一種基于聲光調制器的高穩(wěn)定性激光頻率掃描裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于聲光調制器的高穩(wěn)定性激光頻率掃描裝置，激光穿過同軸的兩個光闌，由偏振分束棱鏡一分為二，一路輸出經(jīng)過同軸的四分之一波片、三號光闌和一號透鏡入射一號聲光調制器，衍射級激光穿過同軸的四號光闌和二號透鏡，再經(jīng)零度高反射鏡原路反射；另一路輸出經(jīng)過兩個45°平面反射鏡后，通過兩端匹配光纖匹配頭的光纖調節(jié)為平行光，依次經(jīng)過一號玻璃平片、三號透鏡進入二號聲光調制器，衍射光通過五號光闌和四號透鏡入射二號玻璃平片。本發(fā)明能同時保證激光的空間穩(wěn)定和功率穩(wěn)定。
【專利說明】一種基于聲光調制器的高穩(wěn)定性激光頻率掃描裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于激光光譜【技術領域】，具體涉及一種激光頻率掃描裝置。
【背景技術】
[0002]在現(xiàn)代光譜技術中經(jīng)常利用聲光調制器來實現(xiàn)激光的高精度頻移。也正因為此，聲光調制器已經(jīng)廣泛應用到涉及激光頻率控制的領域，如激光光譜、量子光學、量子頻標
坐寸ο
[0003]在高精度的光譜中，激光的頻率一般是鎖定在固定的頻率參考上，因而不能對其頻率進行掃描。在這種情況下，通常是利用聲光調制器來對激光頻率進行掃描，其方法是對輸入到聲光調制器的射頻信號進行頻率掃描，利用聲子和光子相互作用來對激光頻率進行掃描。但是利用該方法時會伴隨著激光的功率的波動和激光束傳播方向的變化，從而嚴重影響光譜的精度和穩(wěn)定性。

【發(fā)明內容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種高穩(wěn)定性激光頻率掃描裝置，能同時保證激光的空間穩(wěn)定和功率穩(wěn)定。
[0005]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:激光穿過同軸固連的兩個光闌，由偏振分束棱鏡一分為二，其中的一路輸出經(jīng)過同軸的四分之一波片、三號光闌和一號透鏡入射一號聲光調制器，所述的一號透鏡與一號聲光調制器的距離為一號透鏡的焦距，一號聲光調制器與入射激光的角度使+1級衍射光或-1級衍射光的光衍射效率達到最大；衍射級激光穿過同軸的四號光闌和二號透鏡，再經(jīng)零度高反射鏡原路反射，所述的二號透鏡與一號聲光調制器的距離為二號透鏡的焦距，一號透鏡與二號透鏡焦距相等，一號透鏡與二號透鏡共焦點且一號聲光調制器的晶體中心位于該焦點上；所述一號聲光調制器的晶體由一號射頻信號源產(chǎn)生的微波信號經(jīng)過一號壓控衰減器和一號功率放大器后作用，使通過一號聲光調制器的激光發(fā)生與微波頻率相同頻率的頻移；
[0006]偏振分束棱鏡的另一路輸出經(jīng)過兩個45°平面反射鏡精確調節(jié)激光的空間位置后，通過兩端匹配光纖匹配頭的Im光纖將光束調節(jié)為平行光，以四十五度角入射一號玻璃平片，將反射光饋入一號光電探測器，將激光的功率轉化為電壓信號，驅動一號伺服控制器控制一號壓控衰減器；透射出玻璃平片的激光穿過同軸的三號透鏡進入二號聲光調制器，在二號聲光調制器中再次發(fā)生衍射，選擇零級和正負一級的任意一級的衍射光通過五號光闌和四號透鏡，以四十五度角入射二號玻璃平片，所述的三號透鏡與四號透鏡等焦距，二號聲光調制器與三號透鏡、四號透鏡的距離都為所述焦距；二號玻璃平片的反射光饋入到二號光電探測器，將功率信號轉化為電壓信號，驅動二號伺服控制器控制二號壓控衰減器；所述二號聲光調制器的晶體由二號射頻信號源產(chǎn)生的微波信號經(jīng)過二號壓控衰減器和二號功率放大器后作用，使通過二號聲光調制器的激光發(fā)生與微波頻率相同頻率的頻移。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:同時保證了聲光調制在進行頻率掃描時激光高的空間穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性，并具有實用、靈活和穩(wěn)定性高的優(yōu)點，可在高精度激光光譜、原子物理、量子頻標等領域中推廣使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明實施例1的整體裝置示意圖。
[0009]圖2是本發(fā)明實施例1的伺服控制器原理示意圖。
【具體實施方式】
[0010]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施例。
[0011]本發(fā)明包括以下內容:
[0012]激光雙次穿過聲光調制器
[0013]激光首先穿過用以固定光路的兩個光闌，即光闌I和光闌2。接下來，激光再順次同軸地穿過偏振分束棱鏡1、四分之一波片1、光闌3、透鏡L1、聲光調制器1，其中透鏡LI與聲光調制器I的距離為LI的焦距。激光穿過聲光調制器后，會發(fā)生衍射，這時可根據(jù)實驗的需要選擇+1級衍射光或-1級衍射光，選擇后調節(jié)聲光調制器與入射激光的角度使所選擇的衍射級光衍射效率達到最大。所選擇的衍射級激光再順次同軸地穿過光闌4、透鏡L2，再經(jīng)0°高反射鏡I將激光按原路反射回去，其中透鏡L2與聲光調制器I的距離為L2的焦距，透鏡LI與透鏡L2焦距相等。所以，透鏡I與透鏡2共焦點且聲光調制器I的晶體中心位于該焦點上。原路返回的激光經(jīng)過聲光調制器I后再次發(fā)生衍射，這時只有與之前所選擇的衍射級相同的衍射級能按原路返回，同時其他的衍射級也會被光闌3檔住。原路返回的激光再次穿過四分之一波片1，這樣激光經(jīng)過兩次四分之一波片作用后，激光由水平偏振變成豎直偏振，反射回的激光再次經(jīng)過偏振分束棱I后便會按與原光路垂直的方向出射。
[0014]上述的聲光調制器還需要一個驅動電路，其包括射頻信號源1、壓控衰減器1、功率放大器I。由射頻信號源I產(chǎn)生的一定頻率的微波信號經(jīng)過壓控衰減器I和功率放大器I后，作用于聲光調制器I的晶體，使通過聲光調制器I的激光發(fā)生與微波頻率相同頻率的頻移，若使微波的頻率掃描，便可使激光的頻率進行相應的掃描。輸入到聲光調制器I的微波功率與衍射效率相關，其中的壓控衰減器1，可通過電壓來控制輸入到微波的功率，進而調節(jié)衍射光的功率，這為后面的功率穩(wěn)定提供了可能。
[0015]在上述的結構中激光雙次通過聲光調制器的作用有兩個:一是使激光的頻率發(fā)生移動并實現(xiàn)激光的頻率掃描；二是可以基本消除激光方向的變化。但在實際情況下，透鏡I與透鏡2共焦點且聲光調制器I的晶體中心位于該焦點上的條件難以滿足，總會存在一定的誤差，這一誤差會導致激光的方向也會發(fā)生微小的變化。另外，即使該條件滿足，激光束也會有微小的橫向平移。所以，實際情況下，雙次通過聲光調制器的激光在進行激光頻率掃描時，激光會發(fā)生微小的方向變化和橫向平移。
[0016]激光耦合入短光纖
[0017]在上一個步驟中，激光雙次通過聲光調制器雖然可大大減小衍射光方向的變化，但是仍然還會有激光束傳播方向的微小變化和微小的空間平移，這兩個空間上的不穩(wěn)定因素在高精密光譜中會有顯著的影響，而將雙次通過聲光調制器的激光耦合入光纖便可以徹底消除其在空間上的不穩(wěn)定性，而且可以改善光束的質量。為了很好地將激光耦合入光纖，利用兩個45°平面反射鏡(45°平面反射鏡1、45°平面反射鏡2)進行導光從而精確調節(jié)激光的空間位置。激光通過光纖匹配頭I耦合入短光纖1，再經(jīng)光纖匹配頭2耦合出來，并可通過光纖匹配頭2，可將光束調節(jié)為平行光。
[0018]上述的光纖長度要求較短，這是因為長光纖會引入相位噪聲和機械振動導致的偏振變化，短光纖則能減小這些效應的影響，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般情況下，其長度約為lm。
[0019]激光功率的一次穩(wěn)定
[0020]激光在穿過聲光調制器1，在掃描狀態(tài)時會伴隨有顯著的功率的波動，并且耦合入光纖I時，激光在空間上的不穩(wěn)定性也會帶來激光耦合效率的變化。為了穩(wěn)定激光的功率，使激光以約為四十五度角入射到玻璃平片I，將反射光饋入到光電探測器I。這時光電探測器將激光的功率轉化為電壓信號。將光電探測器I的電壓信號進一步發(fā)送到伺服控制器I進行處理。伺服控制器I將處理的信號發(fā)送到壓控衰減器1，對輸入到聲光調制器I的微波功率進行控制，也即是控制了衍射光的衍射效率，從而形成負反饋回路。由于玻璃平片I的反射光和透射光成比例，負反饋回路穩(wěn)定了反射光功率的同時也穩(wěn)定了透射光。
[0021]上述過程中，采用玻璃平片分光而不用偏振分束棱鏡分光，是為了避免光的偏振方向變化對功率穩(wěn)定的影響。
[0022]激光功率的二次穩(wěn)定
[0023]由于當對激光頻率進行較大范圍的掃描時，激光功率的波動也一般會較大，又由于壓控衰減器的控制電壓有一定的范圍，過大的功率波動會使反饋到的壓控衰減器的電壓超出承受范圍，為此可對激光功率進行二次穩(wěn)定。接下來，激光順次穿過透鏡L3、聲光調制器2、光闌5、透鏡L4、玻璃平片2，透鏡L3與透鏡L4等焦距，聲光調制器2與透鏡L3和透鏡L4的距離都為透鏡的焦距。同時，射頻信號源2、壓控衰減器2、功率放大器2、聲光調制器2也順次用射頻傳輸線進行連接。激光在聲光調制器2再次發(fā)生衍射，可根據(jù)實驗的需要選擇零級和正負一級的任意一級，并只讓所選擇的衍射級通過光闌5。激光仍然以約為四十五度角入射到玻璃平片2。取其反射光饋入到光電探測器2，功率信號轉化為電壓信號，伺服控制器2將此電壓信號進行處理并發(fā)送到壓控衰減器2，以控制輸入到聲光調制器2的微波信號功率和其衍射效率，進而形成負反饋回路，對激光功率進行二次穩(wěn)定。
[0024]以鍶原子(5s2) ISO- (5s5p) 3P1共振躍遷線對應的689nm激光為例，來說明本發(fā)明的高穩(wěn)定性激光頻率掃描方法和裝置。
[0025]實施例1
[0026]1.激光雙次通過聲光調制
[0027]參見圖1，具有穩(wěn)定頻率且偏振方向與紙面平行(水平)的689nm平行激光束，順次通過光闌I和光闌2的中心，這時激光沿著系統(tǒng)所固定的光路進行傳播。由于入射光是水平偏振，所以激光會穿過偏振分束棱鏡I。水平偏振光經(jīng)過四分之一波晶片I后，變成圓偏振光。平行光束穿過光闌3的孔徑中心后經(jīng)過透鏡LI聚焦，透鏡LI的焦點位于聲光調制器I內的晶體中心，并在聲光調制器I中發(fā)生衍射。調整聲光調制器I的角度，使其負一級衍射光的衍射效率達到80%以上。調整光闌4的位置，并只讓負一級衍射光通過光闌4的中心，其他衍射級的激光被光闌4擋住。負一級衍射光垂直入射到透鏡2，透鏡I與透鏡2共焦點，這時，經(jīng)過透鏡L2的光束又變成了平行光束，垂直入射到零度高反鏡I后又會原路返回至聲光調制器I。原路返回的激光又會再次在聲光調制器I中發(fā)生衍射，并只有負一級衍射光能再次通過光闌3的中心，并仍然能原路返回再次穿過四分之一波片。此時，激光的偏振方向變成了與紙面垂直(豎直偏振)而只能被偏振分束棱鏡I反射，不能反穿回偏振分束棱鏡I。
[0028]當掃描射頻信號源I的射頻頻率后，衍射光的方向就會做相應的改變，但由于透鏡I與透鏡2共焦點且聲光調制器I的晶體中心位于該焦點上，所以兩次發(fā)生的負一級衍射光其方向不會改變，只是會發(fā)生微小的橫向平移。但在實際情況下，透鏡I與透鏡2共焦點且聲光調制器I的晶體中心位于該焦點上的條件難以滿足，總會存在一定的誤差，這一誤差會導致激光的方向也會發(fā)生微小的變化。所以，實際情況下，雙次通過聲光調制器的激光在進行激光頻率掃描時，激光會發(fā)生微小的方向變化和橫向平移。
[0029]2.激光耦合入短光纖
[0030]該步驟是為了消除激光在空間上的不穩(wěn)定性。
[0031]參見圖1，為了很好地將激光耦合入光纖，利用兩個45°平面反射鏡進行導光從而精確調節(jié)激光的空間位置。調節(jié)45°平面反射鏡I和45°平面反射鏡2，以及光纖匹配頭1，使光纖耦合效率達到70%以上。調節(jié)光纖匹配頭2，使出射光為平行光束。
[0032]上述的光纖為Im長的保偏光纖。
[0033]3.激光功率的一次穩(wěn)定
[0034]參見圖1，通過光纖后，激光在空間上便獲得了高度的穩(wěn)定性，然而其功率卻還沒有穩(wěn)定。功率的不穩(wěn)定性來自兩個因素:一個是不同的調制頻率下聲光調制器的衍射效率不同，另一個是光束的空間不穩(wěn)定性造成光纖耦合效率的變化。
[0035]本發(fā)明對激光功率進行兩次穩(wěn)定，下面首先說明功率的一次穩(wěn)定。
[0036]參見圖1，輸入到聲光調制器I的射頻信號由射頻信號源I發(fā)出，經(jīng)過壓控衰減器I衰減，再經(jīng)功率放大器I放大，最后輸入到聲光調制器I。其中，壓控衰減器I會對其經(jīng)過的射頻功率進行一定程度的衰減，其衰減度取決于其控制電壓的大小。功率放大器I則對射頻功率進行固定倍數(shù)的放大，以提供足夠的射頻功率來驅動聲光調制器I。
[0037]用玻璃平片I分出激光的一部分，并利用光電探測器I探測該部分激光。光電探測器I輸出的電壓信號與激光的功率成正比。將光電探測器I輸出的電壓信號輸入到伺服控制器1，伺服控制器I則會輸出一個負反饋信號到壓控衰減器，進而控制輸入到聲光調制器I的射頻功率，聲光調制器I的衍射效率則會做出相應的變化使激光的功率保持穩(wěn)定。
[0038]伺服控制器I的原理及其組成部分如圖2，光電探測器I的電壓信號輸入到電壓跟隨器1，以增大伺服控制器的輸入阻抗，從而不會影響到光電探測器的信號。光電探測器的電壓信號與穩(wěn)定的參考信號I在減法器I中作減法得到誤差信號，比例積分放大器對誤差信號作線性放大和積分運算，經(jīng)過正負相選擇器I使輸出信號為一個負反饋信號。由于壓控衰減器需要一個正的偏置電壓，參考電壓信號同時輸出另一路電壓，經(jīng)過運算放大器I和電位器I后，得到一個可調的偏置電壓，在加法器I中與正負相選擇器的輸出電壓相加，加法器I則會輸出一個負反饋信號到壓控衰減器I。
[0039]4.激光功率的二次穩(wěn)定
[0040]一般情況下，激光頻率的掃描范圍越大，功率的波動也會越大，而另一方面伺服控制器的輸出電壓(一般為-15V到+15V)以及壓控衰減器的控制電壓(一般為OV到17V)都有一定的范圍，從而限制了功率穩(wěn)定下的激光頻率掃描范圍。另外，大的頻率掃描范圍也會影響激光功率的穩(wěn)定度。所以，在大的頻率掃描范圍情況下以及需要更高功率穩(wěn)定度的情況下，單次的功率穩(wěn)定難以滿足要求，本發(fā)明采用二次功率的方法。
[0041]參見圖1，與激光功率的一次穩(wěn)定相似，射頻信號源2、壓控衰減器2、功率放大器2、聲光調制器2、玻璃平片2、光電探測器2以及伺服控制器2組成了另個一功率穩(wěn)定的閉合回路，其工作原理與激光功率的一次穩(wěn)定相似。透鏡3和透鏡4為兩個焦距相同的透鏡，且兩個透鏡共焦點，聲光調制器2的中心位于該焦點上。不同的是，在激光功率的二次穩(wěn)定中，可以選擇O級、+1級、-1級中的任何一個衍射級通過光闌5，且不再進行激光頻率的掃描，所以不再存在激光空間上不穩(wěn)定的問題。這也給系統(tǒng)帶來另外一個優(yōu)點，即可以利用功率的二次穩(wěn)定來靈活改變激光頻率掃描的中心頻率，這使得系統(tǒng)能適應更多的實驗需求。本實施例選則O級衍射光通過光闌5，激光的頻率不會發(fā)生改變。
[0042]實施例2
[0043]本實施例米用聲光調制器I的正一級衍射光。
[0044]參見圖1，具有穩(wěn)定頻率且偏振方向與紙面平行(水平)的689nm平行激光束，順次通過光闌I和光闌2的中心，這時激光沿著系統(tǒng)所固定的光路進行傳播。由于入射光是水平偏振，所以激光會穿過偏振分束棱鏡I。水平偏振光經(jīng)過四分之一波晶片I后，變成圓偏振光。平行光束穿過光闌3的孔徑中心后經(jīng)過透鏡LI聚焦，透鏡LI的焦點位于聲光調制器I內的晶體中心，并在聲光調制器I中發(fā)生衍射。調整聲光調制器I的角度，使其正一級衍射光的衍射效率達到80%以上。調整光闌4的位置，并只讓正一級衍射光通過光闌4的中心，其他衍射級的激光被光闌4擋住。正一級衍射光垂直入射到透鏡2，透鏡I與透鏡2共焦點，這時，經(jīng)過透鏡L2的光束又變成了平行光束，垂直入射到零度高反鏡I后又會原路返回至聲光調制器I。原路返回的激光又會再次在聲光調制器I中發(fā)生衍射，并只有正一級衍射光能再次通過光闌3的中心，且仍然能原路返回并再次穿過四分之一波片。此時，激光的偏振方向變成了與紙面垂直(豎直偏振)而只能被偏振分束棱鏡I反射，不能穿過該偏振分束棱鏡，且被垂直反射出偏振分束棱鏡I。
[0045]其他步驟與實施例1相同。
[0046]實施例3
[0047]本實施例采用聲光調制器2的正一級衍射光，步驟1、步驟2、步驟3與實施例1相同。
[0048]參見圖1，與激光功率的一次穩(wěn)定相似，射頻信號源2、壓控衰減器2、功率放大器
2、聲光調制器2、玻璃平片2、光電探測器2以及伺服控制器2組成了另一個功率穩(wěn)定的閉合回路，其工作原理與激光功率的一次穩(wěn)定相似。透鏡3和透鏡4為兩個焦距相同的透鏡，且兩個透鏡共焦點，聲光調制器2的中心位于該焦點上。只讓正一級衍射級通過光闌5，且不再進行激光頻率的掃描，射頻信號源2的頻率值為一個定值，例如100MHz，則激光頻率會增大100MHz，同時可以對功率進行二次穩(wěn)定。
[0049]實施例4
[0050]本實施例采用聲光調制器2的負一級衍射光，步驟1、步驟2、步驟3與實施例1相同。[0051]參見圖1，與激光功率的一次穩(wěn)定相似，射頻信號源2、壓控衰減器2、功率放大器
2、聲光調制器2、玻璃平片2、光電探測器2以及伺服控制器2組成了另一個功率穩(wěn)定的閉合回路，其工作原理與激光功率的一次穩(wěn)定相似。透鏡3和透鏡4為兩個焦距相同的透鏡，且兩個透鏡共焦點，聲光調制器2的中心位于該焦點上。只讓負一級衍射級通過光闌5，且不再進行激光頻率的掃描，射頻信號源2的頻率值為一個定值，例如100MHz，則激光頻率會減小100MHz，同時可以對功率進行二次穩(wěn)定。
【權利要求】
1.一種基于聲光調制器的高穩(wěn)定性激光頻率掃描裝置，其特征在于:激光穿過同軸固連的兩個光闌，由偏振分束棱鏡一分為二，其中的一路輸出經(jīng)過同軸的四分之一波片、三號光闌和一號透鏡入射一號聲光調制器，所述的一號透鏡與一號聲光調制器的距離為一號透鏡的焦距，一號聲光調制器與入射激光的角度使+1級衍射光或-1級衍射光的光衍射效率達到最大；衍射級激光穿過同軸的四號光闌和二號透鏡，再經(jīng)零度高反射鏡原路反射，所述的二號透鏡與一號聲光調制器的距離為二號透鏡的焦距，一號透鏡與二號透鏡焦距相等，一號透鏡與二號透鏡共焦點且一號聲光調制器的晶體中心位于該焦點上；所述一號聲光調制器的晶體由一號射頻信號源產(chǎn)生的微波信號經(jīng)過一號壓控衰減器和一號功率放大器后作用，使通過一號聲光調制器的激光發(fā)生與微波頻率相同頻率的頻移；偏振分束棱鏡的另一路輸出經(jīng)過兩個45°平面反射鏡精確調節(jié)激光的空間位置后，通過兩端匹配光纖匹配頭的Im光纖將光束調節(jié)為平行光，以四十五度角入射一號玻璃平片，將反射光饋入一號光電探測器，將激光的功率轉化為電壓信號，驅動一號伺服控制器控制一號壓控衰減器；透射出玻璃平片的激光穿過同軸的三號透鏡進入二號聲光調制器，在二號聲光調制器中再次發(fā)生衍射，選擇零級和正負一級的任意一級的衍射光通過五號光闌和四號透鏡，以四十五度角入射二號玻璃平片，所述的三號透鏡與四號透鏡等焦距，二號聲光調制器與三號透鏡、四號透鏡的距離都為所述焦距；二號玻璃平片的反射光饋入到二號光電探測器，將功率信號轉化為電壓信號，驅動二號伺服控制器控制二號壓控衰減器；所述二號聲光調制器的晶體由二號射頻信號源產(chǎn)生的微波信號經(jīng)過二號壓控衰減器和二號功率放大器后作用，使通過二號聲光調制器的激光發(fā)生與微波頻率相同頻率的頻移。
【文檔編號】H01S3/13GK103746285SQ201310740707
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權日:2013年12月27日
【發(fā)明者】劉輝, 許朋, 任潔, 常宏 申請人:中國科學院國家授時中心