一种激光器长期频率稳定性的测量装置和测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种基于数字稳频的激光器长期频率稳定 性测量装置和测量方法。
【背景技术】
[0002] 在精密光谱实验中，需要频率稳定的激光，而实验室温度的变化、气流和振动的影 响使激光器自由运转时长期漂移很大，因此需要对激光进行稳频。稳频的过程中，首先需要 选择一个绝对频率作为参考频率，由于原子分子的超精细能级跃迀频率绝对稳定，因此可 以用来作为参考频率。基于原子分子的超精细能级跃迀频率的饱和吸收稳频方法已经广 泛地应用于各种激光器，其中饱和吸收稳频方法使用吸收谱线的一阶微分信号作为误差信 号。为了获得误差信号和反馈电压信号，通常使用基于硬件的相敏检波器和比例积分控制 器。这种基于硬件的相敏检波器虽然具有很高的信噪比，但是电路易受电磁波的干扰。有 时这些基于硬件的电子电路的参数调节不仅特别复杂而且具有一定的局限性，并且一套电 路只能控制一台激光器。然而相比基于硬件的稳频系统，基于软件的稳频系统更加灵活和 简便，由于这种稳频系统是数字的，所以避免了电磁波的干扰。而且数字稳频系统不仅开发 周期短、成本低，并大大地简化了电路设计而且参数的调节更加灵活，扩展性也比较强，一 个数字稳频系统有时可以控制多台激光器同时工作。
[0003] 通常为了得到激光器的长期频率稳定度，需要获得待测激光器与标准频率源激光 器或者两台同类型激光器的拍频信号，从而通过拍频信号推出待测激光器的的长期频率稳 定度。然而使用拍频方法测量待测激光器的长期频率稳定度时，必须有一台标准频率源激 光器或者另外一台同类型激光器，有时这个条件很难满足。
【发明内容】
[0004] 本发明提出了一种激光器长期频率稳定性的测量装置，包括：外腔半导体激光器 系统、原子蒸汽池、光电探测器、数据采集卡、电压放大器和LabVIEW程序处理系统；外腔半 导体激光器系统输出的激光两次经过原子蒸汽池，原子蒸汽池输出端连接光电探测器的采 样端，光电探测器和数据采集卡建立连接，数据采集卡通过其设有的PCI端口与LabVIEW程 序处理系统连接，数据采集卡的输出端分别与电压放大器和外腔半导体激光器系统的调制 端连接，电压放大器控制外腔半导体激光器系统，LabVIEW程序处理系统产生的正弦波信 号通过数据采集卡输入到外腔半导体激光器系统的调制端，实现对激光频率的正弦调制， LabVIEW程序处理系统产生的三角波信号通过数据采集卡输入到电压放大器，实现激光频 率的连续扫描，数据采集卡采集光电探测器采集到的原子的饱和吸收信号，LabVIEW程序处 理系统获取到原子的饱和吸收信号，将计算得到的反馈信号通过数据采集卡输入到电压放 大器，电压放大器控制外腔半导体激光器系统实现激光频率的锁定。
[0005] 所述外腔半导体激光器系统包括激光二极管、电流控制器、温度控制器、衍射光 栅、反射镜和压电陶瓷；温度控制器和电流控制器分别控制激光二极管的工作温度和电流， 激光二极管输出的激光入射到衍射光栅，衍射光栅对入射的激光进行处理产生一级衍射 光，一级延射光正入射至反射镜，反射镜使一级衍射光沿原路返回到激光二极管形成光振 荡，衍射光栅产生的零级衍射光作为输出光输入至原子蒸汽池，压电陶瓷控制反射镜的角 度。
[0006] 所述LabVIEW程序处理系统包括DAQ输入装置、三角波仿真信号处理器、正弦波仿 真信号处理器、移相器、第一乘法器、第二乘法器、低通滤波器、补偿信号处理器比例积分控 制器、第一加法器、第二加法器、DAQ输出装置；正弦波仿真信号处理器输出与移相器的输 入连接，移相器和DAQ输出装置输出分别与第一乘法器的输入连接，第一乘法器输出与低 通滤波器输入连接，低通滤波器输出和补偿信号处理器相加后分别与比例积分控制器的的 输入连接，比例积分控制器的比例积分控制器的输出分别与第一加法器的输入连接，第一 加法器的输出与第二乘法器的输入连接，第二乘法器与三角波仿真信号处理器的输出分别 与第二加法器的输入连接，第二加法器和正弦波仿真信号处理器的输出捆绑后与DAQ输出 装置的输入连接。
[0007] 所述比例积分控制器包括并联设置的一比例运算器和积分运算器（69)。
[0008] -种激光器长期频率稳定性的测量方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤一：关闭LabVIEW程序处理系统中的比例积分控制器，打开三角波仿真信号 处理器，在外腔半导体激光器系统的压电陶瓷上施加三角波扫描电压，经扫描后的激光束 经过原子蒸汽池后输入到光电探测器。
[0010] 步骤二：利用数据采集卡采集光电探测器采集到的原子饱和吸收信号，所述饱和 吸收信号传输至LabVIEW程序处理系统，LabVIEW程序处理系统根据采集的饱和吸收信号， 得到相应的误差信号；
[0011] 步骤三：调节上述误差信号的补偿信号处理器，消除多普勒背景；
[0012] 步骤四：减小三角波仿真信号处理器的扫描幅度同时调节直流偏置，使LabVIEW 程序处理系统的前面板中只显示一个饱和吸收峰，直到三角波的扫描幅度接近零为止；
[0013] 步骤五：使三角波仿真信号处理器的扫描幅度为零，保留直流偏置。打开LabVIEW 程序处理系统中的比例积分控制器生成反馈电压信号；
[0014] 步骤六：数据采集卡将反馈电压信号传输至电压放大器，使得外腔半导体激光器 系统的频率被锁定。
[0015] 获得误差信号的原理如下：
[0016] LabVIEW程序处理系统的正弦波仿真信号处理器产生一正弦波仿真信号：
[0017] u=Umsin(〇nt)
[0018] 其中co"和分别为正弦波仿真信号的频率和幅值，u为正弦波仿真信号t时刻 的值。将其输入到外腔半导体激光器系统的电流控制器的调制端口，实现对激光频率的线 性调制，假设调制之前，所述的外腔半导体激光器系统输出的激光角频率为《。，所述的饱 和吸收峰光谱线型函数G(co。)，则调制后激光瞬时角频率：
[0019] ?' =co0+ksin(?nt)
[0020] 其中k为调制度，co'为调制后的激光瞬时角频率，则所述的饱和吸收峰光谱线 型函数为G(c〇'），由于调制幅度很小，可以在《。处对光谱线型函数作泰勒展开：
[0021] 〇'"(}( 〇,)
[0022] 其中.，(n= 1，2,3*")为饱和吸收峰光谱线型函数G(co)对《的n阶导 dco 数。
[0023] 由于调制度k很小，所以可以不考虑上式中二阶及其以上的项，即：
[0024]
[0025] 为了获得所述的饱和吸收峰光谱线型函数的一阶微分信号，将G(c〇'）与LabVIEW 程序处理系统的正弦波仿真信号处理器产生的一正弦波仿真信号混频可以得到：
[0026]
[0027] 上式中左式sincontS参与混频的正弦波仿真信号，其中频率为con且计算中默认 幅值为1。右式第二项为直流信号，且正比于一阶微分信号，其余两项是频率为《"，2?"的 交流信号