超稳激光器及降低超稳激光器热噪声极限的方法

摘要

本公开涉及激光器领域，提供了一种超稳激光器，包括：多个子超稳激光器，用于输出多个激光信号；拍频器，用于根据多个所述激光信号以从所述拍频器的第一输出端输出一拍频电信号，第二输出端输出一光信号；频率综合器，用于将所述拍频电信号与一微波信号进行处理以产生一射频信号；声光调制器，用于使所述光信号和所述射频信号发生声光效应，以输出一超稳激光信号。本公开的超稳激光器能够减少制造成本、降低超稳激光的热噪声极限、提高超稳激光器的频率稳定度，实现超窄线宽激光的输出。

说明书

技术领域

本公开涉及激光器技术领域，特别涉及一种超稳激光器及降低超稳激光器热噪声极限的方法。

背景技术

超稳激光，又称超窄线宽激光，是指通过锁频方法(PDH激光稳频技术)将普通的单频激光器的中心频率锁定在一个超稳法布里-珀罗腔(简称超稳腔)的共振频率上，从而得到线宽小于1Hz甚至达到mHz量级的激光。

超稳激光的频率稳定度由超稳腔的光学长度的稳定度决定，通常将超稳腔置于超低真空、隔热、隔声、隔震等条件下隔离外界环境影响。但尽管如此，由于布朗运动(热运动)，超稳腔的长度仍然存在不稳定度。研发人员只能通过采用超低温、热力学性质优异的腔体、腔镜和腔镜镀膜材料，以及改变腔的几何结构等各种方法，来降低腔的热运动引起的腔长度的不稳定度，但上述方法都会提高成本和复杂度，且会遇到各种技术障碍。

鉴于此，本领域技术人员亟需开发一种超稳激光器及一种降低超稳激光器热噪声极限的方法以降低超稳激光器的热噪声极限，提高频率稳定度，实现更窄线宽激光的输出。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种超稳激光器及降低超稳激光器热噪声极限的方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开的第一方面，提供一种超稳激光器，其特征在于，包括：

多个子超稳激光器，用于输出多个激光信号；

拍频器，用于根据多个所述激光信号以从所述拍频器的第一输出端输出一拍频电信号，第二输出端输出一光信号；

频率综合器，用于将所述拍频电信号与一微波信号进行处理以产生一射频信号；

声光调制器，用于使所述光信号和所述射频信号发生声光效应，以输出一超稳激光信号。

在本公开一示例性实施例中，所述子超稳激光器的数量为N个，N为正整数且N≥2。

在本公开一示例性实施例中，所述拍频器包括第一输入端和第二输入端，部分从所述第二输入端输入的所述激光信号经光学元件反射后与从所述第一输入端输入的所述激光信号发生拍频生成所述拍频电信号，另一部分从所述第二输入端输入的所述激光信号透过光学元件从所述第二输出端输出。

在本公开一示例性实施例中，所述频率综合器包括：

除法器，用于处理所述拍频电信号以获得一电信号，所述电信号的频率为所述拍频电信号频率的1/N；

信号发生器，用于发出所述微波信号；

混频器，用于将所述电信号与所述微波信号进行混频形成一和频信号和一差频信号；

滤波器，用于过滤所述和频信号和差频信号，以输出匹配所述声光调制器所需频率的信号；

功率放大器，用于放大通过所述滤波器的信号。

在本公开一示例性实施例中，所述超稳激光器包括与所述子超稳激光器相同数量的单模光纤，用于将所述激光信号传输至所述拍频器。

在本公开一示例性实施例中，所述超稳激光器包括一挡光板，用于挡住未经声光效应衍射的光信号。

在本公开一示例性实施例中，所述声光调制器为光纤声光调制器。

在本公开一示例性实施例中，所述超稳激光器的热噪声极限为所述子超稳激光器的热噪声极限的1/N。

根据本公开的第二方面，提供一种降低超稳激光器热噪声极限的方法，其特征在于，包括：

多个子超稳激光器发出多个激光信号；

拍频器接收所述激光信号，根据所述激光信号以从所述拍频器的第一输出端输出一拍频电信号，第二输出端输出一光信号；

频率综合器接收所述拍频电信号，将所述拍频电信号与一微波信号进行处理，输出一射频信号；

声光调制器接收所述射频信号和所述光信号，使所述射频信号和所述光信号发生声光效应输出一超稳激光信号。

在本公开一示例性实施例中，所述子超稳激光器包括第一子超稳激光器和第二子超稳激光器，所述第一子超稳激光器发出第一激光信号，所述第二子超稳激光器发出第二激光信号。

在本公开一示例性实施例中，拍频器接收所述激光信号，根据所述激光信号以从所述拍频器的第一输出端输出一拍频电信号，第二输出端输出一光信号，包括：

所述第一激光信号依次经过第一光纤准直器、第一半波片和第一偏振分束棱镜形成具有第一频率的光信号；

所述第二激光信号依次经过第二光纤准直器、第二半波片和第二偏振分束棱镜，一部分透过所述第二偏振分束棱镜传输至所述第二输出端，另一部分被所述第二偏振分束棱镜反射至所述第一偏振分束棱镜，并被所述第一偏振分束棱镜反射形成具有第二频率的光信号；

所述第一频率的光信号和所述第二频率的光信号依次经过偏振片、凸透镜和一探测器，形成具有第三频率的电信号。

在本公开一示例性实施例中，所述第三频率为所述第一频率与所述第二频率之差。

在本公开一示例性实施例中，频率综合器接收所述拍频电信号，将所述拍频电信号与一微波信号进行处理，输出一射频信号，包括：

所述第三频率的电信号通过一除法器后与一微波信号同时进入混频器，形成一和频信号和一差电信号；

一滤波器对所述和频信号和所述差频信号进行过滤，输出匹配所述声光调制器所需频率的信号；

通过功率放大器放大通过所述滤波器的信号，形成一射频信号，并从所述频率综合器的输出端输出。

在本公开一示例性实施例中，声光调制器接收所述射频信号和所述光信号，使所述射频信号和所述光信号发生声光效应输出一超稳激光信号，包括：

所述射频信号通过一电信号输入端进入所述声光调制器；

所述光信号通过一光信号输入端进入所述声光调制器；

所述射频信号和所述光信号发生声光效应产生所述超稳激光信号。

在本公开一示例性实施例中，所述超稳激光器热噪声极限为所述子超稳激光器热噪声极限的一半。

由上述技术方案可知，本公开示例性实施例中的超稳激光器及降低超稳激光器热噪声极限的方法至少具备以下优点和积极效果：

本公开中的超稳激光器包含子超稳激光器、拍频器、频率综合器和声光调制器，子超稳激光器的数量N≥2，并且子超稳激光器输出的激光信号通过拍频器、频率综合器和声光调制器的处理获得一超稳激光信号，该超稳激光信号的热噪声极限是子超稳激光器热噪声极限的1/N。通过本公开中的超稳激光器，一方面降低了超稳激光的热噪声极限，提高了超稳激光器的频率稳定度，实现了更窄线宽激光的输出；另一方面该超稳激光器的结构和降低超稳激光器热噪声极限的方法简单，节约了成本。

本公开应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本公开示例性实施例中超稳激光器的结构示意图；

图2示出本公开示例性实施例中降低超稳激光器热噪声极限的方法的流程图；

图3示出本公开示例性实施例中拍频器的结构示意图；

图4示出本公开示例性实施例中频率综合电路的结构示意图；

图5示出本公开示例性实施例中声光调制器的结构示意图；

图6示出本公开示例性实施例中声光效应产生的光子和声子的矢量合成图；

图7示出本公开示例性实施例中超稳激光器的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

本说明书中使用用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本公开中的超稳激光器包含N个子超稳激光器(N为正整数且N≥2)，各子超稳激光器的热噪声极限可以相同，也可以不同，并且各子超稳激光器的频率噪声均达到热噪声极限。

当超稳激光器包含N个热噪声极限相同的子超稳激光器时，超稳激光器中合成的频率ν_N+1为：

频率噪声(热噪声极限)为：

由式(2)可以看出，对于包含N个热噪声极限相同的子超稳激光器的超稳激光器，合成后的热噪声极限为每一个单独热噪声极限的1/N，用分贝数表示为

当超稳激光器包含N个热噪声极限不同的子超稳激光器时，超稳激光器中合成的频率ν_N+1为：

频率噪声(热噪声极限)为：

其中p_i为加权因子：

且：

p₁S_ν1＝p₂S_ν2＝...p_NS_νN>

式(4)和式(6)联立，对于包含N个具有不同噪声频率子超稳激光器的超稳激光器，合成后的热噪声极限也是每一个单独热噪声极限的1/N，用分贝数表示为

从上述分析可知，无论子超稳激光器的热噪声极限相同还是不同，本公开中的超稳激光器均可获得一热噪声极限低于任一子超稳激光热噪声极限的超稳激光信号，所述超稳激光信号的热噪声极限为子超稳激光器热噪声极限的1/N。例如当超稳激光器包含100个子超稳激光器时，合成后的热噪声极限将是子超稳激光器热噪声极限的1/10，相应地分贝数降低了20dB。

本公开提供了一种超稳激光器，图1示出了本公开中超稳激光器的结构示意图，如图1所示，超稳激光器100包括多个子超稳激光器101、拍频器102、频率综合器103和声光调制器104，所述子超稳激光器101用于输出多个激光信号；所述拍频器102接收所述激光信号，根据所述激光信号以从拍频器102的第一输出端O1输出一拍频电信号，第二输出端O2输出一光信号；所述频率综合器103接收所述拍频电信号，将其与一微波信号进行处理产生一射频信号；所述声光调制器104接收所述光信号和所述射频信号，使光信号和射频信号发生声光效应，以产生一超稳激光信号。

本公开中的超稳激光器仅包括多个子超稳激光器、拍频器、频率综合器和声光调制器，该超稳激光器的结构简单，节约了成本；通过拍频器、频率综合器和声光调制器对子超稳激光器输出的激光信号处理获得一超稳激光信号，该超稳激光信号的热噪声极限小于子超稳激光器的热噪声极限，降低超稳激光的热噪声极限，提高了超稳激光器的频率稳定度，实现了更窄线宽激光的输出。

在本公开的示例性实施例中，子超稳激光器101输出的激光信号可以从自由空间输出并传至拍频器102，也可以通过单模光纤将子超稳激光器101输出的激光信号传输至拍频器102，优选采用单模光纤，以提高激光信号传输的稳定性，减少色散和损耗。

本公开还提供了一种降低超稳激光器热噪声极限的方法，具体流程如图2所示：

S1：多个子超稳激光器101输出多个激光信号；

本公开中的超稳激光器包含N(N为正整数，且N≥2)个子超稳激光器101。作为一种实施方式，本公开中的超稳激光器包含第一子超稳激光器和第二子超稳激光器，所述第一子超稳激光器输出频率为ν1的第一激光信号，所述第二子超稳激光器输出频率为ν₂的第二激光信号。

由于第一子超稳激光器和第二子超稳激光器的频率接近，很难用光谱仪或波长计等测量设备直接测出，因此可以通过拍频器测量二者的频率差。激光器的温度和施加在激光器中压电陶瓷上的电压影响激光器输出激光的频率，可以通过改变激光器的温度或施加在压电陶瓷上的电压，观察拍频电信号的变化趋势，从而确定第一子超稳激光器和第二子超稳激光器频率的相对大小。为方便描述，设定本公开中第二激光信号的频率大于第一激光信号的频率(ν₂>ν₁)。

S2：拍频器102接收所述激光信号，根据所述激光信号从所述拍频器的第一输出端O1输出一拍频电信号，第二输出端O2输出一光信号；

图3示出了拍频器102的结构示意图，所述拍频器102包含第一输入端I1和第二输入端I2、光纤准直器(301、302)、半波片(303、304)、偏振分束棱镜(305、306)、旋转偏振片307、凸透镜308和探测器309。第一激光信号从第一输入端I1进入光纤准直器301，经过光纤准直器301后的光耦合进空间光路A1，并经过半波片303；半波片303旋转偏振态使偏振态平行于纸面的光线L1通过偏振分束棱镜305进入光路A2；第二激光信号从第二输入端I2进入光纤准直器302，经过光纤准直器302后的光耦合进空间光路A3，经过半波片304旋转偏振态使得偏振态平行于纸面的光线L2通过偏振分束棱镜306进入光路A4，并从第二输出端O2输出；偏振态垂直于纸面的光线L3被偏振分束棱镜306反射进光路A5并传输至偏振分束棱镜305，由于光线L3的偏振态垂直于纸面，因此会被偏振分束棱镜305反射至光路A2。光线L1和光线L3经过旋转偏振片307发生拍频产生一和频信号和一差频信号，所述和频信号的频率为光线L1的频率与光线L3的频率之和(ν₁+ν₂)，所述差频信号为光线L1的频率与光线L3的频率之差(ν₂-ν₁)，所述和频信号和差频信号经凸透镜308汇聚进入探测器309，由于和频信号无法被响应，因此探测器309仅探测到所述差频信号，将所述差频信号转换为一拍频电信号，并从第一输出端O1输出。

S3：频率综合器103接收所述拍频电信号，将所述拍频电信号与一微波信号进行处理，输出一射频信号；

图4示出了频率综合器103的具体结构，所述频率综合器103包含输入端I3、除法器401、信号发生器402、混频器403、滤波器404、功率放大器405和输出端O3。从拍频器102的第一输出端O1输出的拍频电信号通过输入端I3进入除法器401，生成一频率为(ν₂-ν₁)/2的电信号E1，同时信号发生器402输出一频率为ν_m微波信号M1，用于对电信号E1进行补偿，使所述频率综合器103输出的信号频率匹配声光调制器104所需的频率。电信号E1和微波信号M1进入混频器403，生成一和频信号和一差频信号，所述和频信号的频率为((ν₂-ν₁)/2+ν_m)，所述差频信号的频率为((ν₂-ν₁)/2-ν_m)，随后所述和频信号和差频信号进入滤波器404，所述滤波器404可以是低通滤波器，也可以是高通滤波器，当和频信号匹配声光调制器104所需频率时，则采用高频滤波器滤除差频信号；若差频信号匹配声光调制器104所需频率时，则采用低频滤波器滤除和频信号；通过滤波器404的信号进入功率放大器被放大形成一射频信号，并从输出端O3输出。

经过所述除法器401变换的所述拍频电信号，随子超稳激光器的数量变化而改变，当子超稳激光器的数量为2时，则除法器401对拍频电信号的频率进行除2运算，得到频率减半的电信号E1；当子超稳激光器的数量为N(N>2)时，则除法器401对拍频电信号进行除N运算。所述滤波器404可以根据实际需要选择，本公开对此不做具体限定。

S4：声光调制器104接收所述射频信号和所述光信号，使所述射频信号和所述光信号发生声光效应，并输出一超稳激光信号。

图5示出了声光调制器104的结构及光路图，所述声光调制器104包括第一输入端I4、第二输入端I5和输出端O4，光信号从第一输入端I4进入声光调制器104，射频信号从第二输入端I5进入声光调制器104，光信号和射频信号在声光调制器104中发生声光效应，并从输出端O4输出一超稳激光信号。

当射频信号通过声光调制器104内部换能器后产生同频率的超声波，声子的波矢为K_AOM，能量为hν_AOM＝h((ν₂-ν₁)/2±ν_m)，与波矢为K₂的光子发生声光效应产生新的光子，其波矢为K₂-K_AOM，能量为h(ν₂-ν_AOM)，图6示出了声子和光子的矢量合成图，按照能量动量关系可知，0级光的频率为ν₂，-1级光的频率为(ν₂-ν_AOM)＝((ν₁+ν₂)/2±ν_m)。由于第一激光信号频率ν₁和第二激光信号频率ν₂远远大于微波信号的频率ν_m，因此微波频率ν_m对于光频的频率稳定度的影响可以忽略不计。-1级光的频率为第一激光信号和第二激光信号频率之和的一半，满足公式(1)，也就是说-1级光即为超稳激光器输出的超稳激光信号，其大小为第一激光信号或第二超稳激光信号热噪声极限的1/2。

本公开可以通过调整声光调制器104的位置和俯仰角度，使得经过声光调制器104衍射后产生大量的-1级光和少量的0级光，并通过一挡光板将0级光挡住，只输出-1级光，如图7所示。

光线经过布拉格衍射生成的-1级光和未经衍射生成的0级光会分开一个角度，所述角度满足公式(7)：

其中，c为光速，n为声光介质折射率，V为超声波在声光介质中的传播速度，ν_AOM为频率综合器输出的射频信号的频率，ν₂为第二激光信号的频率。

为了在光学平台尺度(1m)内分离两个光纤准直器出射的直径≤10mm的光斑，-1级光与0级光的夹角θ满足θ≥0.57°，通过调整声光调制器的位置和俯仰角度，使θ满足上述条件，并在距离声光调制器一定距离处设置一挡光板即可将0级光遮挡，只输出-1级光。

本公开的示例性实施例中，挡光板并不是必需的，所述声光调制器可以是光纤声光调制器，仅输出-1级光形成超稳激光信号，而不输出0级光。由于采用光纤声光调制器，不用对声光调制器的位置及俯仰角度进行调整，因此降低了设备的操作难度。

本领域技术人员应当理解，超稳激光器包含两个子超稳激光器仅是对本公开的示例性说明，超稳激光器也可以包含多于两个的子超稳激光器，通过改变拍频器和/或频率综合器的组成或结构即可实现本公开的技术效果，在此不再赘述。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。