专利名称：激光频率绝对锁定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光频率稳定的技术领域，尤其涉及基于无多普勒饱和荧光光谱的激光频率绝对锁定装置。
背景技术：
随着激光技术及其应用技术的进步，对激光频率的线宽及其稳定性要求越来越高。在大气探测激光雷达领域，对于精度要求不高的探测需求，对激光线宽的要求较低，市售激光器标准型产品(线宽一般在30GHz左右)可满足需要。而对于精度要求较高的探测需求，线宽需达到百兆赫兹要求，为此，引入种子注入技术，向激光器谐振腔注入线宽较窄的标准种子光，可压缩激光器的输出线宽。然而，种子注入方法只能在一定程度上压缩激光输出线宽，无法满足频率的长期稳定要求。由此推动了了激光频率稳定技术的发展，相继出现了利用参考腔的侧边缘锁定技术和Pound-Drever-Hall锁定技术。侧边缘锁定技术的基本原理是借助一外部参考腔，检测参考腔透射信号光谱，将锁定点设置在透射信号光谱一侧的半高宽度点处，当激光频率发生变化时，参考腔信号光谱强度将偏离锁定点，得到误差校正信号，通过执行元件控制激光腔长，将激光频率带回到设置的锁定点。Pound-Drever-HalI锁定技·术的基本原理是通过一电光调制器件调制激光频率,调制后的含有三种频率的激光进入一外部参考腔，参考腔返回的激光和加载电光调制器调制信号混频得到误差信号，控制系统由此误差型号来修正激光器的腔长，从而达到在一定程度上锁定激光频率的目的。然而，根据外部参考腔利用侧边缘锁定技术和Pound-Drever-Hall锁定技术来锁定激光频率仍然存在一定缺陷。由于受到环境条件的影响，例如温度和振动，以及参考腔所用器件的松弛，锁定的激光器频率在长时间的情况下，会存在漂移。无法长时间稳定激光器的频率在绝对准确的频率下。对于要求频率绝对准确的系统，需解决这一技术困难问题。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明为解决上述问题，提出了一种绝对锁定激光频率的装置，解决了激光频率长时间绝对稳定的需求。( 二 )技术方案为解决上述问题，本发明提出了一种激光频率绝对锁定装置，其包括待锁定激光器头，用于出射连续的激光；中性密度滤光片，用于衰减所述激光到适当的功率；原子池装置，在所述衰减后的激光的激发下产生无多普勒饱和荧光光谱信号；控制装置，用于采集无多普勒饱和荧光光谱信号，并根据采集到的无多普勒饱和荧光光谱信号修正所述待锁定激光器头输出的激光频率。(三)有益效果本发明的优点和效果是采用原子池内部原子发射的无多普勒饱和荧光光谱信号作为频率基准，使得激光频率绝对准确可靠。且无多普勒饱和荧光光谱的兰姆凹陷特征可使得激光频率的绝对锁定精度可达MHz量级，精度非常高。通过控制计算机内部价格低廉的信号产生器件和采集器件，由程序可方便输出需要波形的信号，且控制算法可通过软件实现，无需额外的硬件信号处理器和信号发生器，降低了系统成本。
图1是本发明提出的激光频率绝对锁定装置的结构示意图；图2为本发明中带有原子池的装配体的结构示意图；图3为本发明中控制计算机实现的控制流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图1所示，激光频率绝对锁定装置包括待锁定激光器头1，偏振分束晶体2，中性密度滤光片3，小孔4，45°反射镜5，原子池6，0°反射镜7，光电探测器8，控制计算机9，待锁定激光器控制器10及其参考腔部件。该装置利用原子的无多普勒饱和荧光光谱作为频率绝对参考基准。控制软件由软件开发环境自行研制开发，通过控制计算机内部的多功能卡，使其施加一正弦抖动信号抖动待锁定激光器的激光频率。激光器头出射的激光由偏振分束晶体分出部分光来激发原子池，激发光束和由反射镜7返回的光束相向通过原子池，产生无多普勒饱和荧光光谱信号，该信号由控制计算机内部的多功能卡采集。控制计算机通过编程产生的控制算法比较施加的正弦抖动信号和采集的无多普饱和荧光光谱信号，通过信号相乘和积分运算得到激光的相位移动信息，从而获得误差校正信号。根据此误差校正信号，控制计算机输出校正电压信号给激光器控制器10,从而不断修正激光器输出激光频率。其中偏振分束晶体用于分出微弱激光用于激光频率锁定，大部分激光用于其他实验使用；中性密度滤光片可调整激发原子池的光信号强度到合适功率；小孔用于调整激发原子池光和返回光光路一致；45°反射镜用于改变光束方向，其表面镀有高反膜，反射率达99%以上；原子池内部充有可产生待锁定波长光谱的原子物质；0°反射镜用于返回穿过原子池的激光；光电探测器用于探测原子池输出的无多普勒饱和荧光光谱信号，将其转换为电信号；控制计算机用于完成信号采集，校正信号产生，正弦抖动信号发生和其他程序控制功能。参见图1，激光器头I出射连续激光由偏振分束晶体2分束，其中分出一小部分微弱激光用于激光频率锁定，大部分激光用于其他实验使用。这一小部分微弱激光通过中性密度滤光片3衰减到合适的功率，该中性密度滤光片安装在方便替换的镜架上，随时可根据需要替换合适密度的中性密度滤光片。经过中性密度滤光片3的激光穿过小孔4中心，小孔4是一孔径大小可调的小孔光阑。经过小孔4的激光由45°反射镜5反射后从原子池6的窗口中心穿过。原子池6封装在恒温环境中，整体封装结构如图2所示，其温度由一温度控制器控制恒定在需要的温度。穿过原子池6的激光由0°反射镜7原路返回，通过调整0°反射镜7的调整机构可使返回光通过小孔4中心，从而达到入射光和返回光光路重合的目的。当入射光和返回光穿过原子池6时，会激发荧光信号，在原子池的一侧由光电探测器8将荧光信号转换成电信号。电信号再由安插在控制计算9上的多功能卡采集，控制计算机9由自行编制的控制算法计算出校正电压信号，输出给激光器控制器10。激光器控制器10根据该校正电压信号调整激光器头腔长，从而达到调整激光器频率的目的。图2给出了原子池6系统结构图，左图是其整体效果图，右图是部件拆解图。拆解图中203为原子池，其为圆柱形结构透明的光学元件，两侧为带有防反镀膜的窗口，圆柱形中间尖装结构为其封接头处，原子池内部封有原子物质。原子池的外围套有导热金属套204，可为铝质等易于导热的材料。为了使热量分布更加均衡，在导热金属套的两端粘贴有加热元件202，该加热元件宜采用柔韧性较好的加热片，功率密度和长度根据需要选择。温度传感器放置在传热套中间合适位置。在加热元件和导热金属套外围为保温盒201，其目的是为了防止热量快速流失，易于使原子池温度恒定在特定温度。在原子池的封接头处，设计有导热元件(或导热杆)，从而使封接头处温度最低，使多余的原子都冷却到封接头处，而防止原子凝结在原子池的两侧窗口，导致窗口透光率降低。所说光电探测器8 一般采用快速光电二极管或光电倍增管，光电倍增管元件可以获得更大的放大倍率，推荐采用。其输出的电流信号可由电压跟随电路转换成输出电压，并使其阻抗和安插在控制计算机9上的多功能卡采集功能部分的阻抗匹配。所说的多功能卡主要具有三大功能多通道采集，多通道模拟输出和数字输入输出。通过多通道采集功能可以采集所需要的信号。通过多通道模拟输出功能可以输出所需波形的模拟信号。通过数字输入输出功能可以用来和其他设备进行通信，已完成所需要的控制功能。所说的控制软件基于Labview开发环境G语言编写，其图形化编程特点易于和用户交互，且其集成很多接口函数和算法函数为开发工作节省大量时间。该控制软件主要以下几个模块，基本流程如图3所示初始化模块，参数设置模块，手动扫描控制模块，自动扫描控制模块和锁定跟踪模块。初始化模块主要完成控制参数如起始电压、采集参数和界面参数等的初始化以及控件显示、图形显示的数据初始化功能。参数设置模块用于修改设置相关控制参数，例如信号输出电压范围，信号采样率的设置等。在初始情况下，手动扫描控制模块通过人工按键来完成原子池光谱的扫描，并手动选择激光频率锁定点。自动扫描控制模块由程序在设定的界面 参数规定的扫描范围内，每次步进输出电压信号给激光器控制器，从而自行完成光谱扫描功能，并自动根据信号最大算法搜寻激光频率锁定点。锁定跟踪模块完成所述正弦抖动电压输出，同步采集原子池无多普饱和荧光光谱信号，并比较施加的正弦抖动信号和采集的无多普饱和荧光光谱信号，通过信号相乘和积分运算从而得到激光频率的相位移动信息，由此计算出误差校正信号，如果所计算的误差在设定的误差范围外，则根据此误差校正信号由PID控制算法得到所需的校正电压信号输出给激光器控制器。激光器控制器根据此校正电压信号调整激光器头，从而修正激光器输出激光频率。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种激光频率绝对锁定装置，其包括 待锁定激光器头，用于出射连续的激光； 中性密度滤光片，用于衰减所述激光到适当的功率； 原子池装置，在所述衰减后的激光的激发下产生无多普勒饱和荧光光谱信号； 控制装置，用于采集无多普勒饱和荧光光谱信号，并根据采集到的无多普勒饱和荧光光谱信号修正所述待锁定激光器头输出的激光频率。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制装置还用于向所述待锁定激光器头施加正弦抖动信号。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制装置根据所述无多普勒饱和荧光光谱信号和所述正弦抖动信号计算误差校正信号，并根据所述误差校正信号计算输出校正电压给所述待锁定激光器头，以修正所述待锁定激光器头输出的激光频率。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括偏振分数晶体，其用于将所述待锁定激光器头出射的激光分束，进而得到用于激光频率锁定的微弱激光。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括反射镜，穿过所述原子池装置的激光经所述反射镜反射后原路返回，使得所述入射光和反射光光路重合，从而产生无多普勒饱和荧光光谱信号。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括光电探测器，其用于探测所述无多普勒饱和荧光光谱信号，并将其转换为电信号；所述控制装置还包括多功能卡，其中所述多功能卡用于采集所述电信号；所述控制装置根据所述电信号和所述正弦抖动信号计算得到激光的相位移动信号，进而得到所述误差校正信号。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述原子池装置内部封装有原子物质。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述原子池装置为一圆柱形结构，其两端为带有镀膜的窗口，圆柱形结构的中间位置处具有尖状结构的封接头；所述原子池装置的外围套有导热金属套，导热金属套两端粘贴有加热元件，在所述导热金属套和所述加热元件外围为保温盒，使得所述原子池装置处于恒温状态；其中所述激光从所述窗口穿行。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述原子池装置的封接头处设置有导热元件，该导热元件使得封接头处的温度最低，进而使多余的原子都冷却到封接头处，防止原子凝结在原子池两端的窗口处。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制装置输出正弦抖动信号给所述待锁定激光器头以后，采集无多普饱和荧光光谱信号，并比较所施加的正弦抖动信号与所采集的无多普饱和荧光光谱信号，通过信号相乘和积分运算得到激光频率的相位移动信号，进而通过所述相位移动信号计算误差校正信号，并根据所述误差校正信号计算校正电压信号给所述待锁定激光器头，从而修正所述待锁定激光器头输出的激光频率。
全文摘要
本发明公开了一种激光频率绝对锁定装置。该装置包括待锁定激光器头，用于出射连续的激光；中性密度滤光片，用于衰减所述激光到适当的功率；原子池装置，在所述衰减后的激光的激发下产生无多普勒饱和荧光光谱信号；控制装置，用于采集无多普勒饱和荧光光谱信号，并根据采集到的无多普勒饱和荧光光谱信号修正所述待锁定激光器头输出的激光频率。本发明采用原子池内部原子发射的无多普勒饱和荧光光谱信号作为频率基准，使得激光频率绝对准确可靠。
文档编号H01S3/10GK103036142SQ201210541178
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者方欣, 李陶, 窦贤康 申请人:中国科学技术大学