一种同时实现激光器频率稳定和噪声抑制的反馈锁定结构制造技术

本发明专利技术涉及激光器技术领域，公开了一种同时实现激光器频率稳定和噪声抑制的反馈锁定结构，即一方面通过在第一反馈锁定环路中采用原子饱和吸收光路和用于反馈控制激光器压电陶瓷控制端的伺服电路，可将激光器的激光频率锁定在原子饱和吸收光谱的谱线上，实现频率稳定目的，另一方面通过在第二反馈锁定环路中采用光纤干涉仪和用于反馈控制激光器电流调制端的伺服电路，可以有效抑制激光器的信号噪声，实现噪声抑制目的，同时与现有激光线宽压制方案相比，大大简化了光学结构，缩小了整体体积，并且不需要光路和参考腔的空间模式精确匹配，降低了实现难度。此外该结构还具有易于集成、不需要自由空间光路调节和环境参数敏感度小等优点。

A feedback lock-in structure for laser frequency stabilization and noise suppression

【技术实现步骤摘要】
一种同时实现激光器频率稳定和噪声抑制的反馈锁定结构
本专利技术属于激光器
，具体涉及一种同时实现激光器频率稳定和噪声抑制的反馈锁定结构。
技术介绍
在原子钟技术中，采用更窄线宽的激光探测原子钟跃迁信号，可以提高信号的信噪比，进而提高原子钟的频率稳定度。而在原子钟跃迁信号的探测中，吸收法探测被广泛的应用；吸收法探测属于振幅型探测，所以要求探测光的振幅噪声很低。在吸收法探测中，激光通过原子介质会使得介质的电极化率随着激光频率噪声而起伏。这种电极化率的起伏，会引入激光光强的起伏，即把激光的频率噪声转化成了光强强度噪声。这样就会降低用吸收法探测到的原子钟跃迁信号的信噪比，使得原子钟的频率稳定度变差。J.C.Camparo和J.G.Coffer在研究中发现，更窄线宽的激光会减少这种原因产生的光强强度噪声。所以在原子钟的实验中，实现对探测激光频率噪声的抑制来获得更窄线宽的探测光是极为重要的。在实现对激光线宽压窄的诸多方法中，利用法布里－珀罗腔(即Fabry–Pérot腔)来锁定激光进行线宽压窄具有非常优良的性能。但是这种方法也存在一些缺点，比如：光学结构复杂，需要光路和参考腔的空间模式精确匹配；体积较大；对环境参数敏感。
技术实现思路
为了解决当前激光线宽压窄方案中所存在的光学结构复杂和体积较大的问题，本专利技术目的在于提供一种同时实现激光器频率稳定和噪声抑制的反馈锁定结构。本专利技术所采用的技术方案为：一种同时实现激光器频率稳定和噪声抑制的反馈锁定结构，其特征在于：包括频率可扫描的半导体激光器、电光调制器、分束器、原子饱和吸收光路、声光调制器移频光路、第一光电探测器、第二光电探测器、第一混频器、第二混频器、第一移相器、第二移相器、第一伺服电路、第二伺服电路、光纤干涉仪和信号发生器；所述半导体激光器的激光出射端连通所述电光调制器的激光入射端，所述电光调制器的激光出射端连通所述分束器的激光入射端，所述分束器的激光透射端连通所述原子饱和吸收光路的激光出入端；所述分束器的透射激光反射端连通所述第一光电探测器的激光入射端，所述第一光电探测器的输出端电连接所述第一混频器的第一输入端，所述信号发生器的第一信号输出端电连接所述电光调制器的驱动端，所述信号发生器的第二信号输出端电连接所述第一移相器的输入端，所述第一移相器的输出端电连接所述第一混频器的第二输入端，所述第一混频器的输出端电连接所述第一伺服电路的输入端，所述第一伺服电路的输出端电连接所述半导体激光器的压电陶瓷控制端，构成用于频率稳定的第一反馈锁定环路；所述分束器的入射激光反射端连通所述声光调制器移频光路的激光入射端，所述声光调制器移频光路的激光出射端连通所述光纤干涉仪的激光入射端，所述光纤干涉仪的激光出射端连通所述第二光电探测器的激光入射端，所述第二光电探测器的输出端电连接所述第二混频器的第一输入端，所述信号发生器的第三信号输出端电连接所述第二移相器的输入端，所述第二移相器的输入端电连接所述第二混频器的第二输入端，所述第二混频器的输出端电连接所述第二伺服电路的输入端，所述第二伺服电路的输出端电连接所述半导体激光器的电流调制端，构成用于噪声抑制的第二反馈锁定环路。优化的，还包括压控振荡器，并且所述第二伺服电路的快信号输出端电连接所述半导体激光器的电流调制端；所述第二伺服电路的慢信号输出端电连接所述压控振荡器的输入端，所述压控振荡器的输出端电连接所述声光调制器移频光路的驱动端，构成用于补偿频率温漂的反馈支路。具体的，所述半导体激光器采用无跳模的频率可调谐半导体外腔激光器。具体的，所述光纤干涉仪采用基于多光束干涉原理的环形光纤干涉仪或采用基于双光束干涉原理的马赫曾德光纤干涉仪或迈克尔逊光纤干涉仪。优化的，所述环形光纤干涉仪包括激光入射端、激光出射端和一个光纤耦合器，其中，所述光纤耦合器为具有两个输入端口和两个输出端口的2X2光纤耦合器；所述激光入射端熔接所述光纤耦合器的第一输入端口的尾纤，所述激光出射端熔接所述光纤耦合器的第二输出端口的尾纤，所述光纤耦合器的第一输出端口的尾纤熔接第二输入端口的尾纤，构成单级环形结构；所述环形光纤干涉仪的光纤环路长度L为：其中，fr为移频后的激光频率，c为真空中的光速。详细具体的，所述光纤耦合器为保偏光纤定向耦合器。详细具体的，所述光纤耦合器的第一输入端口对第一输出端口的耦合系数为66.7％，对第二输出端口的耦合系数为33.3％；所述光纤耦合器的第二输入端口对第一输出端口的耦合系数为66.7％，对第二输出端口的耦合系数为33.3％。进一步优化的，所述环形光纤干涉仪的环内传播损耗等于光纤熔接损耗，使得光强通过率函数为零。进一步优化的，所述环形光纤干涉仪设置在密封金属罐中，并配置有主动式温控单元。具体的，所述第一混频器和所述第二混频器的第一输入端和第二输入端分别互为射频信号输入端和本征信号输入端。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术创造提供了一种能够对激光器进行频率稳定和噪声抑制的新型光路及电路结构，即一方面通过在第一反馈锁定环路中采用原子饱和吸收光路和用于反馈控制激光器压电陶瓷控制端的伺服电路，可将激光器的激光频率锁定在原子饱和吸收光谱的谱线上，实现频率稳定目的，另一方面通过在第二反馈锁定环路中采用光纤干涉仪和用于反馈控制激光器电流调制端的伺服电路，可以有效抑制激光器的信号噪声，实现噪声抑制目的，同时与现有激光线宽压制方案相比，大大简化了光学结构，缩小了整体体积，并且不需要光路和参考腔的空间模式精确匹配，降低了实现难度；(2)由于是采用了光纤干涉仪来进行噪声抑制，还具有易于集成以及不需要自由空间光路调节等优点，另外可以补偿光纤干涉仪因温度变化而产生的频率漂移，减小环境参数的敏感度，进一步稳定激光频率，便于实际应用和推广。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术提供的反馈锁定结构的原理示意图。图2是本专利技术提供的反馈锁定结构采用环形光纤干涉仪时的示例图。图3是本专利技术提供的环形光纤干涉仪的结构示意图。图4是本专利技术提供的环形光纤干涉仪的光强透过率图。图5是本专利技术提供的测量结果示例图。图6是本专利技术提供的马赫曾德光纤干涉仪的结构示意图。图7是本专利技术提供的迈克尔逊光纤干涉仪的结构示意图。上述附图中：1-半导体激光器；2-电光调制器；3-分束器；4-原子饱和吸收光路；5-声光调制器移频光路；61-第一光电探测器；62-第二光电探测器；71-第一混频器；72-第二混频器；81-第一移相器；82-第二移相器；91-第一伺服电路；92-第二伺服电路；10-光纤干涉仪；101-光纤耦合器；11-信号发生器；12-压控振荡器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同时实现激光器频率稳定和噪声抑制的反馈锁定结构，其特征在于：包括频率可扫描的半导体激光器(1)、电光调制器(2)、分束器(3)、原子饱和吸收光路(4)、声光调制器移频光路(5)、第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、第一混频器(71)、第二混频器(72)、第一移相器(81)、第二移相器(82)、第一伺服电路(91)、第二伺服电路(92)、光纤干涉仪(10)和信号发生器(11)；/n所述半导体激光器(1)的激光出射端连通所述电光调制器(2)的激光入射端，所述电光调制器(2)的激光出射端连通所述分束器(3)的激光入射端，所述分束器(3)的激光透射端连通所述原子饱和吸收光路(4)的激光出入端；/n所述分束器(3)的透射激光反射端连通所述第一光电探测器(61)的激光入射端，所述第一光电探测器(61)的输出端电连接所述第一混频器(71)的第一输入端，所述信号发生器(11)的第一信号输出端电连接所述电光调制器(2)的驱动端，所述信号发生器(11)的第二信号输出端电连接所述第一移相器(81)的输入端，所述第一移相器(81)的输出端电连接所述第一混频器(71)的第二输入端，所述第一混频器(71)的输出端电连接所述第一伺服电路(91)的输入端，所述第一伺服电路(91)的输出端电连接所述半导体激光器(1)的压电陶瓷控制端，构成用于频率稳定的第一反馈锁定环路；/n所述分束器(3)的入射激光反射端连通所述声光调制器移频光路(5)的激光入射端，所述声光调制器移频光路(5)的激光出射端连通所述光纤干涉仪(10)的激光入射端，所述光纤干涉仪(10)的激光出射端连通所述第二光电探测器(62)的激光入射端，所述第二光电探测器(62)的输出端电连接所述第二混频器(72)的第一输入端，所述信号发生器(11)的第三信号输出端电连接所述第二移相器(82)的输入端，所述第二移相器(82)的输入端电连接所述第二混频器(72)的第二输入端，所述第二混频器(72)的输出端电连接所述第二伺服电路(92)的输入端，所述第二伺服电路(92)的输出端电连接所述半导体激光器(1)的电流调制端，构成用于噪声抑制的第二反馈锁定环路。/n...

【技术特征摘要】
1.一种同时实现激光器频率稳定和噪声抑制的反馈锁定结构，其特征在于：包括频率可扫描的半导体激光器(1)、电光调制器(2)、分束器(3)、原子饱和吸收光路(4)、声光调制器移频光路(5)、第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、第一混频器(71)、第二混频器(72)、第一移相器(81)、第二移相器(82)、第一伺服电路(91)、第二伺服电路(92)、光纤干涉仪(10)和信号发生器(11)；
所述半导体激光器(1)的激光出射端连通所述电光调制器(2)的激光入射端，所述电光调制器(2)的激光出射端连通所述分束器(3)的激光入射端，所述分束器(3)的激光透射端连通所述原子饱和吸收光路(4)的激光出入端；
所述分束器(3)的透射激光反射端连通所述第一光电探测器(61)的激光入射端，所述第一光电探测器(61)的输出端电连接所述第一混频器(71)的第一输入端，所述信号发生器(11)的第一信号输出端电连接所述电光调制器(2)的驱动端，所述信号发生器(11)的第二信号输出端电连接所述第一移相器(81)的输入端，所述第一移相器(81)的输出端电连接所述第一混频器(71)的第二输入端，所述第一混频器(71)的输出端电连接所述第一伺服电路(91)的输入端，所述第一伺服电路(91)的输出端电连接所述半导体激光器(1)的压电陶瓷控制端，构成用于频率稳定的第一反馈锁定环路；
所述分束器(3)的入射激光反射端连通所述声光调制器移频光路(5)的激光入射端，所述声光调制器移频光路(5)的激光出射端连通所述光纤干涉仪(10)的激光入射端，所述光纤干涉仪(10)的激光出射端连通所述第二光电探测器(62)的激光入射端，所述第二光电探测器(62)的输出端电连接所述第二混频器(72)的第一输入端，所述信号发生器(11)的第三信号输出端电连接所述第二移相器(82)的输入端，所述第二移相器(82)的输入端电连接所述第二混频器(72)的第二输入端，所述第二混频器(72)的输出端电连接所述第二伺服电路(92)的输入端，所述第二伺服电路(92)的输出端电连接所述半导体激光器(1)的电流调制端，构成用于噪声抑制的第二反馈锁定环路。


2.如权利要求1所述的一种同时实现激光器频率稳定和噪声抑制的反馈锁定结构，其特征在于：还包括压控振荡器(12)，并且所述第二伺服电路(92)的快信号输出端电连接所述半导体激光器(1)的电流调制端；
所述第二伺服电路(92)的慢信号输出端电连接所述压控振荡器(12)的输入端，所述压控振荡器(12)的输出端电连接所述声光调制器移频光路(5)的驱动端，构成用于补偿频率温漂的反馈支路。...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄军超，王新文，于明园，杨林，
申请(专利权)人：成都天奥电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51