一种基于声光调制器的高稳定性激光频率扫描装置

摘要

本发明提供了一种基于声光调制器的高稳定性激光频率扫描装置，激光穿过同轴的两个光阑，由偏振分束棱镜一分为二，一路输出经过同轴的四分之一波片、三号光阑和一号透镜入射一号声光调制器，衍射级激光穿过同轴的四号光阑和二号透镜，再经零度高反射镜原路反射；另一路输出经过两个45°平面反射镜后，通过两端匹配光纤匹配头的光纤调节为平行光，依次经过一号玻璃平片、三号透镜进入二号声光调制器，衍射光通过五号光阑和四号透镜入射二号玻璃平片。本发明能同时保证激光的空间稳定和功率稳定。

说明书

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种激光频率扫描装置。

背景技术

在现代光谱技术中经常利用声光调制器来实现激光的高精度频移。也正因为此， 声光调制器已经广泛应用到涉及激光频率控制的领域，如激光光谱、量子光学、量子 频标等。

在高精度的光谱中，激光的频率一般是锁定在固定的频率参考上，因而不能对其 频率进行扫描。在这种情况下，通常是利用声光调制器来对激光频率进行扫描，其方 法是对输入到声光调制器的射频信号进行频率扫描，利用声子和光子相互作用来对激 光频率进行扫描。但是利用该方法时会伴随着激光的功率的波动和激光束传播方向的 变化，从而严重影响光谱的精度和稳定性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高稳定性激光频率扫描装置，能同时 保证激光的空间稳定和功率稳定。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：激光穿过同轴固连的两个光阑，由 偏振分束棱镜一分为二，其中的一路输出经过同轴的四分之一波片、三号光阑和一号 透镜入射一号声光调制器，所述的一号透镜与一号声光调制器的距离为一号透镜的焦 距，一号声光调制器与入射激光的角度使+1级衍射光或-1级衍射光的光衍射效率达到 最大；衍射级激光穿过同轴的四号光阑和二号透镜，再经零度高反射镜原路反射，所 述的二号透镜与一号声光调制器的距离为二号透镜的焦距，一号透镜与二号透镜焦距 相等，一号透镜与二号透镜共焦点且一号声光调制器的晶体中心位于该焦点上；所述 一号声光调制器的晶体由一号射频信号源产生的微波信号经过一号压控衰减器和一号 功率放大器后作用，使通过一号声光调制器的激光发生与微波频率相同频率的频移；

偏振分束棱镜的另一路输出经过两个45°平面反射镜精确调节激光的空间位置 后，通过两端匹配光纤匹配头的1m光纤将光束调节为平行光，以四十五度角入射一号 玻璃平片，将反射光馈入一号光电探测器，将激光的功率转化为电压信号，驱动一号 伺服控制器控制一号压控衰减器；透射出玻璃平片的激光穿过同轴的三号透镜进入二 号声光调制器，在二号声光调制器中再次发生衍射，选择零级和正负一级的任意一级 的衍射光通过五号光阑和四号透镜，以四十五度角入射二号玻璃平片，所述的三号透 镜与四号透镜等焦距，二号声光调制器与三号透镜、四号透镜的距离都为所述焦距； 二号玻璃平片的反射光馈入到二号光电探测器，将功率信号转化为电压信号，驱动二 号伺服控制器控制二号压控衰减器；所述二号声光调制器的晶体由二号射频信号源产 生的微波信号经过二号压控衰减器和二号功率放大器后作用，使通过二号声光调制器 的激光发生与微波频率相同频率的频移。

本发明的有益效果是：同时保证了声光调制在进行频率扫描时激光高的空间稳定 性和功率稳定性，并具有实用、灵活和稳定性高的优点，可在高精度激光光谱、原子 物理、量子频标等领域中推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例1的整体装置示意图。

图2是本发明实施例1的伺服控制器原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明包括以下内容：

激光双次穿过声光调制器

激光首先穿过用以固定光路的两个光阑，即光阑1和光阑2。接下来，激光再顺次 同轴地穿过偏振分束棱镜1、四分之一波片1、光阑3、透镜L1、声光调制器1，其中透 镜L1与声光调制器1的距离为L1的焦距。激光穿过声光调制器后，会发生衍射，这时 可根据实验的需要选择+1级衍射光或-1级衍射光，选择后调节声光调制器与入射激光 的角度使所选择的衍射级光衍射效率达到最大。所选择的衍射级激光再顺次同轴地穿 过光阑4、透镜L2，再经0°高反射镜1将激光按原路反射回去，其中透镜L2与声光调 制器1的距离为L2的焦距，透镜L1与透镜L2焦距相等。所以，透镜1与透镜2共焦点且 声光调制器1的晶体中心位于该焦点上。原路返回的激光经过声光调制器1后再次发生 衍射，这时只有与之前所选择的衍射级相同的衍射级能按原路返回，同时其他的衍射 级也会被光阑3档住。原路返回的激光再次穿过四分之一波片1，这样激光经过两次四 分之一波片作用后，激光由水平偏振变成竖直偏振，反射回的激光再次经过偏振分束 棱1后便会按与原光路垂直的方向出射。

上述的声光调制器还需要一个驱动电路，其包括射频信号源1、压控衰减器1、功 率放大器1。由射频信号源1产生的一定频率的微波信号经过压控衰减器1和功率放大器 1后，作用于声光调制器1的晶体，使通过声光调制器1的激光发生与微波频率相同频率 的频移，若使微波的频率扫描，便可使激光的频率进行相应的扫描。输入到声光调制 器1的微波功率与衍射效率相关，其中的压控衰减器1，可通过电压来控制输入到微波 的功率，进而调节衍射光的功率，这为后面的功率稳定提供了可能。

在上述的结构中激光双次通过声光调制器的作用有两个：一是使激光的频率发生 移动并实现激光的频率扫描；二是可以基本消除激光方向的变化。但在实际情况下， 透镜1与透镜2共焦点且声光调制器1的晶体中心位于该焦点上的条件难以满足，总会存 在一定的误差，这一误差会导致激光的方向也会发生微小的变化。另外，即使该条件 满足，激光束也会有微小的横向平移。所以，实际情况下，双次通过声光调制器的激 光在进行激光频率扫描时，激光会发生微小的方向变化和横向平移。

激光耦合入短光纤

在上一个步骤中，激光双次通过声光调制器虽然可大大减小衍射光方向的变化， 但是仍然还会有激光束传播方向的微小变化和微小的空间平移，这两个空间上的不稳 定因素在高精密光谱中会有显著的影响，而将双次通过声光调制器的激光耦合入光纤 便可以彻底消除其在空间上的不稳定性，而且可以改善光束的质量。为了很好地将激 光耦合入光纤，利用两个45°平面反射镜（45°平面反射镜1、45°平面反射镜2）进 行导光从而精确调节激光的空间位置。激光通过光纤匹配头1耦合入短光纤1，再经光 纤匹配头2耦合出来，并可通过光纤匹配头2，可将光束调节为平行光。

上述的光纤长度要求较短，这是因为长光纤会引入相位噪声和机械振动导致的偏 振变化，短光纤则能减小这些效应的影响，从而提高系统的稳定性，一般情况下，其 长度约为1m。

激光功率的一次稳定

激光在穿过声光调制器1，在扫描状态时会伴随有显著的功率的波动，并且耦合入 光纤1时，激光在空间上的不稳定性也会带来激光耦合效率的变化。为了稳定激光的功 率，使激光以约为四十五度角入射到玻璃平片1，将反射光馈入到光电探测器1。这时 光电探测器将激光的功率转化为电压信号。将光电探测器1的电压信号进一步发送到伺 服控制器1进行处理。伺服控制器1将处理的信号发送到压控衰减器1，对输入到声光调 制器1的微波功率进行控制，也即是控制了衍射光的衍射效率，从而形成负反馈回路。 由于玻璃平片1的反射光和透射光成比例，负反馈回路稳定了反射光功率的同时也稳定 了透射光。

上述过程中，采用玻璃平片分光而不用偏振分束棱镜分光，是为了避免光的偏振 方向变化对功率稳定的影响。

激光功率的二次稳定

由于当对激光频率进行较大范围的扫描时，激光功率的波动也一般会较大，又由 于压控衰减器的控制电压有一定的范围，过大的功率波动会使反馈到的压控衰减器的 电压超出承受范围，为此可对激光功率进行二次稳定。接下来，激光顺次穿过透镜L3、 声光调制器2、光阑5、透镜L4、玻璃平片2，透镜L3与透镜L4等焦距，声光调制器2 与透镜L3和透镜L4的距离都为透镜的焦距。同时，射频信号源2、压控衰减器2、功率 放大器2、声光调制器2也顺次用射频传输线进行连接。激光在声光调制器2再次发生衍 射，可根据实验的需要选择零级和正负一级的任意一级，并只让所选择的衍射级通过 光阑5。激光仍然以约为四十五度角入射到玻璃平片2。取其反射光馈入到光电探测器2， 功率信号转化为电压信号，伺服控制器2将此电压信号进行处理并发送到压控衰减器2， 以控制输入到声光调制器2的微波信号功率和其衍射效率，进而形成负反馈回路，对激 光功率进行二次稳定。

以锶原子(5s2)1S0-(5s5p)3P1共振跃迁线对应的689nm激光为例，来说明本发明的 高稳定性激光频率扫描方法和装置。

实施例1

1.激光双次通过声光调制

参见图1，具有稳定频率且偏振方向与纸面平行（水平）的689nm平行激光束，顺 次通过光阑1和光阑2的中心，这时激光沿着系统所固定的光路进行传播。由于入射光 是水平偏振，所以激光会穿过偏振分束棱镜1。水平偏振光经过四分之一波晶片1后， 变成圆偏振光。平行光束穿过光阑3的孔径中心后经过透镜L1聚焦，透镜L1的焦点位 于声光调制器1内的晶体中心，并在声光调制器1中发生衍射。调整声光调制器1的角度， 使其负一级衍射光的衍射效率达到80%以上。调整光阑4的位置，并只让负一级衍射光 通过光阑4的中心，其他衍射级的激光被光阑4挡住。负一级衍射光垂直入射到透镜2， 透镜1与透镜2共焦点，这时，经过透镜L2的光束又变成了平行光束，垂直入射到零度 高反镜1后又会原路返回至声光调制器1。原路返回的激光又会再次在声光调制器1中发 生衍射，并只有负一级衍射光能再次通过光阑3的中心，并仍然能原路返回再次穿过四 分之一波片。此时，激光的偏振方向变成了与纸面垂直（竖直偏振）而只能被偏振分 束棱镜1反射，不能反穿回偏振分束棱镜1。

当扫描射频信号源1的射频频率后，衍射光的方向就会做相应的改变，但由于透镜 1与透镜2共焦点且声光调制器1的晶体中心位于该焦点上，所以两次发生的负一级衍射 光其方向不会改变，只是会发生微小的横向平移。但在实际情况下，透镜1与透镜2共 焦点且声光调制器1的晶体中心位于该焦点上的条件难以满足，总会存在一定的误差， 这一误差会导致激光的方向也会发生微小的变化。所以，实际情况下，双次通过声光 调制器的激光在进行激光频率扫描时，激光会发生微小的方向变化和横向平移。

2.激光耦合入短光纤

该步骤是为了消除激光在空间上的不稳定性。

参见图1，为了很好地将激光耦合入光纤，利用两个45°平面反射镜进行导光从而 精确调节激光的空间位置。调节45°平面反射镜1和45°平面反射镜2，以及光纤匹配 头1，使光纤耦合效率达到70%以上。调节光纤匹配头2，使出射光为平行光束。

上述的光纤为1m长的保偏光纤。

3.激光功率的一次稳定

参见图1，通过光纤后，激光在空间上便获得了高度的稳定性，然而其功率却还没 有稳定。功率的不稳定性来自两个因素：一个是不同的调制频率下声光调制器的衍射 效率不同，另一个是光束的空间不稳定性造成光纤耦合效率的变化。

本发明对激光功率进行两次稳定，下面首先说明功率的一次稳定。

参见图1，输入到声光调制器1的射频信号由射频信号源1发出，经过压控衰减器1 衰减，再经功率放大器1放大，最后输入到声光调制器1。其中，压控衰减器1会对其经 过的射频功率进行一定程度的衰减，其衰减度取决于其控制电压的大小。功率放大器1 则对射频功率进行固定倍数的放大，以提供足够的射频功率来驱动声光调制器1。

用玻璃平片1分出激光的一部分，并利用光电探测器1探测该部分激光。光电探测 器1输出的电压信号与激光的功率成正比。将光电探测器1输出的电压信号输入到伺服 控制器1，伺服控制器1则会输出一个负反馈信号到压控衰减器，进而控制输入到声光 调制器1的射频功率，声光调制器1的衍射效率则会做出相应的变化使激光的功率保持 稳定。

伺服控制器1的原理及其组成部分如图2，光电探测器1的电压信号输入到电压跟随 器1，以增大伺服控制器的输入阻抗，从而不会影响到光电探测器的信号。光电探测器 的电压信号与稳定的参考信号1在减法器1中作减法得到误差信号，比例积分放大器对 误差信号作线性放大和积分运算，经过正负相选择器1使输出信号为一个负反馈信号。 由于压控衰减器需要一个正的偏置电压，参考电压信号同时输出另一路电压，经过运 算放大器1和电位器1后，得到一个可调的偏置电压，在加法器1中与正负相选择器的输 出电压相加，加法器1则会输出一个负反馈信号到压控衰减器1。

4.激光功率的二次稳定

一般情况下，激光频率的扫描范围越大，功率的波动也会越大，而另一方面伺服 控制器的输出电压(一般为-15V到+15V)以及压控衰减器的控制电压(一般为0V到17V) 都有一定的范围，从而限制了功率稳定下的激光频率扫描范围。另外，大的频率扫描 范围也会影响激光功率的稳定度。所以，在大的频率扫描范围情况下以及需要更高功 率稳定度的情况下，单次的功率稳定难以满足要求，本发明采用二次功率的方法。

参见图1，与激光功率的一次稳定相似，射频信号源2、压控衰减器2、功率放大器 2、声光调制器2、玻璃平片2、光电探测器2以及伺服控制器2组成了另个一功率稳定的 闭合回路，其工作原理与激光功率的一次稳定相似。透镜3和透镜4为两个焦距相同的 透镜，且两个透镜共焦点，声光调制器2的中心位于该焦点上。不同的是，在激光功率 的二次稳定中，可以选择0级、+1级、-1级中的任何一个衍射级通过光阑5，且不再进 行激光频率的扫描，所以不再存在激光空间上不稳定的问题。这也给系统带来另外一 个优点，即可以利用功率的二次稳定来灵活改变激光频率扫描的中心频率，这使得系 统能适应更多的实验需求。本实施例选则0级衍射光通过光阑5，激光的频率不会发生 改变。

实施例2

本实施例采用声光调制器1的正一级衍射光。

参见图1，具有稳定频率且偏振方向与纸面平行（水平）的689nm平行激光束，顺 次通过光阑1和光阑2的中心，这时激光沿着系统所固定的光路进行传播。由于入射光 是水平偏振，所以激光会穿过偏振分束棱镜1。水平偏振光经过四分之一波晶片1后， 变成圆偏振光。平行光束穿过光阑3的孔径中心后经过透镜L1聚焦，透镜L1的焦点位 于声光调制器1内的晶体中心，并在声光调制器1中发生衍射。调整声光调制器1的角度， 使其正一级衍射光的衍射效率达到80%以上。调整光阑4的位置，并只让正一级衍射光 通过光阑4的中心，其他衍射级的激光被光阑4挡住。正一级衍射光垂直入射到透镜2， 透镜1与透镜2共焦点，这时，经过透镜L2的光束又变成了平行光束，垂直入射到零度 高反镜1后又会原路返回至声光调制器1。原路返回的激光又会再次在声光调制器1中发 生衍射，并只有正一级衍射光能再次通过光阑3的中心，且仍然能原路返回并再次穿过 四分之一波片。此时，激光的偏振方向变成了与纸面垂直（竖直偏振）而只能被偏振 分束棱镜1反射，不能穿过该偏振分束棱镜，且被垂直反射出偏振分束棱镜1。

其他步骤与实施例1相同。

实施例3

本实施例采用声光调制器2的正一级衍射光，步骤1、步骤2、步骤3与实施例1相同。

参见图1，与激光功率的一次稳定相似，射频信号源2、压控衰减器2、功率放大器 2、声光调制器2、玻璃平片2、光电探测器2以及伺服控制器2组成了另一个功率稳定的 闭合回路，其工作原理与激光功率的一次稳定相似。透镜3和透镜4为两个焦距相同的 透镜，且两个透镜共焦点，声光调制器2的中心位于该焦点上。只让正一级衍射级通过 光阑5，且不再进行激光频率的扫描，射频信号源2的频率值为一个定值，例如100MHz， 则激光频率会增大100MHz,同时可以对功率进行二次稳定。

实施例4

本实施例采用声光调制器2的负一级衍射光，步骤1、步骤2、步骤3与实施例1相同。

参见图1，与激光功率的一次稳定相似，射频信号源2、压控衰减器2、功率放大器 2、声光调制器2、玻璃平片2、光电探测器2以及伺服控制器2组成了另一个功率稳定的 闭合回路，其工作原理与激光功率的一次稳定相似。透镜3和透镜4为两个焦距相同的 透镜，且两个透镜共焦点，声光调制器2的中心位于该焦点上。只让负一级衍射级通过 光阑5，且不再进行激光频率的扫描，射频信号源2的频率值为一个定值，例如100MHz， 则激光频率会减小100MHz,同时可以对功率进行二次稳定。