本发明专利技术属于激光应用技术领域，本发明专利技术的方法包括以下步骤：开启并预热置于纵向磁场中的激光管，利用四分之一波片和偏振分光器初步分离激光管出射的左、右旋圆偏振光得到两正交线偏振光；利用低漂移高频光电探测器将线偏振光转变为电信号并测出电信号中直流和交流分量的幅值，从而精确分离并测得两圆偏振光的光功率Ｐ↓［Ｌ］和Ｐ↓［Ｒ］；调整缠绕在激光管上的电热器件的电流值，改变激光管温度和谐振腔长，使光功率差Ｐ↓［Ｌ］－Ｐ↓［Ｒ］为零，两偏振光频率都得到稳定；本发明专利技术的装置包括用于获得光功率直流分量和交流分量的光功率精确分离检测电路；本发明专利技术的特点是利用低漂移高频光电探测器可同时测出线偏振光中混叠的两种不同频率激光的光功率，从而提高稳频激光器的频率稳定度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光应用
，特别是一种基于光功率精确分离的纵向塞曼激光器稳频方法与装置。
技术介绍
激光的特点之一是单色性好，其自发辐射噪声引起的激光线宽极限很小，但由于各种不稳定因素的影响，自由运转的激光器光频率漂移远远大于线宽极限。在精密干涉测量、光频标、光通信及精密光谱研究等应用领域中，激光作为长度标准要求光频率(波长)具有很好的稳定性。在诸稳频激光器中，纵向塞曼稳频激光器由于结构简单、双频发射、频差适中易处理等特点在上述领域得到了广泛应用。 根据反馈信号的不同，纵向塞曼激光器稳频方法可分为频差稳频法和功率差稳频法。由纵向塞曼激光器的特性可知，左、右旋圆偏振光频差调谐曲线的极值点，功率差信号的零点，均属于自然基准，不易受激光管放电条件、温度、磁场强度等外界条件变化的影响，锁定于频差极值点或功率差零点的纵向塞曼激光器具有较高的频率稳定度。 美国实验天体物理学联合学院(JILA)的T.Baer等提出锁定于频差极值点的纵向塞曼激光器稳频方案(Baer T，Kowalski F V，Hall J L.FrequencyStabilization of a 0.633μm He-Ne Longitudinal Zeeman Laser.Appl.Opt.1980，(19)3173～3177)。该稳频方案以左右旋圆偏振光频差值作为反馈信号，利用压电陶瓷调谐腔长使得激光器锁定于频差调谐曲线的极值点，从而稳定纵向塞曼激光器输出光频率获得2×10-9的长期频率稳定度。但是，此稳频方案需要采用压电陶瓷等高速响应器件作为腔长调谐执行器来锁定极值点，不仅增加了激光管制造的工艺复杂程度，还降低了激光器的短期频率稳定度。此外，由于压电陶瓷自身的漂移和迟滞特性，很难使腔长控制在预期的精度范围内。 美国Beckman Instruments公司(美国专利Laser stabilization servosystem，专利号US884872)和中国陕西机械学院(中国专利热稳频双频激光器，专利号CN85102385)分别提出了锁定于功率差零点的纵向塞曼激光器热稳频方案。该稳频方案典型装置原理为通过控制缠绕在激光管外的电热薄膜的电流大小，调节激光管温度和谐振腔腔长锁定激光器工作于功率差零点。然而，在纵向塞曼激光器热稳频系统中，受到分光光路和检测电路的设计、加工和安装误差带来的影响，左、右旋圆偏振光光功率混叠、光功率检测电路参数不对称漂移，使得稳频系统锁定点偏离左、右旋圆偏振光的功率差零点，输出光频率稳定度降低。如图1(a)所示，理想情况下，纵向塞曼激光器出射的左、右旋圆偏振光通过四分之一波片转变为偏振方向相互垂直的A、B两路线偏振光，左旋圆偏振光完全转换为A路线偏振光，右旋圆偏振光完全转换为B路线偏振光，PBS将A、B两路线偏振光完全分离。然而，如图1(b)所示，由于实际激光器出射光通常是非正交椭圆偏振光，且四分之一波片、PBS均存在制造、安装误差，因此PBS输出的两路激光中均同时混叠了左、右旋圆偏振光，使得稳频系统锁定点偏离真正的功率差零点，输出光频率稳定度降低。 为解决左、右旋圆偏振光光功率检测电路的参数不对称漂移问题，美国惠普公司HP5501B及HP5519系列激光器中引入液晶旋转偏振光开光，利用同一光电转换器分时复用分别检测两圆偏振光功率，消除了光电转换器参数漂移的影响。然而，为防止引入液晶偏振光开关带来的光路不对称，该方案中光学器件加工和安装的精度要求较高，调试困难。此外，该方案没有解决左、右旋圆偏振光光功率混叠问题，光功率混叠对光频率稳定度的影响依然存在。
技术实现思路
为了克服上述已有技术中的不足，本专利技术提出了一种基于光功率精确分离的纵向塞曼激光器稳频方法与装置，利用光学器件初步分离纵向塞曼激光器负输出端出射的左、右旋圆偏振光获得两路线偏振光，并通过低漂移高频光电探测器检测信号进一步检测和分离线偏振光中的光功率混叠，从而使激光器负输出端出射的左、右旋圆偏振光的光功率PL和PR得到精确分离。此时获得的功率差零点不易受放电条件、温度、时间变化等影响，当稳频电子线路调整激光器腔长锁定左、右旋圆偏振光功率差为零时，两偏振光频率相对于增益曲线中心频率对称分布，具有很高的频率稳定度。 上述的目的通过以下的技术方案实现 一种基于光功率精确分离的纵向塞曼激光器稳频方法，该方法包括以下步骤 (1)开启并预热置于纵向磁场中的同轴式内腔激光管，其负输出端出射频率分别为fL和fR、功率分别为PL和PR的左、右旋圆偏振光，利用四分之一波片和偏振分光器初步分离左、右旋圆偏振光得到偏振方向相互垂直的A、B两路线偏振光，由于激光器的非理想特性以及光路的设计和调整误差带来的不同频率激光的光功率混叠和拍频干涉，A路线偏振光中混叠有功率分别为PAL＝(1-α)PL、PAR＝βPR的两种不同频率激光，B路线偏振光中混叠有功率分别为PBL＝αPL、PBR＝(1-β)PR的两种不同频率激光； (2)利用高频光电探测器将A路线偏振光辐射转变为电信号，电信号中具有直流电平分量和频率为|fL-fR|的交流分量，对直、交流信号进行同等倍数的放大，测得直流分量值P1和交流分量的振幅值P3，相应地对B路线偏振光进行同样处理，检测得直流分量值P2和交流分量的振幅值P4； (3)由P1、P3数值求出又根据P2、P4数值求出则可精确分离并测得激光管负输出端出射的左、右旋圆偏振光的光功率PL＝PAL+PBL和PR＝PAR+PBR； (4)在激光管达到设定预热温度并接近热平衡状态后，根据左、右旋圆偏振光的光功率差ΔP＝PL-PR，调整缠绕在激光管上的电热器件的电流值，改变激光管温度和谐振腔长，构成稳频控制环路。控制环路锁定功率差为零，左、右旋圆偏振光频率相对于增益曲线中心频率对称分布，两光频率都得到稳定。 一种基于光功率精确分离的纵向塞曼激光器稳频装置，其组成包括磁环、激光管、高压电源、温度传感器、电热薄膜、四分之一波片、偏振分光器、前置放大器、A/D转换器、微处理器、D/A转换器、功率放大器，本装置还包括低通滤波器、低漂移高频光电探测器、后置直流放大器、后置交流耦合放大器与峰值检波器，它们与前置放大器共同构成光功率精确分离检测电路；在偏振分光器与两个前置放大器之间分别配置一个低漂移高频光电探测器，前置放大器的输出分别与低通滤波器和后置交流耦合放大器连接，低通滤波器和后置交流耦合放大器与A/D转换器之间分别配置后置直流放大器与峰值检波器。 本专利技术具有以下特点和有益效果 (1)本专利技术中采用低漂移高频光电接收器接收线偏振光功率信号，其输出信号既包括混叠了左、右旋圆偏振光功率的直流分量，又包括左、右旋圆偏光拍频形成的交流分量，根据低漂移高频探测器所得直流分量大小和交流分量振幅值，本专利技术有效地分离出线偏振光中混叠的不同频率光的光功率，从而精确地检测出左右旋圆偏振光的光功率，而现有方法由于采用低频光电接收器转换光功率获得直流分量，其偏振光功率检测结果中存在的两种偏振光的功率混叠，这是本专利技术区别现有技术的创新点之一； (2)本专利技术中光功率的精确分离是通过低漂移高频光电探测器输出的交直流信息来实现的，低漂移高频光电探测器的引入可以消除激光器本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于光功率精确分离的纵向塞曼激光器稳频方法，其特征是该方法包括以下步骤： （１）开启并预热置于纵向磁场中的同轴式内腔激光管，其负输出端出射频率分别为ｆ↓［Ｌ］和ｆ↓［Ｒ］、功率分别为Ｐ↓［Ｌ］和Ｐ↓［Ｒ］的左、右旋圆偏振光，利用四分之一波片和偏振分光器初步分离激光器左、右旋圆偏振光得到偏振方向相互垂直的Ａ、Ｂ两路线偏振光，Ａ路线偏振光中混叠有功率分别为Ｐ↓［ＡＬ］＝（１－α）Ｐ↓［Ｌ］、Ｐ↓［ＡＲ］＝βＰ↓［Ｒ］的两种不同频率激光，Ｂ路线偏振光中混叠有功率分别为Ｐ↓［ＢＬ］＝αＰ↓［Ｌ］、Ｐ↓［ＢＲ］＝（１－β）Ｐ↓［Ｒ］的两种不同频率激光； （２）利用高频光电探测器将Ａ路线偏振光辐射转变为电信号，电信号中具有直流电平分量和频率为｜ｆ↓［Ｌ］－ｆ↓［Ｒ］｜的交流分量，对直、交流信号进行同等倍数的放大，测得直流分量值Ｐ↓［１］和交流分量的振幅值Ｐ↓［３］；相应地对Ｂ路线偏振光进行同样处理，检测得直流分量值Ｐ↓［２］和交流分量的振幅值Ｐ↓［４］； （３）由Ｐ↓［１］、Ｐ↓［３］数值求出Ｐ↓［ＡＬ］＝＊＊＊／４、Ｐ↓［ＡＲ］＝＊＊＊↑［２］／４，又根据Ｐ↓［２］、Ｐ↓［４］数值求出＊＊＊，则可精确分离并测得激光管负输出端出射的左、右旋圆偏振光的光功率Ｐ↓［Ｌ］＝Ｐ↓［ＡＬ］＋Ｐ↓［ＢＬ］和Ｐ↓［Ｒ］＝Ｐ↓［ＡＲ］＋Ｐ↓［ＢＲ］； （４）在激光管达到设定预热温度并接近热平衡状态后，根据左、右旋圆偏振光的光功率差ΔＰ＝Ｐ↓［Ｌ］－Ｐ↓［Ｒ］，调整缠绕在激光管上的电热器件的电流值，改变激光管温度和谐振腔长，构成稳频控制环路。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：谭久彬，胡鹏程，付海金，杨宏兴，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]
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