用于脉冲式激光系统中可调谐激光器的频率锁定方法

摘要

本发明公开了一种用于脉冲式激光系统中可调谐激光器的频率锁定方法，在脉冲式激光系统的脉冲间隔时间内，通过伺服控制系统对可调谐种子激光器输出激光的频率进行调制，激光通过频率参考器件后光强会随频率变化而变化；利用光电探测器和数字采集卡将光强信息反馈给伺服控制系统，根据这些反馈数据，伺服控制系统输出信号使得种子激光器保持在设定的锁定频率直到下个脉冲结束，然后重复以上扫描及锁定过程，这样可以保证种子激光器输出激光的频率在每个脉冲光到来前都保持在锁定点上。本发明简单易行，可以将可调谐种子激光器的频率锁定在频率参考器件参考范围内的任意频率点，在脉冲系统的腔模锁定阶段保持频率稳定且无调制。

说明书

技术领域

本发明涉及激光频率锁定技术领域，具体是一种用于脉冲式激光系统中可 调谐激光器的频率锁定方法。

背景技术

随着激光技术的发展，它的应用领域越来越广。在某些应用场合，例如脉 冲式差分吸收激光雷达和分子反应动力学研究，对脉冲激光频率的线宽和稳定 性要求很高，目前大多采用种子注入的钇铝石榴石晶体(Nd:YAG)脉冲激光 器结合种子注入的光学参量振荡器(Optical Parametric Oscillator)来实现。通 过腔模锁定技术，可以使输出的脉冲光频率与种子注入连续光保持一致，因此 脉冲光频率的稳定度直接由种子光频率的稳定度决定。

目前常用的可调谐激光器频率锁定方法有侧边缘锁定技术和PDH锁定技 术。前者的基本原理是检测激光透过频率参考器件(标准具、气体吸收池等) 后的光强，将锁定点设置在透射光谱一侧的半高宽度处，一旦信号光的频率发 射偏移，接收到的光强也会随之发生变化，通过闭环反馈系统调节激光的频率 使其重新返回锁定点。后者的基本原理是通过腔外或者腔内调频技术调制激光 的频率，激光通过F-P腔后被光电探测器接收，然后将探测到的信号与调制信 号混频以获得误差信号，从而将激光锁定到特定的频率上。

然而，这些方法都存在一定的缺点，前者易受外界环境的干扰且稳定精度 不高。后者若采用腔外调制，会使得装置复杂；若采用腔内调节，则使得输出 激光频率一直处于调制状态。而且，两者还存在一个共同的问题，如果激光器 受到某种干扰使得频率发生了大幅度变化以至于超出了频率参考器件的频率 参考范围(例如标准具的带宽和分子的吸收峰宽度)后，就会导致失锁现象。

这些方法适用于需要连续锁频的场合，并不适合脉冲式激光系统。目前尚 无一种能够避免上述缺点、简单易行并适用于脉冲式激光系统中种子激光器的 频率锁定方法。

发明内容

本发明为解决上述问题，提出了一种适用于脉冲式激光系统的可调谐激光 器的频率锁定方法，技术方案如下：

本方法可以用图1所示的装置实现，包括：可调谐种子激光器、频率参考 器件(标准具、气体吸收池等)、光电探测器、数字采集卡、伺服控制系统。 可调谐种子激光器输出的连续激光一部分注入到脉冲式激光系统中，另一部分 用于频率锁定。脉冲式激光系统通过腔模锁定技术，可以输出单纵模的脉冲激 光且激光频率与种子注入光的一致。可调谐种子激光器可以根据伺服控制系统 给出的信号改变输出激光的频率，频率参考器件对不同频率激光的透过率不 同，光电探测器将透过的光信号转换为电信号，数字采集卡将光电探测器输出 的电信号数字化后反馈给伺服控制系统，伺服控制系统根据该反馈信号控制可 调谐种子激光器使其频率稳定在锁定点上。

该方法的具体控制流程如下：

图2是该装置工作波形时序图。T₀时刻脉冲激光发射结束；T₁时刻伺服控 制系统开始输出扫描信号，此时可调谐激光器输出激光频率会随着扫描信号变 化而变化，为了方便起见，图中所示的激光频率呈线性趋势变化，事实上该方 法同样适用于非线性变化的场合。由于频率参考器件对不同频率激光的透过率 不同，因此光电探测器输出的信号也会发生变化，图中所示的是通过气体吸收 池后的情况；T₂时刻对应的激光频率ν₁是需要锁定的频率点，该频率处的透过 率和频率参考器件中心频率ν₀处的透过率的比例是一个常数C，记录T₃时刻中 心频率ν₀处光电探测器输出信号的幅度为V₀，该中心频率是一个绝对稳定的 值，而且在该频率处的透过率不是最大(标准具)就是最小(气体池)，所以 该点可以很容易的找到。然后找到信号幅度V₁＝C*V₀对应的伺服系统输出的 扫描信号值，显然可以找到两个值，但是两者在时间上有先后顺序，选择需要 的那个值记为D₁。T₄时刻正方向扫描结束，开始沿反方向扫描，在T₅时刻达 到锁定点对应的输出值D₁，此后一直保持在该值直到下次扫描开始。T₅到T₆这段时间较短，可以认为种子激光器输出激光的频率在该段时间内基本保持稳 定，脉冲式激光系统在这段时间内完成腔模锁定，使得输出的单纵模脉冲光频 率也为ν₁。在每个脉冲间隔期间重复进行扫描及锁定程序，可以保证脉冲激光 器的输出频率长期锁定在ν₁。

本发明通过脉冲间隔扫描锁频的方法，可以将可调谐种子激光器的频率锁 定在频率参考器件参考范围内的任意频率点；在腔模锁定阶段频率保持稳定且 无调制；即使种子激光器的频率受到某种因素的干扰在一定范围内发生跳变， 只要使扫描频率能够覆盖频率参考器件的参考范围，都不会发生失锁的现象； 整个锁频装置简单易行，可以得到很高的频率稳定度。

附图说明

图1：本发明所述装置结构示意图。

图2：本发明所述装置的工作波形时序图。

具体实施方式

如图1所示，其中脉冲式激光系统为种子注入的光学参量振荡器,可以将 532nm的脉冲光转换为935nm的脉冲光，利用干涉法完成腔模锁定，脉冲重 频是10Hz；可调谐种子激光器是半导体激光器，可以通过电流调制改变输出 激光的频率，其外部的控制电路可以将电压调制信号转化为电流调制信号，电 压与激光波长的对应关系大约是10pm/V，将输出波长调节到水汽的吸收峰 935.6849nm上，并通过95:5的光纤分束器将输出激光分成2束，95％的能量 注入到光学参量振荡器作为种子光，剩下5％的能量用于频率锁定；频率参考 器件是光纤低压水汽气体池，里面充满了纯水汽，气压为2500Pa，吸收长度为 1.6m；光电探测器采用的是光电二极管，并通过跨阻放大器将电流信号放大为 电压信号；数字采集卡的采样率和分辨率分别是100M和14bit，电压采集范围 是0～2.4V；伺服控制系统由现场可编程阵列(FPGA)和数模转换器(DAC) 组成，DAC的分辨率为12bit，输出电压范围是0～2.4V，输出电压直接用于调 制半导体激光器的频率。

如图2所示，T₀时刻脉冲发射结束，延迟2ms后在T₁时刻FPGA控制DAC 开始以0.01V的步进输出扫描电压，每次改变输出值，半导体激光器的频率也 会随之发生变化，此时通过气体池后的光强也会发生变化，数字采集卡记录下 光电探测器输出信号幅度并反馈给FPGA；整个扫描过程为15ms，在T₄时刻 结束，然后FPGA根据每个DAC输出值与采样值的对照表，找到V₁＝1.2V₀处 对应的DAC输出值为D₁；随后FPGA开始控制DAC输出值逐渐减小，在10ms 后的T₅时刻达到D₁；在T₅到T₆这73ms内，DAC输出保持为D₁,种子激光器 在此段时间内频率稳定在ν₁，光学参量振荡器在此期间完成腔模锁定，最终输 出频率为ν₁的脉冲光。在下个脉冲间隔内重复以上操作，这样保证种子激光器 的频率在腔模锁定阶段长期锁定在ν₁。

以上所述的具体实施例，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一 步详细说明，所应强调的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用 于限制本发明，凡是在本发明的精神和原则以内，所做的任何修改、等同替换、 改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。