一种提高激光稳频精度的装置及方法

本发明属于激光频率稳定，涉及一种提高激光稳频精度的装置及方法。

背景技术：

1、单频激光器是指在激光以单一纵模(单频)的形式输出，其具有低噪声、长相干长度等特点，在精密原子光谱学、相干激光雷达、大功率相干合成、磁场探测等领域有重要的应用前景。然而，单纯的单频激光器易受外部环境的机械振动、温度波动或内部设备噪声影响而导致激光器的频率会发生抖动与漂移，限制了其在精密原子光谱学和磁场探测等领域的运用。

2、将激光器频率锁定在原子/分子绝对吸收谱线是激光稳频的基本方法。饱和吸收光谱是用于监测原子和分子跃迁的典型调制方法，广泛用于激光频率稳定，一般可以将频率漂移抑制到±100khz左右。为了进一步提高频率的稳定性，需减少甚至消除多普勒背底对鉴频信号的影响。为此，偏振光谱被进一步开发来抑制激光频率漂移，一般可以将频率漂移抑制到±50khz左右。此外，频率调制光谱和调制转移光谱同样被用于激光稳频，后者甚至可以将频率漂移抑制到khz级别。在此基础上，为进一步提高各光谱的稳频效果，一般需要构建更为复杂的气室原子/分子吸收空间光路，这给整个系统的稳定性与鲁棒性带来了挑战，在一定程度上限制了其在某些外环境的运用。因此，亟待开发出一种简单有效的方法提高频率稳定性，并进一步拓宽其运用。

3、无论是饱和吸收光谱、偏振光谱、频率调制光谱还是调制转移光谱，因为功率增宽与饱和增宽等效应的作用，其所获得的误差信号的谱宽一般都高于原子/分子的自然线宽数倍以上。然而，传统稳频装置从未关注激光线宽与误差信号谱宽之间的影响。当激光线宽小于鉴频误差信号谱宽，谱宽范围对应的原子/分子未能充分被利用与激光发生作用，因此获得鉴频误差信号的斜率偏低、精度不足。而当激光线宽高于鉴频误差信号谱宽，输入激光有效作用分量不足，存在无效杂散光成分，同样会导致误差信号的谱宽增加，从而也会使鉴频误差信号的斜率偏低、精度受限。

4、当前，尽管国外报道(rein b,walther t.frequency stabilized diode laserwith variable linewidth at a wavelength of 404.7nm[j].optics letters,2017.)了不同激光线宽展宽条件下的偏振稳频光谱，但是其采用的方式是利用白噪声信号叠加在泵浦二极管驱动电流上，这种技术在腔内调制激光线宽，使得激光输出光的线宽与频率噪声必然劣化，在这种劣化的基础上再进行稳频很难保证稳频性能高于原先未进行展宽条件。基于此，该文章并未对比展宽前后的稳频性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种新方法来提高激光稳频精度，进一步拓宽稳频激光器的运用领域。在获得吸收光谱误差信号谱宽的基础上，通过调节激光线宽调控参数，实现激光线宽与误差信号谱宽相匹配，在固定的鉴频误差信号谱宽内，最大范围地捕获原子/分子与激光相互作用的信号，以获得更高误差信号的过零点斜率，有效增强稳频误差信号精度，从而提高稳频性能。

2、本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种提高激光稳频精度的装置，包括单频激光器、分光耦合器、激光线宽调控系统、原子/分子气室、鉴频系统和伺服系统；

4、其中，单频激光器与分光耦合器相连，一束光作为输出用于后端应用，另一束光用于激光稳频；用于稳频的激光进入激光线宽调制系统实现对激光的线宽调控，并将调控后的激光输出至原子/分子气室；原子/分子气室中的原子/分子特征跃迁中心频率提供绝对频率参考；调控后的激光经过原子/分子气室，获得了吸收光谱信号，所述吸收光谱信号经过鉴频系统可获得误差信号并经过伺服系统反馈到单频激光器实现稳频；

5、鉴频系统可探测到初始线宽条件下误差信号谱宽，随后通过线宽调控系统调节线宽调控参数来实现激光线宽与误差信号谱宽匹配，提高激光与原子/分子的相互作用效率，获取更高精度的稳频误差信号，进而实现激光稳频性能的有效提升。

6、进一步地，所述单频激光器的增益介质包括光纤、固体、半导体或气体。

7、进一步地，所述激光线宽调控系统采用线宽压缩或线宽展宽技术中的一种或多种叠加实现，用于实现线宽调控范围在1mhz～10ghz内。

8、进一步地，原子/分子气室包括具有特定能级跃迁谱线气体中的一种或多种。

9、进一步地，鉴频系统采用的光谱信号包括饱和吸收光谱、偏振光谱、频率调制光谱或调制转移光谱中的一种或多种。

10、进一步地，所述鉴频系统基于锁相放大器链路模块对信号进行锁相。

11、一种提高激光稳频精度的方法，包括以下步骤：

12、s1、将需要稳频的激光输入原子/分子气室，激光经过原子/分子气室，获得了吸收光谱信号；

13、s2、根据步骤s1中的吸收光谱信号，获得误差信号；

14、s3、将步骤s2中得到的误差信号反馈至需要稳频的激光，得到稳频后的激光，若稳频后的激光满足设定的要求，则完成提高激光稳频精度，否则对该激光进行线宽调控，通过调节线宽调控参数，实现激光线宽与误差信号谱宽匹配，提高激光与原子/分子的相互作用效率；

15、s4、将步骤s3中调控后的激光输入原子/分子气室，返回步骤s1。

16、进一步地，步骤s2中，通过锁相放大原理，获得误差信号。

17、进一步地，步骤s2中，基于锁相放大器链路模块对信号进行锁相。

18、进一步地，步骤s3中，所述对该激光进行线宽调控，通过调节线宽调控参数，实现激光线宽与误差信号谱宽匹配，提高激光与原子/分子的相互作用效率，采用线宽压缩或线宽展宽技术中的一种或叠加实现。

19、相对于现有技术，本发明的优点在于：

20、本发明在利用分光耦合器的条件下，保证应用激光窄线宽条件下，仅对稳频激光线宽展宽，通过激光线宽调控系统，使之其与误差信号谱宽匹配，在误差信号谱宽范围内，最大范围地捕获原子/分子与激光相互作用的信号，以获得更高误差信号的过零点斜率，有效增强稳频误差信号精度，从而获得比原始线宽条件下更高稳频性能。并且该技术可与其他技术叠加，也有望打破现有稳频性能极限。

技术特征：

1.一种提高激光稳频精度的装置，其特征在于，包括单频激光器(1)、分光耦合器(2)、激光线宽调控系统(3)、原子/分子气室(4)、鉴频系统(5)和伺服系统(6)；

2.根据权利要求1所述的一种提高激光稳频精度的装置，其特征在于：所述单频激光器(1)的增益介质包括光纤、固体、半导体或气体。

3.根据权利要求1所述的一种提高激光稳频精度的装置，其特征在于：所述激光线宽调控系统(3)采用线宽压缩或线宽展宽技术中的一种或多种叠加实现，用于实现线宽调控范围在1mhz～10ghz内。

4.根据权利要求1所述的一种提高激光稳频精度的装置，其特征在于：原子/分子气室(4)包括具有特定能级跃迁谱线气体中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种提高激光稳频精度的装置，其特征在于：鉴频系统(5)采用的光谱信号包括饱和吸收光谱、偏振光谱、频率调制光谱或调制转移光谱中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种提高激光稳频精度的装置，其特征在于：所述鉴频系统(5)基于锁相放大器链路模块对信号进行锁相。

7.一种提高激光稳频精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种提高激光稳频精度的方法，其特征在于，步骤s2中，通过锁相放大原理，获得误差信号。

9.根据权利要求8所述的一种提高激光稳频精度的方法，其特征在于，步骤s2中，基于锁相放大器链路模块对信号进行锁相。

10.根据权利要求7所述的一种提高激光稳频精度的方法，其特征在于，步骤s3中，所述对该激光进行线宽调控，通过调节线宽调控参数，实现激光线宽与误差信号谱宽匹配，提高激光与原子/分子的相互作用效率，采用线宽压缩或线宽展宽技术中的一种或叠加实现。

技术总结
本发明公开了一种提高激光稳频精度的装置及方法。所述装置主要以单频激光器作为稳频对象，激光经过分光耦合器后，一束光作为输出光，另一束光进入激光线宽调控系统，线宽实现调控。原子/分子特征跃迁谱线中心频率提供绝对频率参考；经过原子/分子气室的激光携带吸收光谱信号，该信号经过鉴频系统后获得误差信号并经过伺服系统反馈到单频激光器实现稳频。鉴频系统可探测到初始线宽条件下误差信号谱宽，通过调节线宽调控参数来实现激光线宽与误差信号谱宽匹配，提高激光与原子/分子的相互作用效率，获取更高精度的稳频误差信号，进而实现激光稳频性能的有效提升。

技术研发人员：赵齐来,徐善辉,曾春,冯洲明,杨中民
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15