双腔双频固体激光器Pound-Drever-Hall稳频系统

摘要

一种双腔双频固体激光器Pound-Drever-Hall稳频系统，包括双腔双频固体激光器、两套独立的外差干涉系统、两个频率调节器及一个F-P光学谐振腔；所述光学谐振腔作为稳频基准，两套独立的外差干涉系统进行探测获得两路误差信号，驱动两个频率调节器，将双腔双频固体激光器的两个工作频率同时锁定到F-P光学谐振腔两个谐振频率处。本发明采用一个F-P腔稳频基准同时稳定双腔双频固体激光器的两个工作频率，激光频率稳定性优于10-10，可以广泛应用于合成波绝对距离干涉测量、THz波产生等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双腔双频固体激光器Pound-Drever-Hall稳频系统。

背景技术

激光主动稳频技术主要分为两种：其一是以原子或分子的跃迁谱线中心 频率作为参考标准，常用的方法有兰姆凹陷稳频、原子光谱Zeeman效应稳 频、原子或分子饱和吸收稳频；其二是以谐振腔共振频率作为参考标准，常 用的方法有相位偏频锁定技术、导数谱稳频技术和边频锁定稳频技术。

兰姆凹陷稳频法的稳频装置比较简单，但其增益曲线中心频率容易受放 电条件的影响，而且该中心频率作为参考频率有一定的范围，不能稳定在一 个频率点上，虽然频率稳定度可达10^-9～10^-10，但是频率复现性较差。原子 光谱Zeeman效应吸收法的优势明显，输出功率和频率不需要低频调制，并 且具有较强的抗干扰能力，可用于工业中的精密计量，但其体积大，价格高， 适用激光系统种类较少，系统输出功率相对较低，稳定度一般在10^-10～10^-11。 饱和吸收法的优点是频率稳定度和复现性高，这种方法频率稳定度不仅取决 于吸收谱线的频率稳定性，也和谱线的宽度和信噪比有关，频率稳定度可以 达到10^-12～10^-13。输出波长受制于吸收介质，谱线频率覆盖范围有限，系统 输出功率低。偏频锁定技术最大的缺点就是频率的跳变无法抑止,当激光频率 跳变量是自由光谱范围的整数倍时鉴频系统无法识别，导致失锁。其控制范 围受限于F-P腔的参数，系统抗干扰能力差，频率稳定度在10^-8量级，且关 于此种方法的相关研究才刚刚开始。而导数谱稳频法虽然控制范围比较宽， 但是信号比较弱需通过放大电路来放大鉴频信号，但同时也会放大噪音，影 响频率的稳定性。

Pound-Drever-Hall边频锁定稳频技术也叫相位调制光外差稳频技术，它是 以光学谐振腔（F-P腔）的共振频率作为参考频率标准的一种主动稳频技术。 该技术的关键是采用电光相位调制器对激光进行射频调制，利用F-P腔的共 振特性和光外差光谱检测技术，得到激光频率与F-P腔共振频率的误差信号， 通过伺服反馈系统控制激光器的腔长，进而将激光频率锁定在F-P腔的共振 频率上。该系统抗干扰能力强，不易失锁，稳定度高（可达10^-12～10^-16）， 因此，采用Pound-Drever-Hall技术将激光频率锁定在光学谐振腔上具有其 他技术无法相比的优势，可以得到具有极高频率稳定性和超窄线宽的激光谱 线，Pound-Drever-Hall稳频技术逐渐成为主动稳频技术中的前沿技术。

几十年来，特别是近十年来，国内外研究人员在Pound-Drever-Hall稳频 技术领域开展了卓有成效的研究工作，并取得了一系列重要研究成果。但是， Pound-Drever-Hall稳频技术的研究工作主要集中在单频激光器领域。另外， 现有的Pound-Drever-Hall稳频系统都是采用模拟的电子器件来实现，在误差 信号的解调和鉴频曲线产生的过程中需要用到模拟的混频器、滤波器和放大 器等，会引入电子噪声和闪烁效应噪声。当误差信号解调为直流信号时，这 些噪声都会对其产生影响并最终通过反馈系统影响激光输出频率稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种双腔双频固体激光器Pound-Drever-Hall稳频系 统，该系统可以将双频激光器的两个工作频率稳定在同一个光学谐振腔上。

本发明是这样实现的，一种双腔双频固体激光器Pound-Drever-Hall稳频 系统，包括双腔双频固体激光器、两套独立的外差干涉系统、两个频率调节 器及一个光学谐振腔；所述F-P光学谐振腔作为稳频基准，两套独立的外差 干涉系统进行探测获得两路误差信号，驱动两个频率调节器，将激光器的两 个工作频率同时锁定到光学谐振腔两个谐振频率处。

所述外差干涉系统包括光隔离器、电光调制器、偏振分光棱镜、四分之 一波片、光电探测器、数模转换器、现场可编程门阵列、模数转换器、射频 信号源、伺服放大器；激光器射出的偏振光经光隔离器后，入射到电光调制 器，电光调制器由现场可编程门阵列产生正弦信号经功率放大后驱动，经电 光调制器调制后输出的光经偏振分光棱镜后通过四分之一波片，使激光由p 线偏振光变为圆偏振光，之后依次透过分光棱镜及耦合透镜入射至光学谐振 腔；从光学谐振腔入射镜反射的两调制边带和逸出光学谐振腔外的激光载波 经分光棱镜后通过四分之一波片，由圆偏振光变为s线偏振光，经偏振分光 棱镜反射后在光电探测器处进行光外差干涉，通过数模转换器将光电探测器 获得的测量信号采集到现场可编程门阵列中进行解调，获得误差信号的输出， 模数转换器将解调获得的误差信号转换为模拟量，经伺服放大器后加载在频 率调节器即压电陶瓷管上以调节激光器腔长，将激光频率锁定在光学谐振腔 谐振频率处。

所述双腔双频固体激光器包括半导体激光器、光纤、激光晶体、偏振分 光棱镜、双折射输出耦合镜、压电陶瓷管；从半导体激光器尾纤出射的光波 经自聚焦透镜汇聚到激光晶体的左端面，该面是球面，且镀有对振荡激光高 反、同时对泵浦光增透的双色介质膜作为激光谐振腔的后反射镜，激光晶体 的右端面不镀膜；沿自聚焦透镜的光轴并在激光晶体右侧依次设置偏振分光 棱镜和方解石晶片制作的双折射输出耦合镜，在垂直于直线腔轴线方向并与 偏振分光棱镜相对应的位置设置方解石晶片制作的另一双折射输出耦合镜； 两个双折射输出耦合镜在激光腔内的端面均镀有增透介质膜，另一端面镀有 反射介质膜；激光晶体左端面介质膜与双折射输出耦合镜构成直线型驻波谐 振腔，简称直线腔，激光晶体左端面介质膜与另一个双折射输出耦合镜构成 直角型驻波谐振腔，简称直角腔；激光p分量和s分量分别在直线腔和直角 腔内同时以单纵模振荡输出，实现正交线偏振双频激光输出。

两个双折射输出耦合镜分别与两个压电陶瓷管粘结在一起，改变压电陶 瓷管内外壁电极间的电压可以微调直线腔和直角腔的长度，从而实现双频激 光频率和频差的调谐。

本发明有如下有益效果，本发明采用一个F-P腔稳频基准同时稳定双腔双 频固体激光器的两个工作频率，激光频率稳定性优于10^-10，可以广泛应用于 合成波绝对距离干涉测量、THz波产生等领域。

附图说明

图1为本发明双腔双频固体激光器Pound-Drever-Hall稳频系统框图。

图中，LD.半导体激光器；OF.光纤；SML.自聚焦透镜；Nd:YAG.激光 晶体；PBS1.偏振分光棱镜Ⅰ；PBS2.偏振分光棱镜Ⅱ；PBS3.偏振分光棱镜 Ⅲ；BOC1.双折射输出耦合镜Ⅰ；BOC2.双折射输出耦合镜Ⅱ；PZT1.压电 陶瓷管Ⅰ；PZT2.压电陶瓷管Ⅱ；ISO1.光隔离器Ⅰ；ISO2.光隔离器Ⅱ；EOM1. 电光调制器Ⅰ；EOM2.电光调制器Ⅱ；QWP1.四分之一波片Ⅰ；QWP2.四分 之一波片Ⅱ；BS.分光棱镜；CL.耦合透镜；F-P.光学谐振腔；RF1.射频信号 源Ⅰ；RF2.射频信号源Ⅱ；PD1.光电探测器Ⅰ；PD2.光电探测器Ⅱ；ADC1. 模数转换器Ⅰ；ADC2.模数转换器Ⅱ；DAC1.数模转换器Ⅰ；DAC2.数模转 换器Ⅱ；DAC3.数模转换器Ⅲ；DAC4.数模转换器Ⅳ；FPGA1.现场可编程 门阵列Ⅰ；FPGA2.现场可编程门阵列Ⅱ；SA1.伺服放大器Ⅰ；SA2.伺服放大 器Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种双腔双频固体激光器Pound-Drever-Hall稳频系统，包括双腔双频固 体激光器、两套独立的外差干涉系统、两个频率调节器及一个光学谐振腔腔； 光学谐振腔腔作为稳频基准，两套独立的外差干涉系统进行探测获得两路误 差信号，驱动两个频率调节器，将双腔双频固体激光器的两个工作频率同时 锁定到光学谐振腔腔两个谐振频率处。

实施例，参见图1，一种双腔双频固体激光器Pound-Drever-Hall稳频系 统，采用大功率光纤耦合半导体激光器LD作为泵浦源，从LD尾纤出射的 808nm光波经自聚焦透镜SML汇聚到Nd:YAG激光晶体的左端面，该面是 曲率半径为180mm的球面，且镀有对1064nm振荡激光高反、同时对808nm 泵浦光增透的双色介质膜作为激光谐振腔的后反射镜，Nd:YAG激光晶体的 右端面不镀膜；沿自聚焦透镜SML的光轴并在Nd:YAG激光晶体右侧依次 设置偏振分光棱镜ⅠPBS1和方解石晶片制作的双折射输出耦合镜ⅠBOC1， 在垂直于直线腔轴线方向并与偏振分光棱镜ⅠPBS1相对应的位置设置方解 石晶片制作的另一双折射输出耦合镜ⅡBOC2。双折射输出耦合镜ⅠBOC1和 双折射输出耦合镜ⅡBOC2在激光腔内的端面均镀有1064nm增透介质膜， 另一端面镀有1064nm反射介质膜，反射率均为97.76%。这样Nd:YAG激光 晶体左端面介质膜与双折射输出耦合镜ⅠBOC1构成直线型驻波谐振腔（简 称直线腔），Nd:YAG激光晶体左端面介质膜与双折射输出耦合镜ⅡBOC2构 成直角型驻波谐振腔（简称直角腔）。1064nm激光p分量和s分量分别在直 线腔和直角腔内同时以单纵模振荡输出，实现正交线偏振1064nm双频激光 输出。双折射输出耦合镜ⅠBOC1和双折射输出耦合镜ⅡBOC2分别与频率 调节器即压电陶瓷管ⅠPZT1、压电陶瓷管ⅡPZT2粘结在一起，改变压电陶 瓷管内外壁电极间的电压可以微调直线腔和直角腔的长度，从而实现双频激 光频率和频差的调谐。

直线腔出射角频率为ω₁的p偏振光，经光隔离器ⅠISO1后，入射到电光 调制器ⅠEOM1，电光调制器ⅠEOM1由现场可编程门阵列ⅠFPGA1产生 10MHz正弦信号经功率放大后驱动。经电光调制器ⅠEOM1调制后输出的光 由三种不同频率组成：载波和正负一阶两个边带，角频率分别为ω₁、ω₁±Ω。 该调制光束经偏振分光棱镜ⅡPBS2后通过四分之一波片ⅠQWP1，使激光由 p线偏振光变为圆偏振光，之后依次透过分光棱镜BS及耦合透镜CL后入射 至光学谐振腔F-P；因为10MHz的相位调制频率大于光学谐振腔F-P的带宽 （FWHM），两调制边带ω₁±Ω将不能进入光学谐振腔F-P，而直接由光学谐 振腔F-P的入射镜反射回来，只有激光载波ω₁可以进入光学谐振腔F-P并形 成驻波，并有部分载波从光学谐振腔F-P的入射镜逸出。从光学谐振腔F-P 入射镜反射的两调制边带和逸出光学谐振腔F-P外的激光载波经分光棱镜 BS后通过四分之一波片ⅠQWP1，激光的偏振状态均由圆偏振光变为s线偏 振光。s线偏振光经偏振分光棱镜ⅡPBS2反射后在光电探测器ⅠPD 1处进行 光外差干涉。通过数模转换器ADC1将光电探测器ⅠPD1获得的测量信号采 集到现场可编程门阵列ⅠFPGA1中进行解调，获得误差信号的输出。模数转 换器DAC1将解调获得的误差信号转换为模拟量，经伺服放大器ⅠSA1后加 载在压电陶瓷管ⅠPZT1上以调节激光器腔长，将激光频率ω₁锁定在光学谐 振腔F-P谐振频率处。

直角腔出射角频率为ω₂的s偏振光，经光隔离器ⅡISO2后，入射到电光 调制器ⅡEOM2，电光调制器ⅡEOM2由现场可编程门阵列ⅡFPGA2产生 10MHz正弦信号经功率放大后驱动。经电光调制器ⅡEOM2调制后输出的光 由三种不同频率组成：载波和正负一阶两个边带，角频率分别为ω₂、ω₂±Ω。 该调制光束经偏振分光棱镜ⅡPBS3后通过四分之一波片ⅡQWP2，使激光由 s线偏振光变为圆偏振光，之后依次透过分光棱镜BS及耦合透镜CL后入射 至光学谐振腔F-P；因为10MHz的相位调制频率大于光学谐振腔F-P的带宽 （FWHM），两调制边带ω₂±Ω将不能进入光学谐振腔F-P，而直接由光学谐 振腔F-P的入射镜反射回来，只有激光载波ω₂可以进入光学谐振腔F-P并形 成驻波，并有部分载波从光学谐振腔F-P的入射镜逸出光学谐振腔F-P。从 光学谐振腔F-P入射镜反射的两调制边带和逸出光学谐振腔F-P外的激光载 波经分光棱镜BS反射后通过四分之一波片ⅡQWP2，激光的偏振状态均由圆 偏振光变为p线偏振光。p线偏振光经偏振分光棱镜ⅢIPBS3反射后在光电探 测器ⅡPD2处进行光外差干涉。通过模数转换器ⅡADC2将光电探测器ⅡPD2 获得的测量信号采集到现场可编程门阵列ⅡFPGA2中进行解调，获得误差信 号的输出。数模转换器ⅡDAC1将解调获得的误差信号转换为模拟量，经伺 服放大器ⅡSA2后加载在压电陶瓷管ⅡPZT2上以调节激光器腔长，将激光 频率ω₂锁定在光学谐振腔F-P谐振频率处。

本发明采用同一个光学谐振腔F-P作为稳频基准，以两套独立的外差干 涉系统进行探测，获得两路误差信号驱动两频率调节器，将两个工作频率锁 定到F-P腔两个谐振频率处，简化了系统结构，可得到优于10-10的频率稳 定性，可以满足合成波绝对距离干涉测量的要求。