专利名称:用锁相环实现横向塞曼激光稳频的制作方法
本发明属于激光稳频技术。
近年来国际上Morris与Umeda等人先后研究了横向塞曼激光器，利用反射镜的双折射效应，可使其拍频调谐曲线呈S形或V形(图1)。已有的横向塞曼激光器，是采用鉴频器组成伺服系统，实现激光稳频。这种用控温或压电陶瓷(PZT)为执行元件的伺服系统，所得到频率稳定性达3×10-10(0.1Sec～100Sec)。由于这类执行元件的时间响应较长，对于外界的快速干扰调节能力不强。仅当开机闭环后15分钟，才能实现频率自动稳定，因此难以在一般的实验室条件下使用。现有锁频技术的缺点，限制了频率稳定性的进一步提高和快速频率锁定。
本发明的任务是克服上述缺点，使之既要对慢变化有较强的调整能力，又要对快变化有较强的调整能力，以便实现激光频率的快速锁定和进一步提高频率稳定性，使该稳频激光器能在一般实验室里进行高精度的光学测量，适用于各种物理光学仪器设备中。
为实现上述目的，发明了横向塞曼激光器的拍频锁相稳频技术，可使光频的稳定性达到5×10-11(0.1Sec～1Sec)，再现性达2×10-9，尤其是拍频的稳定性达到晶振的水平。其设计系统如图2所示，是由参考信号发生器〔1〕、鉴相器〔2〕、鉴频器〔3〕、相加放大器〔4〕、光电接收器〔5〕、PZT执行元件〔6〕、斜率
别装置〔10〕组成。该系统工作时，由参考信号确定所需的拍频f值，闭合K1后闭合K2，使锁频环路闭合，激光频率便被锁定在予定的工作点附近，最后闭合K3，通过锁相环路使拍频和激光频率均被精确锁定。若调节参考信号斜率，可调节锁定的拍频和激光频率。
采用慢环路，快环路共同组成伺服环路(图3(e))使系统有较快的响应。因本系统的执行元件PZT〔6〕是容性元件，为了保证对慢变化有较大的调整能力，要求控制电压达400V以上，这使快速响应难以实现，所以采用高输出阻抗、高输出电压的慢环路〔6-3〕;及低输出阻抗、低输出电压的快环路〔6-2〕共同组成伺服环路把快慢环路分别加在PZT〔6〕的两端解决了这个难题。
另外，通常的鉴频器以直流电压为参考，但鉴相器却要以交流信号的位相为参考，两者难于统调。因此本发明设计了以交流参考信号频率为基准的鉴频器，统一了鉴频和频相的参考信号，既可同步调节又使系统操作简便。
由于国产激光管的拍频调谐曲线多为V形，对应同一个拍频f值，会有两个不同的频率锁定点，为解决锁定点的单值问题，本发明设计了让参考信号和拍频信号分别在鉴相器的两个输入端输入，通过双刀双掷开关变换参考信号和拍频信号的输出端从而改变鉴频调谐曲线斜率的装置，用开关K1选择斜率的符号，解决频率的单值问题。
除上述锁频、锁相两个环路外，再加一个热伺服环路，进一步提高对慢漂移的调整能力。图2所示是一实施例。
光电接收器(图3(a))，是由光电二极管〔5-1〕、前置放大器〔5-2〕组成，经由后置放大器〔5-3〕和D触发器〔5-4〕构成整形电路。此电路可使拍频信号为对称性极好的矩形波，使输出信号在本系统中有明确的相位定义。
参考信号可用内参考〔1-1〕也可以用外参考〔1-2〕。内参考信号由晶振、数字分频电路和整形电路组成(图3(b))，调节予置开关〔1-5〕可获得所需的频率。由与非门〔1-6〕组成的选择电路实现内、外参考信号的切换。
鉴频器由两个独立的单稳频触发器〔2-2〕与差分式积分放大器〔2-3〕组成(图3(o))。它有两个输入端分别输入参考信号〔2-1〕和拍频信号△f，鉴频器的输出电压乃是这两种信号频差的量度。且鉴频器的输出端〔2-4〕与观测端相联，可通过与观测端联好的记录仪，测出激光器的拍频调谐曲线。
鉴相器由异或门〔3-2〕和积分放大器〔3-3〕组成(图3(d))。其鉴相特性曲线呈单极性等腰三角形。积分放大器由<math><msub><mi>R</mi><mi>W2</mi></msub></math>组成的分压电路供给偏置电压，调节
使该电路有双极性等腰三角形鉴相特性，并使其在两个极性方向有相同的动态范围。在环路锁定时，两路信号的相差可以保持± (π)/2 左右。
电压驱动级，是用高反压管T1组成的双端输入，单端输出的放大器(图3(e))。输出电压的动态范围大于400V，可使腔长调节3-4个纵模间隔。它的两个输入端分别输入鉴相信号与鉴频信号，因此是锁频、锁相环路的公用驱动级。由于管T1的负载电阻高，故此驱动级不能实现快速驱动，所以又称为慢环路〔6-3〕，对于快速鉴相信号，则通过低输出阻抗的跟随器T3、T4直接驱动PZT〔6〕，快信号加在〔6〕的B端，慢信号加在〔6〕的A端，在A端连有旁路电容，使A点为快信号的地。锁相慢环路中有个低通反向器，一方面阻止快信号进入慢环路，另一方面使快、慢环路有相同的驱动效果，同时通过十圈电位器提供偏压，可实现手动搜索〔6-4〕。
整机装置中有一个示波管、数字电压表及数字频率计。数字频率计分别显示拍频、参考信号的频率值;数字电压表显示鉴频、鉴相以及PZT偏压的电压值。当系统进入稳定状态时，示波管上显示出一稳定的1∶1的李萨茹图形，由图形的稳定度、线宽可直观的了解稳频的性能。
用(图2)实施例稳频，对石英玻壳激光管初次开机五分钟内，便可获得频率稳定的激光输出。若使用的中途关机几分钟后，再开机仍可立即进行频率锁定。其频率稳定性在0.01Sec、0.1Sec、1Sec和10Sec取样时间，分别为2.4×10-10、2.7×10-11、5.1×10-11和9.3×10-11的频率，再现性为2×10-9(半月)。加上热伺服环路，可以抑制激光管漂移，进而获得更好的长期稳定性。
本发明对于激光稳频技术有了新的推进。这种稳频激光器能直接输出频率高度稳定的正交线偏振光，其输出频率在100～200MHZ范围内;无调制、可调谐。该稳频激光器可作为一般实验室、车间中的稳频光源，它还能够开发出多种新型的光学仪器。
说明书
图1 横向塞曼激光拍频谐调曲线示意图
(a)S形 (b)V形
图2 横向塞曼稳频激光器原理图
1参考信号发生器 2鉴相器 3鉴频器
4相加放大器 5光电接收器 6PZT执行元件
745°偏振片 8.磁铁 9He-Ne激光管
10斜率
别装置
图3(a) 光电接收器原理图
5-1光电二极管 5-2前置放大器
5-3后置放大器 5-4D触发器
图3(b) 内外参考信号切换、分频、整形原理图
1-1内参考信号 1-2外参考信号
1-3予置计数器 1-4参考信号选择
1-5予置开关 1-6与非门
图3(c) 鉴频器原理图
3-1参考信号 3-2双单稳频触发器
3-3积分放大器 3-4鉴频输出
图3(d) 鉴相器原理图
2-1参考信号 2-2异或门
2-3积分放大器 2-4鉴相输出
图3(e) PZT电压驱动级原理图
6-1锁频环路 6-2锁相快环路
6-3锁相慢环路 6-4手动搜索
6 PZT执行元件
权利要求
1、一种横向塞曼激光稳频的方法，其特征在于鉴相器[2]、鉴频器[3]是以同一交流信号频率为参考，实现了锁频、锁相环路系统的同步调节。
2、一种由参考信号发生器〔1〕、鉴相器〔2〕、鉴频器〔3〕、相加放大器〔4〕、光电接收器〔5〕、及PZT执行元件〔6〕组成的横向塞曼激光稳频器，其特征在于具有由快环路和慢环路共同组成的伺服环路。
3、按照权利要求
2中所述的稳频器，其特征在于具有热伺服环路。
4、按照权利要求
2中所述的稳频器，其特征是在伺服环路中设有一斜率
别的装置〔10〕，使锁定点为单值。
专利摘要
锁相环实现横向塞曼激光稳频属于激光稳频技术。本发明由于使用了锁相、锁频环路，使光频的稳定性达5×10-11(O.1sec.-1sec.)、再现性达2×10-9，且光频可调谐。其特点是设计了用同一交流信号为参考的鉴频器、鉴相器，使该系统可以同步调节；又设计了由慢锁相环路和快锁相环路组成的伺服环路，使系统能有大的动态范围，又能跟踪快速变化。该稳频激光器便于实施、操作方便，且可做为一般实验室、车间中的稳频光源，还能由此开发出多种新型光学仪器。
文档编号H01S3/137GK85100283SQ85100283
公开日1986年8月6日 申请日期1985年4月1日
发明者王楚, 沈伯弘, 胡义芳, 段振华, 郭红, 王道宪 申请人:北京大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan