專利名稱：激光頻率和功率的穩(wěn)定方法及穩(wěn)定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光頻率和功率的穩(wěn)定領(lǐng)域，具體地指一種激光頻率和功率的穩(wěn)定方法及穩(wěn)定裝置。
背景技術(shù)：
頻標的相對頻率準確度和穩(wěn)定度都和標稱頻率f成反比，光波頻率比微波頻率高出4 一 5個量級，如果其對應(yīng)的參考譜線的線寬Af與工作在微波波段的傳統(tǒng)頻標(銣、氫、銫鐘)相同，那么用于穩(wěn)頻譜線的Q(=f/Af)值則為微波頻標的幾萬一幾十萬倍，即從理論上預(yù)言光頻標的穩(wěn)定度和準確度比微波頻標高出4-5個量級，這是目前光頻標發(fā)展十分迅速的原因。同時，隨著超窄線寬激光技術(shù)和飛秒光學(xué)頻率梳技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)頻率標準取得了迅猛的發(fā)展，目前世界上最好的Al+光頻標的精度已經(jīng)達到了 10_18，比目前的微波頻標高2個量級。高精度的光學(xué)頻率標準對于基本物理常數(shù)的測量，基本物理定律的檢驗以及發(fā)展更高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)都有很大意義。為了實現(xiàn)光學(xué)頻率標準，窄線寬的激光器是必不可少的，而其核心就是采用邊帶調(diào)制穩(wěn)頻方法將鐘躍遷探測光的頻率鎖定在一個高穩(wěn)定度的光學(xué)諧振腔上，通過光電探測器探測諧振腔反射光信號，將其轉(zhuǎn)化為電信號，利用低通濾波電路和放大電路對信號進行處理之后，作為誤差信號送入反饋執(zhí)行機構(gòu)從而實現(xiàn)激光頻率的鎖定。該方法中，進腔之前的激光功率的穩(wěn)定性非常重要，由于激光功率的影響會造成光學(xué)諧振腔的腔長的變化，改變腔的諧振頻率，從而造成激光鎖定到腔之后的頻率。因此，激光功率穩(wěn)定性對于頻率穩(wěn)定的效果具有至關(guān)重要的影響，因此需要在激光進腔之前對激光進行功率穩(wěn)定。傳統(tǒng)的激光頻率和功率穩(wěn)定裝置如圖1所示，其中實線部分為光路、虛線部分為電路，Laser-激光器、A0M1-第一聲光調(diào)制器、A0M2-第二聲光調(diào)制器、EOM-電光調(diào)制器、BS-分束片、PBS-偏振分光棱鏡、PDl-第一光電探測器、PD2-第二光電探測器、λ/4-λ/4波片。傳統(tǒng)激光頻率的穩(wěn)定方法，是利用一個高精細度的法布里-玻羅光學(xué)諧振腔實現(xiàn)對激光頻率的鎖定。通過偏振分光棱鏡PBS獲得光學(xué)諧振腔的反射信號，用第二光電探測器PD2接收后和電光調(diào)制器EOM的第二驅(qū)動源發(fā)出的信號進行混頻，經(jīng)過低通濾波器得到頻率的糾偏信號作為快環(huán)和慢環(huán)分別反饋給第一聲光調(diào)制器AOMl的第一驅(qū)動源的調(diào)頻端口和激光器Laser本身的壓電陶瓷，以壓窄激光器Laser的線寬和長期漂移。傳統(tǒng)激光功率的穩(wěn)定方法，是通過第二聲光調(diào)制器A0M2的第三驅(qū)動源的驅(qū)動功率來實現(xiàn)，具體來講就是利用第二聲光調(diào)制器A0M2的一級光衍射效率的改變從而實現(xiàn)O級光功率的改變。而第二聲光調(diào)制器A0M2 —級光衍射效率的大小與第二聲光調(diào)制器A0M2所加第三驅(qū)動源的幅度大小有關(guān)。對于通過第二聲光調(diào)制器A0M2的O級光，通過分束片BS讓一部分光進入第一光電探測器HH，然后將第一光電探測器PDl產(chǎn)生的電壓信號送入功率穩(wěn)定電路與一個模擬電壓參考進行比較，經(jīng)過差分放大和比例積分電路得到糾偏信號，將糾偏信號送入第二聲光調(diào)制器A0M2的第三驅(qū)動源的調(diào)壓端口，由于第三驅(qū)動源的幅度被調(diào)制，因此根據(jù)聲光調(diào)制器的基本原理，第二聲光調(diào)制器A0M2 —級衍射光的衍射效率將會改變，從而零級光的功率也會改變，最終由于功率穩(wěn)定電路的不斷反饋從而實現(xiàn)O級光的功率穩(wěn)定在一個參考值上，由此實現(xiàn)激光功率的穩(wěn)定。在這個功率穩(wěn)定方法中并沒有利用第二聲光調(diào)制器A0M2的一級光，原因是第三驅(qū)動源本身的輸出頻率可能就不夠穩(wěn)定，從而影響進一步的穩(wěn)頻。但是這種傳統(tǒng)的穩(wěn)定方法，通常要使用兩個聲光調(diào)制器來分別實現(xiàn)激光功率和頻率的穩(wěn)定，增加了光路和電路的復(fù)雜性，同時，功率穩(wěn)定電路中的模擬電壓參考可能還不夠穩(wěn)定，經(jīng)過實驗也發(fā)現(xiàn)其功率穩(wěn)定效果還不足以達到我們的要求，激光通過兩個聲光調(diào)制器同時也會造成一部分光功率的浪費。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提供一種激光頻率和功率的穩(wěn)定方法及穩(wěn)定裝置，采用該方法及裝置能夠利用一個聲光調(diào)制器同時實現(xiàn)激光頻率和功率的雙重穩(wěn)定。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的激光頻率和功率的穩(wěn)定方法，包括以下步驟:I)獲取激光通過聲光調(diào)制器的一級衍射光；2)將通過聲光調(diào)制器的一級衍射光射入光電探測器；3)用光電探測器探測一級衍射光的強度；4)將光電探測器探測到的信號進行處理；5)將處理后的信號送至驅(qū)動源；6)驅(qū)動源輸出信號作用于聲光調(diào)制器，從而實現(xiàn)激光頻率和功率的穩(wěn)定。本發(fā)明所提供的激光頻率和功率的穩(wěn)定裝置，包括激光器、聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器、偏振分光棱鏡、λ /4波片、法布里-玻羅干涉儀依順次通過激光光路連接，偏振分光棱鏡還通過激光光路與第二光電探測器連接；聲光調(diào)制器和電光調(diào)制器通過電纜分別連接有第一驅(qū)動源和第二驅(qū)動源，第二驅(qū)動源和第二光電探測器通過電纜與混頻器相連，混頻器通過低通濾波器與第一驅(qū)動源相連。進一步、所述的激光頻率和功率穩(wěn)定裝置還包括氫鐘、分束片、第一光電探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、比較器、十六位數(shù)字基準電壓源和通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，分束片通過激光光路設(shè)置在聲光調(diào)制器和電光調(diào)制器之間，分束片還通過激光光路與第一光電探測器相連，第一光電探測器上通過電纜依順次連接有模數(shù)轉(zhuǎn)換器和比較器，比較器的輸入端通過電纜連接有十六位數(shù)字基準電壓源，比較器的輸出端通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器與第一驅(qū)動源相連，第一驅(qū)動源外部輸入端通過電纜連接有氫鐘。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明基于氫鐘和數(shù)字電壓參考，只使用了一個聲光調(diào)制器來同時實現(xiàn)了激光功率和頻率的穩(wěn)定，這樣就大大減少了系統(tǒng)光路和電路的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。而且減少了由于聲光調(diào)制器衍射效應(yīng)導(dǎo)致的激光功率的損失，可以將節(jié)約一部分光功率用于其它實驗。我們采用數(shù)字電壓基準作參考，這樣相對于模擬電路就可以大大提高參考的精度及穩(wěn)定性，實現(xiàn)更高的功率穩(wěn)定效果，而且提高了我們的頻率穩(wěn)定效果。


圖1為傳統(tǒng)的激光頻率和功率穩(wěn)定裝置的結(jié)構(gòu)不意圖。圖2為本發(fā)明所提供的激光頻率和功率穩(wěn)定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。圖2所示的一種激光頻率和功率穩(wěn)定裝置，包括激光器1、聲光調(diào)制器2、分束片3、電光調(diào)制器4、偏振分光棱鏡5、λ /4波片6、法布里-玻羅干涉儀7依順次通過激光光路連接，分束片3和偏振分光棱鏡5還通過激光光路分別與第一光電探測器8和第二光電探測器9連接；聲光調(diào)制器2和電光調(diào)制器4通過電纜分別連接有第一驅(qū)動源10和第二驅(qū)動源11，第一驅(qū)動源10外部輸入端通過電纜連接有氫鐘12，第一光電探測器8上通過電纜依順次連接有模數(shù)轉(zhuǎn)換器13和比較器14，第二驅(qū)動源11和第二光電探測器9通過電纜與混頻器15相連，混頻器15通過低通濾波器16與第一驅(qū)動源10的調(diào)頻端口相連，比較器14的輸入端通過電纜連接有十六位數(shù)字基準電壓源17，比較器14的輸出端通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器18與第一驅(qū)動源10的調(diào)壓端口相連。第一驅(qū)動源10和第二驅(qū)動源11均為信號發(fā)生器，第一驅(qū)動源10輸出的正弦波的頻率能夠達到300MHz，輸出功率能夠達到2W ;第二驅(qū)動源11輸出的正弦波的頻率能夠達到20MHz，輸出幅度能夠達到100V。激光頻率的穩(wěn)定方法包括以下步驟:I)獲取激光通過聲光調(diào)制器2的一級衍射光；2)將獲取的一級衍射光通過電光調(diào)制器4，使激光產(chǎn)生兩個頻率邊帶，即通過電光調(diào)制器4的激光含有三個頻率成分，載波角頻率ω、高頻成分角頻率ω + Ω和低頻成分角頻率ω-Ω，其中Ω為第二驅(qū)動源11輸出信號的角頻率大小；3 )將通過電光調(diào)制器4的光經(jīng)過偏振分光棱鏡5和λ /4波片6后射入法布里-玻羅干涉儀7 ；4)用第二光電探測器9探測激光進入法布里-玻羅干涉儀7的反射光強信號作為
頻率誤差信號；5)將第二光電探測器9探測到的頻率誤差信號與第二驅(qū)動源11的頻率振蕩信號用混頻器15進行混頻；6)將混頻器15輸出的信號經(jīng)過低通濾波器16得到頻率的糾偏信號；7)將頻率的糾偏信號分為頻率段為IkHz到IMHz的頻率糾偏信號和IkHz以下的頻率糾偏信號分別作為快環(huán)和慢環(huán)通過電纜分別反饋到聲光調(diào)制器2和激光器1，從而實現(xiàn)激光頻率鎖定在法布里-玻羅干涉儀7上。激光功率的穩(wěn)定方法包括以下步驟:I)氫鐘12產(chǎn)生標準IOMHz頻率信號，將產(chǎn)生的標準IOMHz頻率信號通過電纜輸入到第一驅(qū)動源10的外部頻率參考輸入端；2)獲取激光通過聲光調(diào)制器2的一級衍射光；3 )將獲取的一級衍射光通過分束片3分出一部分射入第一光電探測器8用于穩(wěn)定激光功率；4)將第一光電探測器8探測到的電壓信號通過電纜輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器13，模數(shù)轉(zhuǎn)換器13將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，十六位數(shù)字基準電壓源17發(fā)出十六位數(shù)字基準電壓；
5)將從模數(shù)轉(zhuǎn)換器13輸出的數(shù)字信號與十六位數(shù)字基準電壓一同送入比較器14比較，從而獲得激光功率的電壓糾偏信號；6)將獲得的電壓糾偏信號送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器18，數(shù)模轉(zhuǎn)換器18將其轉(zhuǎn)化為模擬信號;7)數(shù)模轉(zhuǎn)換器18將轉(zhuǎn)化的模擬信號經(jīng)過電纜輸入到第一驅(qū)動源10的外部調(diào)壓端口，從而改變第一驅(qū)動源10的輸出信號電壓大??；8)第一驅(qū)動源10將步驟6和步驟7中產(chǎn)生的電壓信號輸入到聲光調(diào)制器2的驅(qū)動端口從而實現(xiàn)激光功率的穩(wěn)定。頻率為COtl的激光經(jīng)過電光調(diào)制器之后，其頻率被射頻頻率Ω (通常為5-20MHZ)調(diào)制，在載波頻率(carrier frequency) ω^兩邊產(chǎn)生兩個頻率分別為Coc1-Q和α^+Ω的邊帶，這兩個邊帶的幅度一致但相位相反，在調(diào)制頻率大于參考腔的線寬的情況下，如果將載波頻率調(diào)于腔的諧振頻率，則載波可以耦合到腔里面，而邊帶不能耦合到腔中。從腔反射回來的信號利用光電二極管或者光電倍增管接收，當激光的載波頻率與參考腔的諧振頻率完全匹配時，從腔反射回來的邊帶幅度相等但是相位相反，造成的結(jié)果是光電二極管輸出的光電流不包含頻率為Ω的成分。如果激光頻率和腔的諧振頻率有一定的失諧，記為△ ω，那么反射回來的兩個邊帶的幅度并不相消，這時候光電二極管輸出的電流信號中就包含頻率為Ω的成分，該成分的幅度與Λ ω成正比，該信號經(jīng)過濾波之后和本機振蕩(Local oscillator,頻率為Ω)的信號送入混頻器混頻，混頻器的輸出信號的幅度和Δ ω成正比，這個信號就是誤差信號，該信號中包含高頻(一般為MHz量級)和低頻(小于IkHz)部分，其中高頻部分的誤差信號送入激光器的電流源直接控制激光二極管的注入電流，而低頻部分反饋到激光器光柵的ΡΖΤ，控制光柵的角度。利用這種方法，激光器能夠鎖定的范圍為兩個調(diào)制邊帶的所包含的頻率范圍，例如調(diào)制頻率為10MHz，那么鎖定的范圍就是中心頻率左右各IOMHz。本發(fā)明的工作原理是這樣的，基本思想是利用一個聲光調(diào)制器2和一個電光調(diào)制器4。對于激光頻率的穩(wěn)定，我們利用法布里-玻羅干涉儀7的高精細度光學(xué)諧振腔實現(xiàn)對激光頻率的鎖定，通過偏振分光棱鏡5獲得光學(xué)諧振腔的反射信號，用第二光電探測器9接收后和第二驅(qū)動源11發(fā)出的頻率信號進行混頻，經(jīng)過低通濾波得到頻率的糾偏信號分為頻率段為IkHz到IMHz的頻率糾偏信號和IkHz以下的頻率糾偏信號作為快環(huán)和慢環(huán)分別反饋給第一驅(qū)動源10的調(diào)頻端口和激光器I電路控制盒的外部鎖定輸入端，從而實現(xiàn)激光的頻率穩(wěn)定。對于功率穩(wěn)定，將氫鐘信號作為穩(wěn)定的頻率參考輸入到第一驅(qū)動源10的外部頻率參考輸入端，由于聲光調(diào)制器2的I級衍射光的頻率取決于聲光調(diào)制器2的驅(qū)動頻率，因此，只要保證第一驅(qū)動源10的輸出頻率準確性和穩(wěn)定性，就可以保證聲光調(diào)制器2的I激光的頻率準確性和穩(wěn)定性，從而使聲光調(diào)制器2的I級衍射光的頻率精確并保持穩(wěn)定，我們利用聲光調(diào)制器2的I級衍射光作為激光功率穩(wěn)定的待穩(wěn)光。由于聲光調(diào)制器2的I級衍射光的功率取決于聲光調(diào)制器2的驅(qū)動功率，即第一驅(qū)動源10的輸出功率，因此通過調(diào)節(jié)第一驅(qū)動源10的輸出功率，就可以調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器2的I級衍射光的功率。將通過聲光調(diào)制器2的I級衍射光用一個分束片3進行分光，由于分束片3不具備偏振選擇性，因此激光經(jīng)過分束片3之后的透射光和反射光的功率比恒定，不會隨著激光偏振的變化而變化。利用第一光電探測器8進行探測， 將光信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，再將電壓信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號與一個十六位的數(shù)字基準電壓進行比較，得到電壓糾偏信號后再通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器18轉(zhuǎn)換為模擬信號并反饋到第一驅(qū)動源10的調(diào)壓端口，從而調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器2的I級衍射光效率，這樣就可以將激光功率穩(wěn)定在我們想要的功率值。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種激光頻率和功率的穩(wěn)定方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 1)獲取激光通過聲光調(diào)制器的一級衍射光； 2)將通過聲光調(diào)制器的一級衍射光射入光電探測器； 3)用光電探測器探測一級衍射光的強度； 4)將光電探測器探測到的信號進行處理； 5)將處理后的信號送至驅(qū)動源； 6)驅(qū)動源輸出信號作用于聲光調(diào)制器，從而實現(xiàn)激光頻率和功率的穩(wěn)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光頻率和功率的穩(wěn)定方法，其特征在于，所述激光頻率的穩(wěn)定方法包括以下步驟: 1)獲取激光通過聲光調(diào)制器的一級衍射光； 2)將獲取的一級衍射光通過電光調(diào)制器，使激光產(chǎn)生兩個頻率邊帶，即通過電光調(diào)制器的激光含有三個頻率成分，載波角頻率《、高頻成分角頻率ω + Ω和低頻成分角頻率ω-Ω，其中Ω為第二驅(qū)動源輸出信號的角頻率大??； 3)將通過電光調(diào)制器的激光經(jīng)過偏振分光棱鏡和λ/4波片后射入法布里-玻羅干涉儀； 4)用第二光電探測器探測激光進 入法布里-玻羅干涉儀的反射光強信號作為頻率誤差 目號; 5)將第二光電探測器探測到的頻率誤差信號與第二驅(qū)動源的頻率振蕩信號用混頻器進行混頻； 6)將混頻器輸出的信號經(jīng)過低通濾波器得到頻率的糾偏信號； 7)將頻率的糾偏信號分為頻率段為IkHz到IMHz的頻率糾偏信號和IkHz以下的頻率糾偏信號分別作為快環(huán)和慢環(huán)通過電纜分別反饋到聲光調(diào)制器和激光器，從而實現(xiàn)激光頻率鎖定在法布里-玻羅干涉儀上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光頻率和功率的穩(wěn)定方法，其特征在于，所述激光功率的穩(wěn)定方法包括以下步驟: 1)氫鐘產(chǎn)生標準IOMHz頻率信號，將產(chǎn)生的標準IOMHz頻率信號通過電纜輸入到第一驅(qū)動源的外部頻率參考輸入端； 2)獲取激光通過聲光調(diào)制器的一級衍射光； 3)將獲取的一級衍射光通過分束片分出一部分射入第一光電探測器用于穩(wěn)定激光功率； 4)將第一光電探測器探測到的電壓信號通過電纜輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，十六位數(shù)字基準電壓源發(fā)出十六位數(shù)字基準電壓； 5)將從模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號與十六位數(shù)字基準電壓一同送入比較器比較，從而獲得激光功率的電壓糾偏信號； 6)將獲得的電壓糾偏信號送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化為模擬信號； 7)數(shù)模轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)化的模擬信號經(jīng)過電纜輸入到第一驅(qū)動源的外部調(diào)壓端口，從而改變第一驅(qū)動源的輸出信號電壓大??； 8)第一驅(qū)動源將步驟7中產(chǎn)生的電壓信號輸入到聲光調(diào)制器的驅(qū)動端口從而實現(xiàn)激光功率的穩(wěn)定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述的激光頻率和功率的穩(wěn)定方法，其特征在于，所述第一驅(qū)動源和第二驅(qū)動源均為信號發(fā)生器。
5.一種激光頻率和功率穩(wěn)定裝置，其特征在于包括激光器、聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器、偏振分光棱鏡、λ /4波片、法布里-玻羅干涉儀依順次通過激光光路連接，偏振分光棱鏡還通過激光光路與第二光電探測器連接；聲光調(diào)制器和電光調(diào)制器通過電纜分別連接有第一驅(qū)動源和第二驅(qū)動源，第二驅(qū)動源和第二光電探測器通過電纜與混頻器相連，混頻器通過低通濾波器與第一驅(qū)動源相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光頻率和功率穩(wěn)定裝置，其特征在于還包括氫鐘、分束片、第一光電探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、比較器、十六位數(shù)字基準電壓源和通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，分束片通過激光光路設(shè)置在聲光調(diào)制器和電光調(diào)制器之間，分束片還通過激光光路與第一光電探測器相連，第一光電探測器上通過電纜依順次連接有模數(shù)轉(zhuǎn)換器和比較器，比較器的輸入端通過電纜連接有十六位數(shù)字基準電壓源，比較器的輸出端通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器與第一驅(qū)動源相連，第一驅(qū)動源外部輸入端通過電纜連接有氫鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要 求5或6所述的激光頻率和功率穩(wěn)定裝置，其特征在于，所述第一驅(qū)動源和第二驅(qū)動源均為信號發(fā)生器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光頻率和功率的穩(wěn)定方法及穩(wěn)定裝置，該方法包括獲取一級衍射光；將一級衍射光射入光電探測器；探測一級衍射光的強度；將探測到的信號進行處理；將處理后的信號送至驅(qū)動源；驅(qū)動源輸出信號作用于聲光調(diào)制器。該裝置包括激光器、聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器、偏振分光棱鏡、λ/4波片、法布里-玻羅干涉儀。本發(fā)明大大提高參考的精度及穩(wěn)定性，實現(xiàn)更高的功率穩(wěn)定效果，而且提高了頻率穩(wěn)定效果。
文檔編號H01S5/0683GK103151696SQ20131005436
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月20日
發(fā)明者邊武, 管樺, 黃垚, 劉培亮, 陳婷, 杜麗軍, 邵虎, 錢源, 高克林 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所