一种激光器长期频率稳定性的测量装置和测量方法

摘要

本发明公开了一种激光器长期频率稳定性的测量装置，包括：外腔半导体激光器系统、原子蒸汽池、光电探测器、数据采集卡、电压放大器和LabVIEW程序处理系统；外腔半导体激光器系统输出的激光两次经过原子蒸汽池，原子蒸汽池输出端连接光电探测器的采样端，光电探测器和数据采集卡建立连接，数据采集卡通过其设有的PCI端口与LabVIEW程序处理系统连接。本发明还公开了一种激光器长期频率稳定性的测量方法。本发明把待测激光器的频率锁定在原子分子的超精细跃迁谱线上，不需要待测激光器与标准频率源激光器或另一台同类型激光器的拍频信号，就可以获得激光器的长期频率稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种基于数字稳频的激光器长期频率稳定性测量装置和测量方法。

背景技术

在精密光谱实验中，需要频率稳定的激光，而实验室温度的变化、气流和振动的影响使激光器自由运转时长期漂移很大，因此需要对激光进行稳频。稳频的过程中，首先需要选择一个绝对频率作为参考频率，由于原子分子的超精细能级跃迁频率绝对稳定，因此可以用来作为参考频率。基于原子分子的超精细能级跃迁频率的饱和吸收稳频方法已经广泛地应用于各种激光器，其中饱和吸收稳频方法使用吸收谱线的一阶微分信号作为误差信号。为了获得误差信号和反馈电压信号，通常使用基于硬件的相敏检波器和比例积分控制器。这种基于硬件的相敏检波器虽然具有很高的信噪比，但是电路易受电磁波的干扰。有时这些基于硬件的电子电路的参数调节不仅特别复杂而且具有一定的局限性，并且一套电路只能控制一台激光器。然而相比基于硬件的稳频系统，基于软件的稳频系统更加灵活和简便，由于这种稳频系统是数字的，所以避免了电磁波的干扰。而且数字稳频系统不仅开发周期短、成本低，并大大地简化了电路设计而且参数的调节更加灵活，扩展性也比较强，一个数字稳频系统有时可以控制多台激光器同时工作。

通常为了得到激光器的长期频率稳定度，需要获得待测激光器与标准频率源激光器或者两台同类型激光器的拍频信号，从而通过拍频信号推出待测激光器的的长期频率稳定度。然而使用拍频方法测量待测激光器的长期频率稳定度时，必须有一台标准频率源激光器或者另外一台同类型激光器，有时这个条件很难满足。

发明内容

本发明提出了一种激光器长期频率稳定性的测量装置，包括：外腔半导体激光器系统、原子蒸汽池、光电探测器、数据采集卡、电压放大器和LabVIEW程序处理系统；外腔半导体激光器系统输出的激光两次经过原子蒸汽池，原子蒸汽池输出端连接光电探测器的采样端，光电探测器和数据采集卡建立连接，数据采集卡通过其设有的PCI端口与LabVIEW程序处理系统连接，数据采集卡的输出端分别与电压放大器和外腔半导体激光器系统的调制端连接，电压放大器控制外腔 半导体激光器系统，LabVIEW程序处理系统产生的正弦波信号通过数据采集卡输入到外腔半导体激光器系统的调制端，实现对激光频率的正弦调制，LabVIEW程序处理系统产生的三角波信号通过数据采集卡输入到电压放大器，实现激光频率的连续扫描，数据采集卡采集光电探测器采集到的原子的饱和吸收信号，LabVIEW程序处理系统获取到原子的饱和吸收信号，将计算得到的反馈信号通过数据采集卡输入到电压放大器，电压放大器控制外腔半导体激光器系统实现激光频率的锁定。

所述外腔半导体激光器系统包括激光二极管、电流控制器、温度控制器、衍射光栅、反射镜和压电陶瓷；温度控制器和电流控制器分别控制激光二极管的工作温度和电流，激光二极管输出的激光入射到衍射光栅，衍射光栅对入射的激光进行处理产生一级衍射光，一级延射光正入射至反射镜，反射镜使一级衍射光沿原路返回到激光二极管形成光振荡，衍射光栅产生的零级衍射光作为输出光输入至原子蒸汽池，压电陶瓷控制反射镜的角度。

所述LabVIEW程序处理系统包括DAQ输入装置、三角波仿真信号处理器、正弦波仿真信号处理器、移相器、第一乘法器、第二乘法器、低通滤波器、补偿信号处理器比例积分控制器、第一加法器、第二加法器、DAQ输出装置；正弦波仿真信号处理器输出与移相器的输入连接，移相器和DAQ输出装置输出分别与第一乘法器的输入连接，第一乘法器输出与低通滤波器输入连接，低通滤波器输出和补偿信号处理器相加后分别与比例积分控制器的的输入连接，比例积分控制器的比例积分控制器的输出分别与第一加法器的输入连接，第一加法器的输出与第二乘法器的输入连接，第二乘法器与三角波仿真信号处理器的输出分别与第二加法器的输入连接，第二加法器和正弦波仿真信号处理器的输出捆绑后与DAQ输出装置的输入连接。

所述比例积分控制器包括并联设置的一比例运算器和积分运算器(69)。

一种激光器长期频率稳定性的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：关闭LabVIEW程序处理系统中的比例积分控制器，打开三角波仿真信号处理器，在外腔半导体激光器系统的压电陶瓷上施加三角波扫描电压，经扫描后的激光束经过原子蒸汽池后输入到光电探测器。

步骤二：利用数据采集卡采集光电探测器采集到的原子饱和吸收信号，所述 饱和吸收信号传输至LabVIEW程序处理系统，LabVIEW程序处理系统根据采集的饱和吸收信号，得到相应的误差信号；

步骤三：调节上述误差信号的补偿信号处理器，消除多普勒背景；

步骤四：减小三角波仿真信号处理器的扫描幅度同时调节直流偏置，使LabVIEW程序处理系统的前面板中只显示一个饱和吸收峰，直到三角波的扫描幅度接近零为止；

步骤五：使三角波仿真信号处理器的扫描幅度为零，保留直流偏置。打开LabVIEW程序处理系统中的比例积分控制器生成反馈电压信号；

步骤六：数据采集卡将反馈电压信号传输至电压放大器，使得外腔半导体激光器系统的频率被锁定。

获得误差信号的原理如下：

LabVIEW程序处理系统的正弦波仿真信号处理器产生一正弦波仿真信号：

u＝U_m sin(ω_nt)

其中ω_n和U_m分别为正弦波仿真信号的频率和幅值，u为正弦波仿真信号t时刻的值。将其输入到外腔半导体激光器系统的电流控制器的调制端口，实现对激光频率的线性调制，假设调制之前，所述的外腔半导体激光器系统输出的激光角频率为ω₀,所述的饱和吸收峰光谱线型函数G(ω₀)，则调制后激光瞬时角频率：

ω'＝ω₀+ksin(ω_nt)

其中k为调制度,ω'为调制后的激光瞬时角频率,则所述的饱和吸收峰光谱线型函数为G(ω'),由于调制幅度很小，可以在ω₀处对光谱线型函数作泰勒展开：

$\left(\begin{array}{c}G\left({\omega }^{\prime }\right)=G\left({\omega }_0+{\mathrm{ksin\omega }}_{n}t\right)=G\left({\omega }_0\right)+{\mathrm{ksin\omega }}_{n}t\frac{dG\left(\omega \right)}{d\omega }\\ +\frac{k^2{\sin }^2{\omega }_{n}t}{2!}\frac{d^{2}G\left(\omega \right)}{{\mathrm{d\omega }}^2}+\frac{k^3{\sin }^3{\omega }_{n}t}{3!}\frac{d^{3}G\left(\omega \right)}{{\mathrm{d\omega }}^3}+...\end{array}\right)$

其中(n＝1,2,3…)为饱和吸收峰光谱线型函数G(ω)对ω的n阶导数。

由于调制度k很小,所以可以不考虑上式中二阶及其以上的项，即：

$G\left({\omega }^{\prime }\right)=G\left({\omega }_0\right)+{\mathrm{ksin\omega }}_{n}t\frac{dG\left(\omega \right)}{d\omega }$

为了获得所述的饱和吸收峰光谱线型函数的一阶微分信号，将G(ω')与LabVIEW程序处理系统的正弦波仿真信号处理器产生的一正弦波仿真信号混频可以得到：

$\left(\begin{array}{c}G\left({\omega }^{\prime }\right)\times {\mathrm{sin\omega }}_{n}t={\mathrm{sin\omega }}_{n}tG\left({\omega }_0\right)+{\mathrm{ksin}}^2{\omega }_{n}t\frac{dG\left(\omega \right)}{d\omega }\\ ={\mathrm{sin\omega }}_{n}tG\left({\omega }_0\right)+\frac{1}{2}k\frac{dG\left(\omega \right)}{d\omega }-\frac{1}{2}k\cos 2{\omega }_{n}t\frac{dG\left(\omega \right)}{d\omega }\end{array}\right)$

上式中左式sinω_nt为参与混频的正弦波仿真信号，其中频率为ω_n且计算中默认幅值为1。右式第二项为直流信号，且正比于一阶微分信号，其余两项是频率为ω_n,2ω_n的交流信号，通过低通滤波器，就可以滤掉交流信号，获得只含有一阶微分信号的直流成分，即误差信号。

所述比例积分控制器(68和69)获得的反馈电压以如下公式表示:

V＝Pe_(t)+IΣe_(t)

其中P为比例参数，I为积分参数，e_(t)为误差信号，V为负反馈电压值。

外腔半导体激光器系统的频率被锁定时，LabVIEW程序处理系统可以将所述的误差信号和所述的反馈电压信号以及相应的时间输入到文档中，根据PZT扫描电压与激光频率以及误差信号的关系，可以推导出误差信号与激光频率偏差的转化关系。这样就可以获得外腔半导体激光器系统的长期频率稳定性以及短期的频率稳定度。

步骤一中，在外腔半导体激光器系统的压电陶瓷上施加三角波扫描电压扫描之前，先测量压电陶瓷的直流偏压与激光频率的关系。

步骤三还包括：从LabVIEW程序处理系统中导出一个扫描周期内的三角波扫描信号和误差信号。

所述的外腔半导体激光器系统的频率被锁定时，所述的LabVIEW程序处理系统可以将所述的误差信号和所述的反馈电压信号以及相应的时间输入到文档中，根据PZT扫描电压与激光频率以及误差信号的关系，可以推导出误差信号与激光频率偏差的转化关系。这样就可以获得外腔半导体激光器系统的长期频率的漂移以及短期的频率稳定度。

本发明的有益效果在于：把待测激光器的频率锁定在原子分子的超精细跃迁 谱线上，不需要待测激光器与标准频率源激光器或另一台同类型激光器的拍频信号，就可以获得激光器的长期频率稳定性。本发明利用LabVIEW程序处理系统实现了外腔半导体激光器系统的稳频，LabVIEW程序处理系统功能强大、程序编写简单以及操作方便，不仅简化了电路设计，而且参数调节特别方便，使用时特别灵活。通过获得的反馈信号和误差信号可以很容易的得到激光器自由运转和锁定时的长期频率漂移以及短期的频率稳定度，自由运转10个小时，激光的频率漂移了1500MHZ，锁定以后激光的频率长时漂移小于±1.75MHz，而且锁定以后激光的频率稳定度在积分时间为7s时达到最小值2.2×10^-11。本发明的扩展性也比较强，根据需要一个LabVIEW程序处理系统可以实现同时对两台外腔半导体激光器系统进行稳频。

附图说明

图1是本发明一种激光器长期频率稳定性的测量装置的结构示意图。

图2是自制的Littman外腔型半导体激光器的结构图。

图3是激光器锁定10个小时内采集的误差信号数据图。

图4是对误差信号统计数据的高斯拟合曲线。

图5是激光器锁定10个小时内采集的反馈电压信号数据图。

图6是激光器锁定后，激光频率稳定度与积分时间的关系图。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种激光器长期频率稳定性的测量装置，其包括：外腔半导体激光器系统1、原子蒸汽池2、光电探测器3、数据采集卡4、电压放大器5、LabVIEW程序处理系统6，其中包含一些光学器件，这里不加以赘述。

外腔半导体激光器系统1输出的激光两次经过原子蒸汽池2，原子蒸汽池2输出端连接光电探测器3的采样端，光电探测器3和数据采集卡4建立连接，数据采集卡4通过其设有的PCI端口与LabVIEW程序处理系统6连接，数据采集卡4的输出端分别与电压放大器5和外腔半导体激光器系统的电流控制器12的调制端连接，电压放大器5控制外腔半导体激光器系统的压电陶瓷16，LabVIEW程序处理系统6产生的正弦波信号通过数据采集卡4输入到外腔半导体激光器系 统的电流控制器12的调制端，实现对激光频率的正弦调制，LabVIEW程序处理系统6产生的三角波信号通过数据采集卡4输入到电压放大器5，实现激光频率的连续扫描，数据采集卡4采集光电探测器3采集到的原子的饱和吸收信号，LabVIEW程序处理系统6获取到原子的饱和吸收信号，将计算得到的反馈信号通过数据采集卡4输入到电压放大器5，电压放大器5控制外腔半导体激光器系统实现激光频率的锁定。

外腔半导体激光器系统1包括激光二极管11、电流控制器12、温度控制器13、衍射光栅14、反射镜15和压电陶瓷16；温度控制器13和电流控制器12分别控制激光二极管11的工作温度和电流，激光二极管11输出的激光入射到衍射光栅14，衍射光栅14对入射的激光进行处理产生一级衍射光，一级延射光正入射至反射镜15，反射镜15使一级衍射光沿原路返回到激光二极管11形成光振荡，衍射光栅14产生的零级衍射光作为输出光输入至原子蒸汽池2，压电陶瓷16控制反射镜15的角度。

LabVIEW程序处理系统6包括DAQ输入装置61、三角波仿真信号处理器63、正弦波仿真信号处理器62、移相器64、第一乘法器65、第二乘法器611、低通滤波器66、补偿信号处理器67、比例积分控制器、第一加法器610、第二加法器612、DAQ输出装置613；正弦波仿真信号处理器62输出与移相器64的输入连接，移相器64和DAQ输入装置65输出分别与第一乘法器65的输入连接，第一乘法器65输出与低通滤波器66输入连接，低通滤波器66输出和补偿信号处理器67相加后分别与比例积分控制器的比例积分控制器的输入连接，比例积分控制器的比例积分控制器的输出分别与第一加法器610的输入连接，第一加法器610的输出与第二乘法器611的输入连接，第二乘法器611的另一个输入端接常数1或-1，第二乘法器611与三角波仿真信号处理器63的输出分别与第二加法器612的输入连接，第二加法器612和正弦波仿真信号处理器62的输出捆绑后与DAQ输出装置613的输入连接。

数据采集卡4将正弦波仿真信号处理器62传输至外腔半导体激光器系统的电流控制器12的调制端，实现激光频率的正弦调制，数据采集卡4将三角波仿真信号处理器63输出至电压放大器5，电压放大器5将放大后的三角波扫描电压传输至外腔半导体激光器系统PZT16上，外腔半导体激光器系统输出的激光两 次经过原子蒸汽池2，原子蒸汽池2的输出正对于光电探测器3的采样端，光电探测器3与数据采集卡4建立连接，数据采集卡4的PCI端口与LabVIEW程序处理系统6连接，DAQ输入装置61获取数据采集卡4从光电探测器3采集到的原子饱和吸收信号，LabVIEW程序处理系统6根据采集到的饱和吸收信号，计算得到消除多普勒背景的误差信号。锁频过程中，数据采集卡4将输出反馈信号至电压放大器5，电压放大器5将放大后的反馈电压信号传输至外腔半导体激光器系统PZT16上，实现激光频率的锁定。

所述的外腔半导体激光器系统的频率被锁定时，所述的LabVIEW程序处理系统可以将所述的误差信号和所述的反馈电压信号以及相应的时间输入到文档中，根据PZT扫描电压与激光频率以及误差信号的关系，可以推导出误差信号与激光频率偏差的转化关系。这样就可以获得外腔半导体激光器系统的长期频率的漂移以及短期的频率稳定度。

本具体实施例中，外腔半导体激光器系统是我们自制的Littman外腔型半导体激光器，其中包括一个激光二极管(A)，一个衍射光栅(B)，一个全反镜(C)，原子蒸汽池2是铷原子蒸汽池，数据采集卡4为NI公司的PCI-6259多功能数据采集卡，电压放大器5为放大倍数为20的反相放大器。由于这里使用的是反相放大器，为了保持反馈给外腔半导体激光器系统的电压与误差信号同相形成负反馈控制回路，因此这里要将LabVIEW程序处理系统6得到的反馈信号610乘以-1。

本发明还公开了一种激光器长期频率稳定性的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：关闭LabVIEW程序处理系统6中的比例运算68和积分运算69，打开三角波仿真信号处理器63，在外腔半导体激光器系统PZT16上施加三角波扫描电压，经扫描后的激光束经过原子蒸汽池2后输入到光电探测器3；扫描之前，首先测量PZT直流偏压与激光频率的关系；

步骤二：数据采集卡4采集光电探测器3的原子饱和吸收信号，所述的饱和吸收信号传输至LabVIEW程序处理系统6中DAQ输入装置61，LabVIEW程序处理系统6根据采集的饱和吸收信号，得到相应的误差信号；其中，调节移相器使误差信号最大；

步骤三：调节LabVIEW程序处理系统6中误差信号的补偿信号处理器大小，消除多普勒背景；其中，只扫描一个多普勒展宽吸收峰；从LabVIEW程序处理系 统6中导出一个扫描周期内的三角波扫描信号和误差信号；

步骤四：减小LabVIEW程序处理系统6中三角波仿真信号处理器63的扫描幅度同时调节直流偏置，使LabVIEW程序处理系统6的前面板中只显示一个饱和吸收峰，直到三角波的扫描幅度接近零为止；

步骤五：使三角波仿真信号处理器63的扫描幅度为零，保留直流偏置。打开LabVIEW程序处理系统6中的比例积分控制器68和69生成反馈电压信号；

步骤六：数据采集卡4将反馈电压信号610传输至电压放大器5，使得外腔半导体激光器系统的频率被锁定。

在误差信号的零点附近，误差信号和PZT扫描电压具有线性的关系，其中线性拟合曲线的斜率为3.57×10^-4/V。在锁定频率的附近，激光频率和PZT扫描电压也具有线性的关系，其中线性拟合曲线的斜率为25MHz/V。这样我们就可以得到误差信号和激光频率偏差的关系。

参阅图3，图3显示的是激光频率锁定后长时间内采样的误差信号。在这10小时内半导体激光器的误差信号在±2.5×10^-5范围内，可以估计这10小时内激光频率偏移范围为：

$\frac{25MHz/V}{3.57\times {10}^{-4}error/V}\times \pm 2.5\times {10}^{-5}=\pm 1.75MHz$

因此10小时内激光的频率稳定在±1.75MHz范围内。

参阅图4，图4中黑色竖直条是对上述10小时内误差信号的统计值，红色曲线是对统计数据的高斯拟合，拟合曲线的线宽为2.2×10^-5，且75％的数据在线宽内，表明误差信号75％的可能在±1.1×10^-5范围内，激光频率偏移75％的概率在±0.77MHz范围内。

参阅图5，图5显示的是激光频率锁定后长时间内采样的反馈电压信号(已考虑反相放大器的作用)。反馈电压信号是为了补偿激光频率的漂移，在这10小时内，反馈电压的最大值为60V，根据激光频率和PZT扫描电压的关系25MHz/V，可知这10小时内激光器自由运转时激光频率漂移了1500MHz。

图3和图5相比可知，本发明利用LabVIEW程序处理系统实现了激光频率的 锁定。

参阅图6，图6显示的是频率的稳定度(Allan标准方差)与积分时间的关系，在积分时间为7s时，频率的稳定度最好为2.2×10^-11。

本发明提出的一种基于数字稳频的激光器长期频率稳定性的直接测量方法克服了现有技术存在的问题这个问题，而且这种方法更加灵活和简便。由于原子分子的超精细能级跃迁频率是绝对稳定的，因此以它作为参考频率的稳频系统，可以利用误差信号和激光频率的关系，从获得的误差信号推导出激光频率的长期稳频度。对于数字稳频，可以直接将实验过程中得到的误差信号导出，从而得到待测激光器的长期频率稳定度。因此不需要两台激光的拍频信号，就可以直接获得激光器的长期频率稳定度。LabVIEW程序处理系统是一种图形化编程语言，功能强大且使用方便。LabVIEW函数模块可以产生正弦波和三角波信号，而且滤波器功能很强大，可以很方便的设置滤波器的类型和参数，并且可以实现移相和混频，比例积分控制器的实现也很容易。因此本发明的数字稳频系统是基于LabVIEW程序处理系统的，不仅开发周期短、成本低，而且可以节省大量的工作时间。

本发明的有益效果在于：把待测激光器的频率锁定在原子分子的超精细跃迁谱线上，不需要待测激光器与标准频率源激光器或另一台同类型激光器的拍频信号，就可以获得激光器的长期频率稳定性。本发明利用LabVIEW程序处理系统实现了外腔半导体激光器系统的稳频，LabVIEW程序处理系统功能强大、程序编写简单以及操作方便，不仅简化了电路设计，而且参数调节特别方便，使用时特别灵活。通过获得的反馈信号和误差信号可以很容易的得到激光器自由运转和锁定时的长期频率漂移以及短期的频率稳定度，自由运转10个小时，激光的频率漂移了1500MHZ，锁定以后激光的频率长时漂移小于±1.75MHz，而且锁定以后激光的频率稳定度在积分时间为7s时达到最小值2.2×10^-11。本发明的扩展性也比较强，根据需要一个LabVIEW程序处理系统可以实现同时对两台外腔半导体激光器系统进行稳频。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。