連續(xù)可調(diào)諧激光的頻率鎖定系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光頻率鎖定技術(shù)，具體是一種利用調(diào)制解調(diào)把激光器鎖定到透射峰可調(diào)諧的光纖光柵上，獲得激光的高頻率穩(wěn)定性和鎖定波長(zhǎng)可調(diào)諧的方法。解決了激光器鎖定后不能連續(xù)調(diào)諧的問(wèn)題。對(duì)通過(guò)光柵的激光進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制，使用鎖相放大器解調(diào)獲得鑒頻信號(hào)，把反饋信號(hào)加載到激光器調(diào)制端口，實(shí)現(xiàn)激光器的頻率鎖定到光柵的透射峰上。改變環(huán)境溫度調(diào)節(jié)光纖光柵透射波長(zhǎng)獲得鎖定激光的波長(zhǎng)可調(diào)諧輸出。本發(fā)明壓縮了激光器的頻率起伏，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)可調(diào)諧的高頻率穩(wěn)定性的激光輸出。
【專利說(shuō)明】連續(xù)可調(diào)諧激光的頻率鎖定系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及激光穩(wěn)頻技術(shù)，具體是一種連續(xù)可調(diào)諧激光的頻率鎖定系統(tǒng)，利用調(diào)制解調(diào)技術(shù)把激光器頻率鎖定到窄帶可調(diào)諧光柵的透射峰上，獲得激光的高頻率穩(wěn)定性和鎖定波長(zhǎng)可調(diào)諧的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]頻率穩(wěn)定的可調(diào)諧激光器在原子分子光譜、精密測(cè)量和光通信領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用，因此人們發(fā)展了許多方法用于鎖定激光頻率。鎖定激光頻率需要一個(gè)穩(wěn)定的參考源作為頻率標(biāo)準(zhǔn)，利用反饋系統(tǒng)把激光頻率實(shí)時(shí)鎖定到參考源上。通常的參考源是原子或者分子的吸收譜線或者熒光光譜，這種方法能把激光器鎖定在與吸收線或熒光對(duì)應(yīng)的固定的頻率附近，然而激光器鎖定后不能連續(xù)調(diào)諧。另外一種常用的激光器鎖定的方法采用光學(xué)諧振腔(FP腔)作為參考源，F(xiàn)P腔具有可調(diào)諧、穩(wěn)定性高等特性，改變FP腔的長(zhǎng)度能夠?qū)崿F(xiàn)激光器鎖定后的連續(xù)調(diào)諧。由于直接鎖定在FP腔的方法沒有對(duì)應(yīng)吸收線作為參考源，也有人把兩種方法組合，首先把參考激光鎖定在原子或分子吸收線上，再把FP腔鎖在參考激光上，最后把激光鎖定到FP腔上，但是高精細(xì)度FP腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受到外界環(huán)境干擾，同時(shí)存在成本高，難以維護(hù)的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決存在的上述問(wèn)題，提供了一種連續(xù)可調(diào)諧激光的頻率鎖定系統(tǒng)及方法。
[0004]本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種連續(xù)可調(diào)諧激光的頻率鎖定系統(tǒng)，包括單頻窄線寬光纖激光器，所述單頻窄線寬光纖激光器輸出激光依次經(jīng)過(guò)衰減器、電偏振控制器、光纖布拉格光柵和光電探測(cè)器，所述光電探測(cè)器輸出端分別與數(shù)字示波器和鎖相放大器的輸入端連接，所述鎖相放大器的調(diào)制端口與第一加法器的一輸入端連接，所述鎖相放大器的解調(diào)端口分別與比例積分微分器和數(shù)字示波器的輸入端連接，所述比例積分微分器輸出端與第一加法器的另一輸入端連接，所述第一加法器的輸出端與第二加法器的一輸入端連接，所述第二加法器的另一輸入端與信號(hào)發(fā)生器的輸出端連接；所述第二加法器的輸出端與單頻窄線寬光纖激光器的調(diào)制端口連接。
[0005]利用上述系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)可調(diào)諧激光的頻率鎖定方法，包括如下步驟:單頻窄線寬光纖激光器輸出線偏振激光，經(jīng)過(guò)衰減器衰減到弱光，之后經(jīng)過(guò)偏振控制器和光纖布拉格光柵，透射光被光電探測(cè)器探測(cè)，光電探測(cè)器輸出電信號(hào)進(jìn)入數(shù)字示波器觀察透射結(jié)果，鎖相放大器調(diào)制端口輸出的正弦波調(diào)制信號(hào)通過(guò)第一加法器輸入到第二加法器，與信號(hào)發(fā)生器輸出的鋸齒波掃頻信號(hào)通過(guò)第二加法器疊加后，一起輸入到單頻窄線寬光纖激光器的調(diào)制端口，掃描激光器輸出頻率，同時(shí)改變光纖布拉格光柵環(huán)境溫度使得透射峰進(jìn)入激光器的頻率掃描范圍內(nèi)，可以得到光纖布拉格光柵的透射譜線；調(diào)節(jié)偏振控制器使入射光的偏振對(duì)準(zhǔn)光纖布拉格光柵的慢軸，從而使光柵有最大的透射效率,之后光電探測(cè)器輸出電信號(hào)進(jìn)入鎖相放大器進(jìn)行解調(diào)，調(diào)節(jié)鎖相放大器使得其解調(diào)端口輸出信噪比最大的鑒頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)比例積分微分器后，鑒頻信號(hào)通過(guò)第一加法器、第二加法器也加載到激光器的調(diào)制端口，之后，逐漸減小信號(hào)發(fā)生器的掃頻電壓至最小，同時(shí)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的掃頻偏置，使得在數(shù)字示波器上觀察到光纖布拉格光柵的透射峰進(jìn)入鑒頻信號(hào)的反饋范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)激光器的頻率鎖定，即激光器頻率鎖定到光纖布拉格光柵的透射峰上；最后，調(diào)節(jié)比例積分微分器，使得在數(shù)字示波器上觀察到鎖定后的激光器頻率的起伏最小。
[0006]上述方法采用鋸齒波掃頻信號(hào)和正弦波調(diào)制信號(hào)通過(guò)加法器加在一起調(diào)制激光器頻率，探測(cè)器探測(cè)到的透射信號(hào)進(jìn)入鎖相放大器解調(diào)，得到對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率處的鑒頻信號(hào)，選擇合適的積分時(shí)間，靈敏度使鑒頻信號(hào)信噪比最大，之后鑒頻信號(hào)送入PID改變鑒頻信號(hào)的強(qiáng)度和響應(yīng)時(shí)間，把鑒頻信號(hào)通過(guò)加法器一起加到激光器的PZT調(diào)制端口，逐漸減小掃頻電壓至最小，同時(shí)調(diào)節(jié)掃頻偏置使透射峰進(jìn)入鑒頻信號(hào)曲線的反饋范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)激光器的頻率鎖定。實(shí)現(xiàn)激光頻率鎖定后調(diào)諧光纖布拉格光柵到不同的頻率，均可實(shí)現(xiàn)激光頻率的可調(diào)諧鎖定。
[0007]作為參考源的是窄帶移相光纖布拉格光柵，利用紫外光束干涉并將干涉圖樣刻蝕在光纖的芯徑上，導(dǎo)致光纖芯徑的折射率發(fā)生周期性變化，形成了空間相位光柵，再利用UV光照射光纖光柵，使光柵中心折射率發(fā)生變化，相對(duì)于光纖其它位置有固定相位差，從而在阻帶中形成超窄帶透射峰。由于玻璃的熱光效應(yīng)，光柵對(duì)溫度變化很敏感，溫度變化會(huì)改變透射峰中心頻率，從而實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧。利用寬帶光源和光譜儀測(cè)量得到窄帶移相光纖布拉格光柵的整個(gè)透射光譜如圖2所示，由于保偏光纖的雙折射效應(yīng)，在阻帶中心位置有兩個(gè)超窄帶的透射峰，阻帶帶寬約為200GHz，中間對(duì)應(yīng)于慢軸處有約為65MHz的超窄線寬的透射通帶。
[0008]本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，對(duì)通過(guò)光柵的激光進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制，使用鎖相放大器解調(diào)獲得鑒頻信號(hào)，把反饋信號(hào)加載到激光器調(diào)制端口，利用調(diào)制解調(diào)把激光器鎖定到透射峰可調(diào)諧的光纖光柵上，獲得激光的高頻率穩(wěn)定性和鎖定波長(zhǎng)可調(diào)諧的方法，同時(shí)解決了激光器鎖定后不能連續(xù)調(diào)諧的問(wèn)題。
[0009]本發(fā)明壓縮了激光器的頻率起伏，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)可調(diào)諧的高頻率穩(wěn)定性的激光輸出。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是本發(fā)明所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2是光纖布拉格光柵的透射譜線。
[0012]圖3是光纖布拉格光柵阻帶中心位置對(duì)應(yīng)于慢軸的透射曲線和與光柵透射峰對(duì)應(yīng)的鑒頻信號(hào)對(duì)比圖，其中，圖中上半部分為光柵阻帶中心位置對(duì)應(yīng)于慢軸的透射曲線，圖中下半部分為透射峰對(duì)應(yīng)的鑒頻信號(hào)。
[0013]圖4是自由運(yùn)轉(zhuǎn)與鎖定后的頻率起伏。
[0014]圖5是與圖4對(duì)應(yīng)的阿倫方差。
[0015]圖6是激光鎖定后調(diào)諧過(guò)程中的調(diào)諧范圍和頻率起伏。
[0016]圖中:1-單頻窄線寬光纖激光器，2-衰減器，3-電偏振控制器，4-光纖布拉格光柵，5-光電探測(cè)器,6-數(shù)字不波器,7-鎖相放大器,8-第一加法器,9-第二加法器，10-信號(hào)發(fā)生器，11-比例積分微分器PID。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0018]一種連續(xù)可調(diào)諧激光的頻率鎖定系統(tǒng)，包括單頻窄線寬光纖激光器I (OrbitsLightwave, ETH-30-1550.00-2-1-PZ10B-TT30)，所述單頻窄線寬光纖激光器I輸出激光依次經(jīng)過(guò)衰減器 2 (Thorlabs, M-VA/90005196)、電偏振控制器 3 (0Z Optics, EPC-400)、光纖布拉格光柵 4 (Teraxion，TFN-193.414-0.5-15-B1)和光電探測(cè)器 5 (New Focus, 1611),所述光電探測(cè)器5輸出端分別與數(shù)字示波器6(Y0K0GAWA，DLM2054)和鎖相放大器7(SRS，SR830)的輸入端連接，所述鎖相放大器7的調(diào)制端口與第一加法器8的一輸入端連接，所述鎖相放大器7的解調(diào)端口分別與比例積分微分器11 (SRS，SM960)和數(shù)字示波器6的輸入端連接，所述比例積分微分器11輸出端與第一加法器8的另一輸入端連接，所述第一加法器8的輸出端與第二加法器9的一輸入端連接,所述第二加法器9的另一輸入端與信號(hào)發(fā)生器10 (Tektronix，AFG3102)的輸出端連接；所述第二加法器9的輸出端與單頻窄線寬光纖激光器I的調(diào)制端口連接，如圖1所示。
[0019]上述系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)可調(diào)諧激光的頻率鎖定方法，包括如下步驟:單頻窄線寬光纖激光器I輸出線偏振激光，經(jīng)過(guò)衰減器2衰減到弱光(小于lmW，避免對(duì)光纖布拉格光柵產(chǎn)生加熱效應(yīng))，之后經(jīng)過(guò)偏振控制器3進(jìn)入光纖布拉格光柵4，透射光被光電探測(cè)器5探測(cè)，光電探測(cè)器5輸出電信號(hào)進(jìn)入數(shù)字示波器6觀察透射結(jié)果，把鎖相放大器7調(diào)制端口輸出的正弦波調(diào)制信號(hào)(9kHz，IOOmV)通過(guò)第一加法器8輸入到第二加法器9，與信號(hào)發(fā)生器10輸出的鋸齒波掃頻信號(hào)(lOVpp，10Hz)通過(guò)第二加法器9疊加后，一起輸入到單頻窄線寬光纖激光器I的調(diào)制端口，掃描激光器輸出頻率，同時(shí)改變光纖布拉格光柵環(huán)境溫度使得透射峰進(jìn)入激光的頻率掃描范圍內(nèi)，可以得到光纖布拉格光柵的透射譜線；調(diào)節(jié)偏振控制器3，使入射光的偏振對(duì)準(zhǔn)光纖布拉格光柵4的慢軸,從而使光纖布拉格光柵有最大的透射效率，最終光纖布拉格光柵的透射譜線如圖3中上半部分所示，之后光電探測(cè)器5輸出電信號(hào)進(jìn)入鎖相放大器7進(jìn)行解調(diào)，調(diào)節(jié)鎖相放大器7，即選擇合適的積分時(shí)間和靈敏度，使得其解調(diào)端口輸出信噪比最大的鑒頻信號(hào)，鎖相放大器7解調(diào)得到與調(diào)制信號(hào)相對(duì)應(yīng)的鑒頻信號(hào)，如圖3中下半部分所示，經(jīng)過(guò)比例積分微分器11優(yōu)化，改變鑒頻信號(hào)的強(qiáng)度與響應(yīng)時(shí)間后，鑒頻信號(hào)通過(guò)第一加法器8和第二加法器9最終輸入到單頻窄線寬光纖激光器I的調(diào)制端口 ；之后，逐漸減小信號(hào)發(fā)生器10的掃頻電壓至最小，同時(shí)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器10的掃頻偏置，使得在數(shù)字示波器6上觀察到光纖布拉格光柵4的透射峰進(jìn)入鑒頻信號(hào)的反饋范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)激光器的頻率鎖定，即激光器頻率鎖定到光纖布拉格光柵4的透射峰上，如圖4所示；最后，調(diào)節(jié)比例積分微分器11，使得在數(shù)字示波器6上觀察到鎖定后的激光器頻率的起伏最小。
[0020]圖2中，利用寬帶光源和光譜儀測(cè)量得到光柵整個(gè)透射曲線，阻帶帶寬約為200GHz，中間對(duì)應(yīng)于慢軸有約65MHz超窄線寬的透射通帶。譜中兩個(gè)透射峰是由于保偏光纖的雙折射效應(yīng)引起的。
[0021]圖3中上半部分所示為掃描激光器頻率時(shí)得到光柵阻帶中心位置對(duì)應(yīng)于慢軸的透射譜，根據(jù)激光器的掃頻范圍推算得到光柵透射峰線寬約為65MHz，當(dāng)加載正弦波調(diào)制信號(hào)(9kHz，IOOmV)到激光器上時(shí)，調(diào)制的透射信號(hào)進(jìn)入鎖相放大器被同頻率的正弦波解調(diào)，解調(diào)一次諧波得到鑒頻信號(hào)，如圖3中下半部分所示。選擇合適的鎖相放大器參數(shù)，積分時(shí)間為3ms，濾波斜率為18dB (等效噪聲帶寬為31.25Hz)，靈敏度IOOmV,使鑒頻信號(hào)信噪比最大達(dá)到40。鑒頻信號(hào)的幅度為360mV，幅度頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系約為5.5mV/MHz。
[0022]本實(shí)施例中，光柵透射中心頻率利用拍頻法來(lái)標(biāo)定，即使用一臺(tái)參考激光(NPPhotonics, RFLS-25-1-1550.0O-UNL)和頻譜儀(ATTEN，AT6030DM)通過(guò)和光柵透射光測(cè)干涉拍頻來(lái)標(biāo)定，參考激光線寬〈1kHz。
[0023]圖4為激光器頻率鎖定到光柵透射峰上和自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的頻率起伏，光柵透射中心波長(zhǎng)為1550.0022nm。未鎖定時(shí)激光器頻率漂移大于65MHz。當(dāng)鎖定激光器到光柵上后根據(jù)計(jì)算得到鎖定帶寬僅為1.9MHz，此時(shí)頻率穩(wěn)定度為
ilr/r = 8,2? x IO^。
[0024]圖5為圖4對(duì)應(yīng)的阿倫方差。這里σ.是從誤差信號(hào)得來(lái)的，在rs時(shí)，σ.最小為3.4*10_n，使用了反饋回路，降低了溫度，機(jī)械振動(dòng)等因素的影響，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)降低T σ:。
[0025]圖6為在實(shí)現(xiàn)激光頻率鎖定后調(diào)諧光柵到不同的頻率，改變環(huán)境溫度調(diào)節(jié)光纖布拉格光柵透射波長(zhǎng)，獲得鎖定激光的波長(zhǎng)可調(diào)諧輸出，均可實(shí)現(xiàn)激光頻率的可調(diào)諧鎖定，這里鎖定后激光頻率的連續(xù) 調(diào)諧范圍達(dá)到140MHz，頻率起伏僅為1.9MHz。
【權(quán)利要求】
1.一種連續(xù)可調(diào)諧激光的頻率鎖定系統(tǒng)，其特征在于:包括單頻窄線寬光纖激光器(1)，所述單頻窄線寬光纖激光器(I)輸出激光依次經(jīng)過(guò)衰減器(2)、電偏振控制器(3)、光纖布拉格光柵(4)和光電探測(cè)器(5)，所述光電探測(cè)器(5)輸出端分別與數(shù)字示波器(6)和鎖相放大器(7)的輸入端連接，所述鎖相放大器(7)的調(diào)制端口與第一加法器(8)的一輸入端連接，所述鎖相放大器(7)的解調(diào)端口分別與比例積分微分器(11)和數(shù)字示波器(6)的輸入端連接，所述比例積分微分器(11)輸出端與第一加法器(8)的另一輸入端連接，所述第一加法器(8)的輸出端與第二加法器(9)的一輸入端連接,所述第二加法器(9)的另一輸入端與信號(hào)發(fā)生器(10)的輸出端連接；所述第二加法器(9)的輸出端與單頻窄線寬光纖激光器(I)的調(diào)制端口連接。
2.一種利用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)可調(diào)諧激光的頻率鎖定方法，其特征在于:包括如下步驟:單頻窄線寬光纖激光器(I)輸出線偏振激光，經(jīng)過(guò)衰減器(2)衰減到弱光，之后經(jīng)過(guò)偏振控制器(3)和光纖布拉格光柵(4)，透射光被光電探測(cè)器(5)探測(cè)，光電探測(cè)器(5)輸出電信號(hào)進(jìn)入數(shù)字示波器(6)觀察透射結(jié)果，鎖相放大器(7)調(diào)制端口輸出的正弦波調(diào)制信號(hào)通過(guò)第一加法器(8)輸入到第二加法器9，與信號(hào)發(fā)生器(10)輸出的鋸齒波掃頻信號(hào)通過(guò)第二加法器(9)疊加后，一起輸入到單頻窄線寬光纖激光器(I)的調(diào)制端口，掃描激光器輸出頻率，同時(shí)改變光纖布拉格光柵環(huán)境溫度使得透射峰進(jìn)入激光的頻率掃描范圍內(nèi)，得到光纖布拉格光柵的透射譜線；調(diào)節(jié)偏振控制器(3)，使入射光的偏振對(duì)準(zhǔn)光纖布拉格光柵(4 )的慢軸,從而使光纖布拉格光柵有最大的透射效率,之后光電探測(cè)器(5 )輸出電信號(hào)進(jìn)入鎖相放大器(7)進(jìn)行解調(diào)，調(diào)節(jié)鎖相放大器(7)使得其解調(diào)端口輸出信噪比最大的鑒頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)比例積分微分器(11)后，鑒頻信號(hào)通過(guò)第一加法器(8)、第二加法器(9)后最終輸入到單頻窄線寬激光器(I)的調(diào)制端口，之后，逐漸減小信號(hào)發(fā)生器(10)的掃頻電壓至最小，同時(shí)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器(10)的掃頻偏置，使得在數(shù)字示波器(6)上觀察到光纖布拉格光柵(4)的透射峰進(jìn)入鑒頻信號(hào)的反饋范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)激光器的頻率鎖定，即激光器頻率鎖定到光纖布拉格光柵(4)的透射峰上；最后，調(diào)節(jié)比例積分微分器(11)，使得在數(shù)字示波器(6)上觀察到鎖定后的激光器頻率的起伏最小。
【文檔編號(hào)】H01S3/13GK103986053SQ201410238184
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月3日
【發(fā)明者】于波, 劉令令, 胡建勇, 景明勇, 張國(guó)峰, 肖連團(tuán), 賈鎖堂 申請(qǐng)人:山西大學(xué)