CN114006256B - 一种人工pdh激光稳频装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工PDH激光稳频装置及方法，该装置包括激光器、第一分束机构、原子气室、第二分束机构、第一光电探测器、第二光电探测器、加法器与PID伺服控制器。本发明在无需调制激光频率和使用超稳定的光学腔作为频率参考的条件下，获得误差锁定信号并锁定激光频率，抑制激光频率漂移，并且在保证激光频率锁定高精度性的同时增大相应的锁定频率抓取范围，不容易脱锁，扩展了现有的PDH激光稳频方法，不需要调制技术，从而简化了电路，节省了成本。在保证激光频率锁定高精度性的同时增大相应的激光锁定频率的抓取范围，抗干扰能力强。本发明可广泛用于适用于精密测量、原子钟、量子信息等需要激光频率高精度和高稳定度锁定的领域。

Description

一种人工PDH激光稳频装置及方法

技术领域

本发明涉及激光稳频技术领域，具体是一种实现激光器的激光频率高精度和高稳定度锁定的人工PDH稳频装置及方法，特别是一种基于原子的偏振光谱的无调制的人工PDH激光稳频装置及方法，适用于精密测量、原子钟、量子信息等需要激光频率高精度稳定的领域。

背景技术

随着激光技术的发展，激光在很多领域都有广泛的应用，尤其是在光与原子相互作用的领域。在光速减慢、光学磁力计、原子钟等许多光与原子相互作用实验中，需要频率高精度锁定的激光，从而实现对原子、分子、离子的冷却和量子态操作，实验要求激光频率的长期漂移需低于1MHz/h。一般来说，激光频率的稳频参考可以分为两种，原子谱线和光学腔长。比如，通过饱和吸收光谱(SAS)、电磁诱导透明光谱(EIT)和偏振光谱(PS)等技术，可以将激光频率锁定到原子的能级跃迁上。另外也可以使用Pound–Drever–Hall(PDH)稳频方法将激光频率稳定到法布里-珀罗光学腔的共振峰上。

PDH激光稳频方法是在一种窄线宽超稳定激光器中广泛采用的技术，并也被认为是未来窄线宽超稳定激光器的重要组成部分。然而，在传统的PDH激光稳频方法中，需要电光调制器(EOM)等调相晶体来调制激光频率。调相晶体由本地振荡器驱动以产生相应的调相边带，并且还需要一个模拟移相器或数字移相器来补偿本地振荡器信号和光电检测器的输出信号之间的相位差，所有的这些配件都相应地增加激光稳频系统的复杂性和费用。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种人工PDH激光稳频装置及方法，对现有的PDH激光稳频技术进行发展和补充，将传统PDH稳频方法中宽带宽的思想移植到基于原子跃迁的激光稳频中，在无需调制激光频率和使用超稳定的光学腔作为频率参考的条件下，获得误差锁定信号并锁定激光频率，抑制激光频率漂移，并且在保证激光频率锁定高精度性的同时增大相应的锁定频率抓取范围，不容易脱锁，扩展了现有的PDH激光稳频方法。该方法可以提供自然的微分误差信号反馈，不需要调制技术，从而简化了电路，节省了成本。在保证激光频率锁定高精度性的同时增大相应的激光锁定频率的抓取范围，具有与PDH锁频类似的功能，抗干扰能力强。可广泛用于适用于精密测量、原子钟、量子信息等需要激光频率高精度和高稳定度锁定的领域。

本发明提供的一种基于原子的偏振光谱的无调制的人工PDH激光稳频装置及方法的原理是：在现有的偏振光谱激光频率锁定技术的基础上，对相应的原子气室施加磁场，获得有磁场下的偏振光谱，相应的偏振光谱信号类似于PDH的微分误差信号，从而实现激光频率的高精度和高稳定度的锁定。

为实现上述目的，本发明提供一种人工PDH激光稳频装置，包括：

激光器，用于产生初始激光光束；

第一分束机构，位于所述初始激光光束的管路上，以将所述初始激光光束劈裂成第一劈裂光束与第二劈裂光束；

原子气室，位于所述第一劈裂光束与所述第二劈裂光束的光路上，所述第一劈裂光束沿第一方向穿过所述原子气室，所述第二劈裂光束沿第二方向穿过所述原子气室，其中，所述第一方向与所述第二方向相反，且所述第一劈裂光束与所述第二劈裂光束重合；

第二分束机构，位于所述原子气室在所述第一方向的后方，用于将所述第二劈裂光束劈裂成具有相位差的第一激光光束与第二激光光束；

第一光电探测器，位于所述第一激光光束的光路上，以获取所述第一激光光束对应的第一光谱信号；

第二光电探测器，位于所述第二激光光束的光路上，以获取所述第二激光光束对应的第二光谱信号；

加法器，与所述第一光电探测器、所述第二光电探测器电连接，以基于所述第一光谱信号与所述第二光谱信号合成相应的误差信号；

PID伺服控制器，与所述加法器、所述激光器电连接，以将误差信号进行比例积分计算，得到相应的反馈电压信号并注入所述激光器。

在其中一个实施例中，人工PDH激光稳频装置还包括：

磁场发生机构，用于产生磁场，且所述磁场覆盖所述原子气室，以对所述原子气室内的原子的能级进行调控，拓展频谱范围。

在其中一个实施例中，所述第一劈裂光束与所述第二劈裂光束的重合比例为90％～100％。

在其中一个实施例中，人工PDH激光稳频装置还包括：

挡光板，位于所述原子气室在所述第二方向的后方，用于隔档所述第一劈裂光束。

在其中一个实施例中，人工PDH激光稳频装置还包括：

第一反射组件，位于所述第一劈裂光束的光路上，以使得第一劈裂光束沿所述第一方向穿过所述原子气室。

在其中一个实施例中，人工PDH激光稳频装置还包括：

第二反射组件，位于所述第二劈裂光束的光路上，以使得第二劈裂光束沿所述第二方向穿过所述原子气室。

在其中一个实施例中，所述第二分束机构包括二分之一波片与偏振分光棱镜，其中，所述二分之一波片位于所述偏振分光棱镜与所述原子气室之间。

为实现上述目的，本发明还提供一种人工PDH激光稳频方法，采用上述人工PDH激光稳频装置，具体包括如下步骤：

将激光器产生的初始激光光束劈裂成第一劈裂光束与第二劈裂光束；

将第一劈裂光束与第二劈裂光束以相反的方向穿过原子气室，并使第一劈裂光束与第二劈裂光束重合在原子气室内重合；

在第二劈裂光束穿过原子气室后，将第二劈裂光束劈裂成具有相位差的第一激光光束与第二激光光束；

分别获取第一激光光束对应的第一光谱信号以及第二激光光束对应的第二光谱信号，并基于所述第一光谱信号与所述第二光谱信号合成相应的误差信号；

将误差信号进行比例积分计算，得到相应的反馈电压信号并注入激光器，从而实现激光器的激光频率锁定。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、激光频率锁定是基于原子的能级跃迁，不受环境温度等因素的影响，可以在长时间运行中提供绝对频率参考；

2、可以提供自然的微分形状反馈，不需要调制解调等模块；

3、能在激光频率锁定的高精度的情况下，提供较大的频率捕获范围，具有强的抗干扰能力；

4、该锁频方案降低了成本，使用方便，可广泛用于适用于精密测量、原子钟、量子信息等需要高精度和高稳定度频率锁定激光的领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中人工PDH激光稳频装置的工作原理图；

图2为本发明实施例中用于激光器的频率锁定的误差信号，即人工PDH误差信号示意图；

图3为本发明实施例中通过人工PDH稳频装置锁定后激光频率的稳定性以及在自由工作状态下的激光频率的稳定性示意图。

附图标号：

1—待稳频激光器；

2—分束镜；

3a—第一反射镜，3b—第二反射镜，3c—第三反射镜，3d—第四反射镜；

4—挡光板；

5—原子气室；

6—二分之一波片；

7—偏振分光棱镜；

8a—第一光电探测器，8b—第二光电探测器；

9—加法器；

10—PID伺服控制器。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示为本实施例公开的一种人工PDH激光稳频装置，其包括待稳频的激光器1、第一分束机构2、原子气室5、第二分束机构、第一光电探测器8a、第二光电探测器8b、加法器9、PID伺服控制器10与磁场发生机构。

激光器1用于产生初始激光光束。

第一分束机构2位于初始激光光束的管路上，以将初始激光光束劈裂成第一劈裂光束与第二劈裂光束。本实施例中，第一分束机构2为分束镜。

原子气室5位于第一劈裂光束与第二劈裂光束的光路上，第一劈裂光束沿第一方向穿过原子气室5，第二劈裂光束沿第二方向穿过原子气室5，其中，第一方向与第二方向相反，且第一劈裂光束与第二劈裂光束重合，且第一劈裂光束与第二劈裂光束的重合比例为90％～100％。具体地，第一劈裂光束的光路上还设置有第一反射组件，以使得第一劈裂光束沿第一方向穿过原子气室5；第二劈裂光束的光路上还设置第二反射组件，以使得第二劈裂光束沿第二方向穿过原子气室5。本实施例中，第一反射组件由第一反射镜3a和第二反射镜3b组成，第二反射组件由第三反射镜3c组成。

磁场发生机构用于产生磁场，且磁场覆盖原子气室5，以对原子气室5内的原子的能级进行调控，拓展频谱范围。

第二分束机构位于原子气室5在第一方向的后方，用于将经由原子气室5射出的第二劈裂光束劈裂成具有相位差的第一激光光束与第二激光光束，具体地，第二分束机构包括二分之一波片6与偏振分光棱镜7，其中，二分之一波片6位于偏振分光棱镜7与原子气室5之间。

原子气室5在第二方向的后方设置有挡光板4，用于隔档经由原子气室5射出的第一劈裂光束。当然，在具体实施过程中，也可以不设置挡光板4，进而将经过稳频后的第一劈裂光束用于其他激光试验。

第一光电探测器8a位于第一激光光束的光路上，第一激光光束被第一光电探测器8a的探头捕获，进而获取第一激光光束对应的第一光谱信号。第二光电探测器8b位于第二激光光束的光路上，第二激光光束经由第四反射镜3d反射后被第二光电探测器8b的探头捕获，进而获取第二激光光束对应的第二光谱信号。

加法器9分别与第一光电探测器8a、第二光电探测器8b电连接，进而基于第一光谱信号与第二光谱信号合成相应的误差信号。且PID伺服控制器10分别与加法器9、激光器1电连接，以将误差信号进行比例积分计算，得到相应的反馈电压信号并注入激光器1，从而实现激光器1的激光频率锁定。

上述人工PDH激光稳频装置的工作过程为：待稳频激光器1出射的初始激光光束通过第一分束机构2劈裂成两束光束，分别为第一劈裂光束与第二劈裂光束。第一劈裂光束依次通过第一反射镜3a和第二反射镜3b反射后以第一方向穿过原子气室5，最终被挡光板4所隔档。第二劈裂光束通过第三反射镜3c反射后以第二方向穿过原子气室5，并与第一劈裂光束的传播方向相反。在原子气室5内部，待稳频激光器1的第一劈裂光束和第二劈裂光束的重合比例为90％左右，并对原子气室5施加磁场，对原子的能级进行调控。第二劈裂光束通过原子气室5之后，再经过二分之一波片6和偏振分光棱镜7变成两束激光，分别为第一激光光束与第二激光光束。且第一激光光束与第二激光光束被第一光电探测器8a与第二光电探测器8b分别探测。第一光电探测器8a与第二光电探测器8b探测到的信号通过加法器9合成相应的误差信号。通过PID伺服控制器10，对相应的误差信号进行比例积分(PI)计算，得到相应的反馈电压信号并注入待稳频的激光器1，从而实现激光器1的激光频率锁定。

实现待稳频的激光器1频率锁定的误差信号如图2所示。图2中的人工PDH误差信号与传统的PDH误差信号具有相似的色散线型，可以将其称为人工无调制PDH误差信号。与传统的PDH误差信号锁定效果相似，人工PDH误差信号的中央零失谐附近的陡峭的色散曲线映射了待稳频激光器1锁定之后激光锁定频率，并提供了绝对频率偏差的快速响应。而相邻两边的增益线型有助于将激光频率从大偏差拉回，即使激光的锁定频率由于电子或机械脉冲等大扰动而远离共振中心。因此，通过人工PDH方法锁定的激光器1具有高稳定性和强的抗环境干扰能力。

为了评价通过人工PDH稳频方法锁定后的激光器1的激光频率的稳定性，本实施例中使用商用波长计直接记录待稳频激光器1的激光波长。图3显示了自由运转下和通过人工PDH稳频方法锁定后的待稳频激光器1的激光频率随时间的偏差。在自由运转情况下，激光器1的频率随时间会发生大范围的漂移。而当系统通过人工PDH稳频方法锁定后，待稳频激光器1的激光频率波动被强烈抑制，相应的激光频率随时间的变化小于1MHz，说明采用人工PDH稳频方法的激光稳频系统对于激光器1的精确频率锁定是非常有效的。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种人工PDH激光稳频装置，其特征在于，包括：

激光器，用于产生初始激光光束；

第一分束机构，位于所述初始激光光束的管路上，以将所述初始激光光束劈裂成第一劈裂光束与第二劈裂光束；

原子气室，位于所述第一劈裂光束与所述第二劈裂光束的光路上，所述第一劈裂光束沿第一方向穿过所述原子气室，所述第二劈裂光束沿第二方向穿过所述原子气室，其中，所述第一方向与所述第二方向相反，且所述第一劈裂光束与所述第二劈裂光束重合；

第二分束机构，位于所述原子气室在所述第一方向的后方，用于将所述第二劈裂光束劈裂成具有相位差的第一激光光束与第二激光光束；

第一光电探测器，位于所述第一激光光束的光路上，以获取所述第一激光光束对应的第一光谱信号；

第二光电探测器，位于所述第二激光光束的光路上，以获取所述第二激光光束对应的第二光谱信号；

加法器，与所述第一光电探测器、所述第二光电探测器电连接，以基于所述第一光谱信号与所述第二光谱信号合成相应的误差信号；

PID伺服控制器，与所述加法器、所述激光器电连接，以将误差信号进行比例积分计算，得到相应的反馈电压信号并注入所述激光器；

磁场发生机构，用于产生磁场，且所述磁场覆盖所述原子气室，以对所述原子气室内的原子的能级进行调控，拓展频谱范围。

2.根据权利要求1所述人工PDH激光稳频装置，其特征在于，所述第一劈裂光束与所述第二劈裂光束的重合比例为90％～100％。

3.根据权利要求1所述人工PDH激光稳频装置，其特征在于，还包括：

挡光板，位于所述原子气室在所述第二方向的后方，用于隔档所述第一劈裂光束。

4.根据权利要求1所述人工PDH激光稳频装置，其特征在于，还包括：

第一反射组件，位于所述第一劈裂光束的光路上，以使得第一劈裂光束沿所述第一方向穿过所述原子气室。

5.根据权利要求1所述人工PDH激光稳频装置，其特征在于，还包括：

第二反射组件，位于所述第二劈裂光束的光路上，以使得第二劈裂光束沿所述第二方向穿过所述原子气室。

6.根据权利要求1所述人工PDH激光稳频装置，其特征在于，所述第二分束机构包括二分之一波片与偏振分光棱镜，其中，所述二分之一波片位于所述偏振分光棱镜与所述原子气室之间。

7.一种人工PDH激光稳频方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述人工PDH激光稳频装置，具体包括如下步骤：

将激光器产生的初始激光光束劈裂成第一劈裂光束与第二劈裂光束；

将第一劈裂光束与第二劈裂光束以相反的方向穿过原子气室，并使第一劈裂光束与第二劈裂光束重合在原子气室内重合；

在第二劈裂光束穿过原子气室后，将第二劈裂光束劈裂成具有相位差的第一激光光束与第二激光光束；

分别获取第一激光光束对应的第一光谱信号以及第二激光光束对应的第二光谱信号，并基于所述第一光谱信号与所述第二光谱信号合成相应的误差信号；

将误差信号进行比例积分计算，得到相应的反馈电压信号并注入激光器，从而实现激光器的激光频率锁定。

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