用于精密计量的激光频率稳定方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于精密计量的激光频率稳定方法及装置，其包括以下步骤：１）设置一包括法布里－珀罗干涉仪、待稳定激光器、稳频激光器、法布里－珀罗腔锁定系统和激光频率锁定系统的用于精密计量的激光频率稳定装置；２）法布里－珀罗腔锁定系统采用电光晶体频率调制的方法，将法布里－珀罗干涉仪的某一级共振峰稳定至稳频激光器的输出激光频率；３）激光频率锁定系统采用电光晶体频率调制的方法，将待稳定激光器的输出激光频率稳定至步骤２）中法布里－珀罗干涉仪的某一共振峰；４）选择不同的法布里－珀罗干涉仪的共振峰，重复步骤３），将待稳定激光器的输出频率稳定至法布里－珀罗干涉仪的其它共振峰，实现激光器频率的大范围调谐。本发明专利技术具有可溯源、频率稳定度高以及频率调谐范围大的优点，可以广泛适用于激光精密计量领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光频率稳定方法及装置，特别是关于一种用于精密计量的激光 频率稳定方法及装置。
技术介绍
在计量领域，溯源性是指任何一个测量结果或计量标准值，都能通过一条具有规 定不确定度的连续比较链，与计量基准联系起来。1983年第十七届国际计量大会推荐了几 种用于复现米定义的稳频激光器，这些稳频激光器可直接作为复现米定义的计量基准。可 调谐激光器因具有输出激光频率大范围(约100GHz)连续可调谐的特点，在激光精密计量 领域有着重要的应用。但是，由于受到环境温度变化和机械振动的影响，自由运转的可调谐 激光器在数小时内的长期频率稳定度会达到甚至超过MHz量级。激光频率的波动对精密计 量的不确定度有着严重的影响。为了将其应用于精密计量领域，需要对其输出激光频率进 行稳定，也称为对激光器输出频率的锁定。此外，将测量结果溯源至计量基准也是计量研究 一个必要条件。基于一般的控制理论对激光器的输出频率进行稳定，需要对激光器当前的输出频 率进行精确的测量。但是，光波的频率约为1014Hz，至今还没有一种仪器可以对如此高的频 率进行直接的测量。基于对待稳定激光器频率的间接测量，拍频法和法布里_珀罗腔鉴频 法是稳定激光器频率的两种有效方法。拍频法稳定激光频率的原理是由待稳定激光器与稳频激光器进行光学拍频，经光 学拍频将待测量频率降至MHz至GHz量级，再由光电探测器探测拍频信号，经锁相环电路处 理后得到误差信号，该误差信号经放大后形成反馈调节激光器的驱动信号，最终使得激光 器的输出频率与稳频激光器的输出频率相差一个稳定的光学拍频频率。该方法详见文献 (1) :Accurate frequency control of aninternal-mirror He_Ne laser by means of a radiation-heating system, J. Ishikawa，Appl. Opt.，1995，34 :6095_6098o 选择作为米定 义计量基准的激光器作为稳频激光器，拍频法可将待稳定激光器频率直接溯源到米定义计 量基准。但是受到光电探测器带宽和高频电路噪声的影响，拍频法的光学差拍量和频率稳 定度都受到了很大的限制。N. Kuramoto和K. Fujii用该方法稳定可调谐外腔半导体激光器 的输出频率，其频率稳定度只能达到900kHz，频率调谐范围最大为19GHz，可参见文献(2) Interferometric determination of the diameter ofa silicon sphere using a direct optical frequency tuning system,N. Kuramotoand K. Fujii,IEEETrans. Instrum. Meas., 2003，52(2) :631-635o法布里-珀罗腔鉴频法稳定激光频率的原理是利用法布里_珀罗腔对光学频 率透过的选择性，将激光频率稳定至法布里-珀罗腔的某一共振峰。根据激光频率调 制类型的不同，该方法又分为无频率调制的偏频锁定技术和频率调制的峰值锁定技术， 后者又称为Pound-Drever-Hal 1技术。因为Pound-Drever_Hal 1技术的激光频率稳定 度不受激光功率变化的影响，具有频率稳定度高，线宽窄等特点，该技术应用更为广泛。Pound-Drever-Hall技术是将由电光晶体调制后带有两个调制峰的激光入射至法布里-珀 罗腔，光电探测器接收由法布里-珀罗腔选择后的反射光信号，并将其与电光晶体的驱动 信号进行混频处理后生成误差信号，经滤波、放大最后反馈调制激光器，使得激光器的输 出频率稳定至法布里-珀罗腔的某一级共振峰，同时起到压窄激光线宽的作用。通过开 环调节激光器的频率，选择不同的法布里-珀罗腔的共振峰锁定激光器频率可使得激光 器的输出频率大范围调谐，且其调谐范围只受激光器自身的调谐范围的限制。该方法详 见文献(3) :Anintroduction to Pound-Drever-Hall laser frequency stabilization, E. D. Black, Am. J. Phys.，2001，69(1) :79_87。选择适当参数的法布里-珀罗腔和激光调制 频率可以将激光稳定度提升至Hz量级甚至更稳定，可参见文献(4) :Diodelaser with 1Hz linewidth, H. Stoehr, F. Mensing, J. Helmcke and U. Sterr, Optics Letter, 2006, 31 (6) 736-738。但是，Pound-Drever-Hall技术稳定的激光频率不具有可溯源性，即未能与计量基 准建立联系。所以，尽管采用Pound-Drever-Hall技术稳定的激光频率具有高频率稳定度 和大频率调谐范围的特点，但是如将其用于计量领域的激光频率稳定，溯源性仍需要解决。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种可溯源、频率稳定度高以及频率调谐范 围大的用于精密计量的可溯源激光频率稳定方法及装置。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案一种用于精密计量的激光频率稳定 方法，其特征在于包括以下步骤1)设置一包括法布里-珀罗干涉仪、待稳定激光器、稳频 激光器、法布里_珀罗腔锁定系统和激光频率锁定系统的用于精密计量的激光频率稳定装 置；其中，稳频激光器出射的激光经法布里_珀罗腔锁定系统射入法布里_珀罗干涉仪，法 布里_珀罗腔锁定系统电连接法布里_珀罗干涉仪的腔长控制端；待稳定激光器出射的激 光经激光频率锁定系统射入法布里_珀罗干涉仪，激光频率锁定系统电连接待稳定激光器 的调节端；2)法布里-珀罗腔锁定系统采用电光晶体频率调制的方法，将法布里-珀罗干 涉仪的某一级共振峰稳定至稳频激光器的输出激光频率；3)激光频率锁定系统采用电光 晶体频率调制的方法，将待稳定激光器的输出激光频率稳定至步骤2)中法布里-珀罗干涉 仪的某一共振峰；4)选择不同的法布里-珀罗干涉仪的共振峰，重复步骤3)，将待稳定激光 器的输出频率稳定至法布里_珀罗干涉仪的其它共振峰，实现激光器频率的大范围调谐。所述稳频激光器采用偏频锁定碘稳频He-Ne激光器。所述步骤2)、3)和4)中，控制法布里_珀罗干涉仪的温度稳定，并防止外界的机 械振动产生干扰。一种用于精密计量的激光频率稳定装置，其特征在于，它包括一法布里-珀罗干 涉仪、一待稳定激光器、一稳频激光器、一激光频率锁定系统和一法布里-珀罗腔锁定系 统其中所述法布里-珀罗干涉仪包括一共焦法布里-珀罗腔和一粘接在所述共焦法布 里-珀罗腔的一个侧壁下部的压电陶瓷；所述激光频率锁定系统包括依次设置在所述待稳 定激光器出射光路上的第一光隔离器、分光棱镜、第一电光晶体、第一偏振分光棱镜和第一 1/4波片；所述第一偏振分光棱镜的两个出光方向上分别设置有所述第一 1/4波片和第一 光电探测器；所述第一电光晶体的输入端电连接第一驱动器的输出端，所述第一驱动器的 输出端还依次电连接第一相移器、第一混频器、第一伺服器和所述待稳定激光器的调节端；所述法布里_珀罗腔锁定系统包括依次设置在所述稳频激光器的出射光路上的第二光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于精密计量的激光频率稳定方法，其特征在于包括以下步骤：１）设置一包括法布里－珀罗干涉仪、待稳定激光器、稳频激光器、法布里－珀罗腔锁定系统和激光频率锁定系统的用于精密计量的激光频率稳定装置；其中，稳频激光器出射的激光经法布里－珀罗腔锁定系统射入法布里－珀罗干涉仪，法布里－珀罗腔锁定系统电连接法布里－珀罗干涉仪的腔长控制端；待稳定激光器出射的激光经激光频率锁定系统射入法布里－珀罗干涉仪，激光频率锁定系统电连接待稳定激光器的调节端；２）法布里－珀罗腔锁定系统采用电光晶体频率调制的方法，将法布里－珀罗干涉仪的某一级共振峰稳定至稳频激光器的输出激光频率；３）激光频率锁定系统采用电光晶体频率调制的方法，将待稳定激光器的输出激光频率稳定至步骤２）中法布里－珀罗干涉仪的某一共振峰；４）选择不同的法布里－珀罗干涉仪的共振峰，重复步骤３），将待稳定激光器的输出频率稳定至法布里－珀罗干涉仪的其它共振峰，以实现激光器频率的大范围调谐。

【技术特征摘要】
1.一种用于精密计量的激光频率稳定方法，其特征在于包括以下步骤1)设置一包括法布里_珀罗干涉仪、待稳定激光器、稳频激光器、法布里_珀罗腔锁定 系统和激光频率锁定系统的用于精密计量的激光频率稳定装置；其中，稳频激光器出射的 激光经法布里_珀罗腔锁定系统射入法布里_珀罗干涉仪，法布里_珀罗腔锁定系统电连 接法布里_珀罗干涉仪的腔长控制端；待稳定激光器出射的激光经激光频率锁定系统射入 法布里_珀罗干涉仪，激光频率锁定系统电连接待稳定激光器的调节端；2)法布里_珀罗腔锁定系统采用电光晶体频率调制的方法，将法布里_珀罗干涉仪的 某一级共振峰稳定至稳频激光器的输出激光频率；3)激光频率锁定系统采用电光晶体频率调制的方法，将待稳定激光器的输出激光频率 稳定至步骤2)中法布里-珀罗干涉仪的某一共振峰；4)选择不同的法布里_珀罗干涉仪的共振峰，重复步骤3)，将待稳定激光器的输出频 率稳定至法布里_珀罗干涉仪的其它共振峰，以实现激光器频率的大范围调谐。2.如权利要求1所述的用于精密计量的激光频率稳定方法，其特征在于所述稳频激 光器采用偏频锁定碘稳频He-Ne激光器。3.如权利要求1所述的用于精密计量的激光频率稳定方法，其特征在于所述步骤2)、 3)和4)中，控制法布里-珀罗干涉仪的温度稳定，并防止外界的机械振动产生干扰。4.实现如权利要求1或2或3所述方法的一种用于精密计量的激光频率稳定装置，其 特征在于，它包括一法布里-珀罗干涉仪、一待稳定激光器、一稳频激光器、一激光频率锁 定系统和一法布里_珀罗腔锁定系统其中所述法布里_珀罗干涉仪包括一共焦法布里_珀罗腔和一粘接在所述共焦法布里_珀 罗腔的一个侧壁下部的压电陶瓷；所述激光频率锁定系统包括依次设置在所述待稳定激光器出射光路上的第一光隔离 器、分光棱镜、第一电光晶体、第一偏振分光棱镜和第一 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴学健，李岩，张继涛，尉昊赟，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]