反膜；准直透镜对激光二极管的输出光进行准直，使其变为平行光束；法拉第反常色散原子滤光器起到选出两个腔模的作用，其具体组成部分和原理如下：法拉第反常色散原子滤光器由第一偏振分光棱镜、原子气室、永磁体、第二偏振分光棱镜构成，其中第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜正交放置，永磁体为原子气室提供轴向静磁场，原子气室包含铷或铯等碱金属原子，以产生法拉第旋光效应；激光二极管镀有高反膜的后表面与激光腔镜组成高稳定度双频法拉第激光器的谐振腔；

压电陶瓷起到调节谐振腔腔长，进而控制激光器输出频率的作用。高速光电探测器用于探测并获得两相邻纵模拍频频率与射频频率标准之间的频率偏差即误差信号；高速光电探测器探测到的误差信号经过伺服反馈电路后转化为伺服信号，再传递给压电陶瓷驱动电路，用来稳频。误差信号传递到压电陶瓷驱动电路后，调节压电陶瓷的电压，对激光器谐振腔的腔长进行反馈，进行稳频。

具体实施时，激光二极管发出相干光束，经过准直透镜后成为平行光，该平行光作为入射光，通过法拉第反常色散原子滤光器时完成选模；法拉第反常色散原子滤光器具体选模方式如下：平行光经过第一偏振分光棱镜后成为线偏振光，经过原子气室时则由于法拉第旋光效应而改变偏振方向，通过调整气室温度以及静磁场的强度，使得只有特定频率的光在通过原子气室后的偏振方向旋转角度为90°，从而具有最高的透射率，其余频率的光则无法通过法拉第反常色散原子滤光器；通过设定激光腔镜与入射光的角度，使得所述激光腔镜的反射光与入射光共线反向，反射光全部沿原路返回到所述半导体激光二极管，形成谐振腔反馈；经过法拉第反常色散原子滤光器的选模作用后，与原子谱线对应的激光从第一偏振分光棱镜或第二偏振分光棱镜处反射输出。法拉第反常色散原子滤光器工作在特定的温度和磁场条件下时(在改变工作条件的过程中测量法拉第反常色散原子滤光器的透射谱，可以观察到其中一个峰的增大和另一个峰的减小，在这个过程中有一个范围能够使得两个透射峰的透射率相近，例如，在原子气室长度为30mm时，采用的温度是43℃，磁场强度是330g)，法拉第反常色散原子滤光器的透射谱包含两个稳定且透射率相近的透射峰，从而选出两个激光模式，实现双频激光器的稳定输出。通过对工作条件进行更精细调节，可以使得两个激光模式的频率对应于碱金属原子基态的两个超精细能级跃迁频率，而这两个激光模式的频率之差对应基态的超精细能级间隔。

由于拍频锁定可以稳定腔长，起到优化光频稳定度的作用。因此，本发明对双频法拉第激光器两个输出频率之间的拍频进行锁定，可以提高两个激光模式的频率稳定度，从而利用结构简单的系统实现与碱金属原子谱线相对应的稳频激光。

从双频法拉第激光器的第一偏振分光棱镜或第二偏振分光棱镜处反射输出的光直接输出作为输出激光；输出激光由半波片改变偏振方向后再由第三偏振分光棱镜分束为两路，其中一路输出光进入高速光电探测器，探测到的两个输出模式的拍频与频率综合发生器提供的频率标准在平衡混频器中进行鉴相，获得两相邻纵模拍频频率与射频频率标准之间的频率偏差即误差信号，经伺服反馈电路产生比例-积分-微分反馈信号，传递到压电陶瓷驱动电路，控制激光腔体上的压电陶瓷调节激光谐振腔腔长，实现双频法拉第激光器输出的两个模式拍频与微波频率标准之间的相位锁定，最终实现激光频率的锁定。第三偏振分光棱镜的另一路输出光可以用作光学频率标准，也可以在自由空间或光纤中传播后利用高速光电探测器和频率计数器探测拍频作为微波频率源，实现微波频率的传递。

进一步的，通过改变铯原子法拉第反常色散原子滤光器中铯原子气室的温度和磁场条件，可以改变铯原子法拉第反常色散原子滤光器的两个透射峰对应的频率，从而改变选出的两个激光模式，实现铯原子852nm双频半导体激光器输出频率的可调谐性。

双频法拉第激光器并不局限于铯原子的852nm谱线，也可以采用铷、钾等其他碱金属元素，例如铷原子的780nm谱线。

本发明还提供一种基于拍频锁定的高稳定度双频法拉第激光器的实现方法，包括：

由激光二极管、准直透镜、法拉第反常色散滤光器、激光腔镜与压电陶瓷组成的高稳定度双频法拉第激光器；利用法拉第反常色散原子滤光器对高稳定度双频法拉第激光器进行腔内选模，直接输出以原子跃迁频率为频率参考的激光；

通过改变法拉第反常色散原子滤光器的透射谱，对法拉第半导体激光器的输出频率进行调谐；

给定原子数密度、轴向磁场强度以及原子气室长度条件，使得法拉第反常色散原子滤光器实现对应于原子基态两个超精细能级跃迁处的透射谱，通过条件优化使两个透射谱的峰值透过率尽量相等，从而在半导体激光器的腔内选出两个激光模式，最终实现双频激光输出，由此得到频率间隔对应原子基态超精细能级跃迁频率的双频法拉第半导体激光器。

进一步地，对上述双频法拉第激光器，通过锁相控制技术，将双频法拉第激光器输出的两个激光模式的拍频锁定在微波频率参考上，对激光器的腔长进行反馈调节，实现法拉第激光器的稳频，无需在激光器外对原子光谱进行探测，而是将法拉第反常色散原子滤光器的透射谱用作频率参考，并通过法拉第反常色散原子滤光器的两透射峰之间拍频的锁定来对激光进行进一步的稳频，因此可以将激光稳频的系统大大简化。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

由上述技术方案可知，本发明利用对双频法拉第半导体激光器的两个输出模式的拍频进行锁定，用较简单的系统实现了一种基于双频法拉第半导体激光器的稳频激光器。由于光路结构简单，对工作环境的要求也大大低于传统的pdh，饱和谱，调制转移谱等稳频方法，增强了对环境变化，如振动、温度波动等的耐受性。

由于法拉第反常色散原子滤光器工作在特定的温度和磁场条件下时，法拉第反常色散原子滤光器的透射谱包含两个稳定且透射率相近的透射峰，确保了腔镜反馈输出双频法拉第半导体激光器的频率分别对应法拉第反常色散原子滤光器的双透射峰(通过工作条件的优化，可使得透射峰对应原子谱线的两个基态超精细能级)，且长期稳定工作。由于两个出射频率来自同一台激光器，腔长、激光管电流、激光管温度等工作条件对它们的影响是一致的，因此双频法拉第激光器两个输出模式的拍频抵抗环境噪声的能力更强，具有较好的相干性，可以利用高稳定度双频法拉第激光器的两个输出频率的拍频实现频差等于碱金属原子基态超精细能级间隔的微波信号输出，线宽小于1khz。

附图说明

图1为本发明具体实施方式一中提供的基于拍频锁定的高稳定度双频法拉第激光器；包括双频法拉第激光器1、拍频锁定系统2。

图2为图1中双频法拉第激光器的内部结构，包括镀增透膜的852nm激光二极管1，准直透镜2，由第一偏振分光棱镜3、铯原子气室4、永磁体5和第二偏振分光棱镜6构成的铯原子法拉第原子滤光器，激光腔镜7，压电陶瓷8。

图3为图1中拍频锁定系统的的内部结构，包括半波片1，偏振分光棱镜2，高速光电探测器3，频率综合发生器4，平衡混频器5，伺服反馈电路6，压电陶瓷驱动电路7。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

法拉第激光器利用法拉第反常色散原子滤光器作为腔内选模器件，将外腔半导体激光器的频率直接参考在原子跃迁频率上。因此，法拉第激光器具有中心频率非常稳定，对半导体激光器的温度和电流很不敏感的优势。双频激光器是利用同一个装置，即采用相同的增益介质与谐振腔，同时输出具有不同频率的两个激光模式的激光器。双频激光器输出的两个激光模式具有良好的相干性，产生的微波拍频的线宽小于一般在mhz以下；利用双频激光同时输出两个具有良好相干性的激光频率的特点，可以进行信噪比更高的光谱探测。

本发明提供一种基于拍频锁定的高稳定度双频法拉第激光器及其实现方法，包括：双频法拉第激光器、拍频锁定系统；其中，双频法拉第激光器包括：激光二极管、准直透镜、法拉第反常色散原子滤光器、激光腔镜、压电陶瓷；拍频锁定系统包括：高速光电探测器、平衡混频器、频率计数器、频率综合发生器、伺服反馈电路和压电陶瓷驱动电路；所述法拉第反常色散原子滤光器包括：第一偏振分光棱镜、原子气室、永磁体、第二偏振分光棱镜；所述高稳定度双频法拉第激光器还包括第三偏振分光棱镜、半波片；双频法拉第激光器通过工作参数调节满足双频输出的条件，输出对应于参考原子两个超精细能级跃迁频率的输出激光；双频法拉第激光器的输出激光进入拍频锁定系统的光路部分后，拍频锁定系统对输出激光两频率之间的拍频进行探测，与微波参考频率进行比较后产生误差信号，对双频法拉第激光器进行反馈调节，从而对双频法拉第激光器进行稳频。

图1为本发明提供的具体实施方式一的基于拍频锁定的高稳定度双频法拉第激光器。如图1所示，基于拍频锁定的高稳定度双频法拉第激光器包括：双频法拉第激光器1、拍频锁定系统2。通过对工作条件的精细调节，使得双频法拉第激光器同时输出对应两个超精细能级跃迁频率的激光；双频法拉第激光器的输出激光进入拍频锁定系统的光路部分后，拍频锁定系统对输出激光两频率之间的拍频进行探测，与微波参考频率进行比较后产生误差信号，对双频法拉第激光器进行反馈调节，从而对双频法拉第激光器进行稳频。

图2为上述双频法拉第激光器的内部结构。如图2所示，双频法拉第激光器包括：镀增透膜的852nm激光二极管1，准直透镜2，由第一偏振分光棱镜3、铯原子气室4、永磁体5和第二偏振分光棱镜6构成的铯原子法拉第原子滤光器，激光腔镜7，压电陶瓷8。以上各部件功能描述如下：镀增透膜的激光二极管1发出水平偏振的相干光束，经过准直透镜2，相干光束被准直成为平行光，该平行光作为入射光，经过第一偏振分光棱镜3，入射光依然是水平偏振光，再经过铯原子气室4进行选模，偏振方向由于法拉第旋光效应发生偏转，只有与原子谱线对应的腔模的偏振方向转换为垂直线偏振光，所以选定模式的入射光透过第二偏振分光棱镜6到达所述激光腔镜7，未被选模的入射光被第二偏振分光棱镜6反射输出，通过设定激光腔镜7与被选模入射光的角度，使得激光腔镜7的反射光与被选模入射光共线反向，反射光全部沿原路返回到镀了增透膜的半导体激光二极管1；在镀了增透膜的半导体激光二极管1的后端面与激光腔镜7组成的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，使得被第二偏振分光棱镜6反射输出的光直接输出作为输出激光。

图3为上述拍频锁定系统的的内部结构。如图3所示，拍频锁定系统包括：半波片1，偏振分光棱镜2，高速光电探测器3，频率综合发生器4，平衡混频器5，伺服反馈电路6，压电陶瓷驱动电路7。前述双频法拉第激光器的输出激光在由半波片1改变偏振方向后由偏振分光棱镜2分束，其中一路输出光进入高速光电探测器3，探测到的两个输出模式的拍频与频率综合发生器4提供的频率标准在平衡混频器5中进行鉴相，获得两相邻纵模拍频频率与射频频率标准之间的频率偏差即误差信号，经伺服反馈电路6产生比例-积分-微分反馈信号，控制压电陶瓷驱动电路7，驱动前述双频法拉第激光器的激光腔体上的压电陶瓷，调节激光谐振腔腔长，实现双频法拉第激光器输出的两个模式拍频与微波频率标准之间的相位锁定，最终实现激光频率的锁定。偏振分光棱镜2的另一路输出光可以用作光学频率标准，也可以在自由空间或光纤中传播后探测拍频作为微波频率源，实现微波频率的传递。

法拉第反常色散原子滤光器采用铯原子法拉第反常色散原子滤光器。进一步的，通过改变铯原子法拉第反常色散原子滤光器中铯原子气室的温度和磁场条件，可以改变铯原子法拉第反常色散原子滤光器的两个透射峰对应的频率，从而改变选出的两个激光模式，实现铯原子852nm双频半导体激光器输出频率的可调谐性。

双频法拉第激光器并不局限于铯原子的852nm谱线，也可以采用铷、钾等其他碱金属元素，例如铷原子的780nm谱线。

需要注意的是，显然，以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。