一种基于热原子蒸汽室的全光纤化激光稳频装置

本发明涉及激光稳频，具体而言，涉及一种基于热原子蒸汽室的全光纤化激光稳频装置。

背景技术：

1、单频光纤激光器由于其结构紧凑、体积较小、散热性好和光束输出质量高等优点，被广泛应用于精密测量、光纤通信、高分辨率光谱学和光频标等领域，对于科技的发展有重要的意义。激光器通过模式选择技术获得单频单模输出后，由于外部条件不稳定及内部条件的变化，其谐振频率就会在自由运转期间发生变化，这种现象称为“频率的漂移”。同时由于振动及噪声等的干扰激光频率会发生抖动，频率的抖动及漂移将会影响实验的测量结果，因此需要对激光器的频率进行主动锁定。稳频的主要目标就是通过调制电流、温度或压电陶瓷等执行元件对激光频率进行反馈，使激光频率受外界影响较小，从而提高激光器频率的稳定性，减小激光频率的漂移及抖动。影响激光频率稳定性的因素主要有谐振腔的腔长，工作元件温度、环境折射率及振动的变化。稳频的方法主要分为两类，被动式稳频和主动式稳频。常用激光器稳频的方法是用主动式稳频，其原理为把一个稳定的参考频率与单频激光器的频率作比较，当激光频率偏离参考频率时，鉴频单元会产生一个误差信号，误差信号经比例积分处理后输入反馈执行元件，执行元件通过调制电流、温度或压电促动器改变腔长等来改变激光频率，使激光器的频率回到标准的参考频率上，实现稳频。

2、近年来，使用里德堡原子测量微波电场强度成为精密测量的热点之一。为了提高测量精度常常需要对激光器进行稳频。实验中常用的主动式稳频方式有饱和吸收法稳频、调制转移光谱稳频和pdh稳频等。稳频光路都是搭建在光学平台上，属于自由空间光路。自由空间光路受空气温度、湿度、气流扰动和平台的振动影响较大。这些因素都会影响到激光稳频的效果。并且自由空间光路中所用的光学器件较多，体积较大，稳定性差，光路调节复杂，因此不利于可搬运小型化探测系统的搭建。可搬运小型化探测系统对于实际应用与产业转化有重要的意义，因此把光学平台上复杂繁琐的光路系统设计得简单紧凑有重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种基于热原子蒸汽室的全光纤化激光稳频装置，能够通过简单紧凑的光路系统来实现激光稳频。

2、为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于热原子蒸汽室的全光纤化激光稳频装置，所述装置包括：光纤激光器光源的第一锁频组件和单频光纤激光器光源的第二锁频组件，其中：

3、所述第一锁频组件中，光纤激光器光源(1)输出的光为探测光，经过光纤偏振分束器(4)的第一输出端口输入到光纤电光调制器(6)进行频率调制，光纤电光调制器(6)由信号发生器(36)输出的一路信号驱动，带有调制信号的强泵浦光经光纤偏振分束器(8)的第三端口输入至碱金属原子吸收池(10)中，同时，使用光纤偏振控制器(13)把光的偏振方向调成水平偏振，光纤偏振分束器(4)的第二输出端口输出的弱探测光的偏振方向为竖直偏振并且和强泵浦光在碱金属原子吸收池(10)内重合产生饱和吸收光谱，随后经偏振分光棱镜(11)反射，反射光由单模保偏光纤(38)收集传至光电探测器(18)，光电探测器(18)把接受到的光信号转化为电信号送到混频器(16)与信号发生器(36)的信号进行调制解调，再经过低通滤波器(15)把高频信号过滤得到误差信号，把误差信号传输至比例积分微分电路(14)得到一个反馈信号，再把反馈信号反馈至光纤激光器光源(1)的压电陶瓷上控制腔长以实现频率的稳定；

4、所述第二锁频组件中，单频光纤激光器光源(22)输出的光为耦合光，经过光纤偏振分束器(25)的第五输出端口并通过二向色镜(27)进入碱金属原子吸收池(28)，由光纤偏振分束器(8)的第四输出端口输出的带有调制信号的探测光连接一个可调光纤衰减器(20)再连接至碱金属原子吸收池(28)的一端，耦合光与探测光在碱金属原子吸收池(28)中重合，并产生电磁诱导透明效应，探测光经过碱金属原子吸收池(28)后经二向色镜(27)反射，反射光使用单模保偏光纤(40)收集传至光电探测器(33)，光电探测器(33)将接受到的光信号转化为电信号传输至混频器(32)中与信号发生器(36)的信号进行调制解调，再经过低通滤波器(31)把高频信号过滤得到误差信号，把误差信号传输至比例积分微分电路(30)得到一个反馈信号，再把反馈信号反馈至单频光纤激光器光源(22)的压电陶瓷上控制腔长以实现频率的稳定。

5、在一个实施方式中，在所述第一锁频组件中，光纤激光器控制器(2)为光纤激光器光源(1)提供可调节的驱动电流和温度控制，在光纤激光器光源(1)的出光方向连接保偏光纤匹配套管(3)一端，所述保偏光纤匹配套管(3)的另一端连接光纤偏振分束器(4)的输入端，光纤偏振分束器(4)的第一输出端口依次连接保偏光纤匹配套管(5)、光纤电光调制器(6)、保偏光纤匹配套管(7)以及光纤偏振分束器(8)的输入端口，光纤偏振分束器(4)的第二输出端口依次连接套筒(9)、碱金属原子吸收池(10)、偏振分光棱镜(11)以及套筒(12)，光纤偏振分束器(8)的第三输出端光纤上夹上光纤偏振控制器(13)，光纤偏振分束器(8)第三输出端的光纤尾纤纤芯连接套筒(12)，其中，套筒(9)和套筒(12)中的光纤尾纤纤芯快轴方向对齐，尾纤纤芯用光学胶粘在套筒内，光纤偏振分束器(4)的第二输出端口尾纤的光经过碱金属原子吸收池(10)，偏振分光棱镜(11)反射端的光由单模保偏光纤(38)一端收集，单模保偏光纤(38)的尾纤纤芯与小套筒(37)连接，小套筒(37)与偏振分光棱镜(11)连接，单模保偏光纤(38)另一端与光电探测器(18)连接，并依次与混频器(16)、低通滤波器(15)以及比例积分微分电路(14)连接，比例积分微分电路(14)输出的反馈信号连接至光纤激光器光源(1)的驱动电压调制端口，光电探测器(18)和低通滤波器(15)输出的信号连接至示波器(17)。

6、在一个实施方式中，在所述第二锁频组件中，单频光纤激光器控制器(23)为单频光纤激光器光源(22)提供可调节的驱动电流和温度控制，在单频光纤激光器光源(22)的出光方向连接保偏光纤匹配套管(24)一端，保偏光纤匹配套管(24)的另一端连接光纤偏振分束器(25)的输入端，光纤偏振分束器(25)的第五输出端口依次连接套筒(26)、二向色镜(27)、碱金属原子吸收池(28)以及套筒(29)，光纤偏振分束器(8)的第四输出端口依次连接保偏光纤匹配套管(19)、可调光纤衰减器(20)以及保偏光纤匹配套管(21)，单模保偏光纤(41)的两端依次连接保偏光纤匹配套管(21)和套筒(29)，套筒(26)和套筒(29)中的光纤尾纤纤芯快轴方向对齐，尾纤纤芯用光学胶粘在套筒内，单模保偏光纤(41)的光经过碱金属原子吸收池(28)后经二向色镜(27)反射，反射端的光由单模保偏光纤(40)接收，单模保偏光纤(40)的一端连接至小套筒(39)，单模保偏光纤(40)的另一端连接至光电探测器(33)，小套筒(39)与二向色镜(27)连接，光电探测器(33)依次与混频器(32)、低通滤波器(31)、比例积分微分电路(30)连接，比例积分微分电路(30)输出的反馈信号连接至单频光纤激光器光源(22)的驱动电压调制端口。

7、在一个实施方式中，光电探测器(33)和低通滤波器(31)输出的信号连接至示波器(34)，信号发生器(36)产生的信号输出至功率分束器(35)并分别与光纤电光调制器(6)、混频器(16)以及混频器(32)连接。

8、在一个实施方式中，所述碱金属原子吸收池(28)中的两束光束偏振方向相同，以使得透射峰的峰值最高。

9、在一个实施方式中，所述二向色镜(27)为短波通二向色镜，其中，小于截止波长的波段具有第一指定数值的透过率，大于截止波长的波段具有第二指定数值的反射率。

10、本发明通过简单紧凑的光路系统，能够同时在第一锁频组件和第二锁频组件中实现激光锁频，实现了可搬运的小型化稳频系统，有利于可搬运小型化探测系统的搭建，对于实际应用与产业转化具有重要意义。