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1、(10)申请公布号 CN 102610991 A (43)申请公布日 2012.07.25 C N 1 0 2 6 1 0 9 9 1 A *CN102610991A* (21)申请号 201210084985.1 (22)申请日 2012.03.28 H01S 3/13(2006.01) (71)申请人山西大学 地址 030006 山西省太原市坞城路92号 (72)发明人李志新 赵刚 马维光 付小芳 谭巍 董磊 张雷 尹王保 贾锁堂 (74)专利代理机构太原科卫专利事务所(普通 合伙) 14100 代理人朱源 (54) 发明名称 高稳定激光频率锁定方法及装置 (57) 摘要 本发明涉及激光频。
2、率锁定技术，具体是一种 高稳定激光频率锁定方法及装置。解决了目前没 有一种能够消除残余幅度调制的激光频率锁定方 法的技术问题，以及缺乏消除残余幅度调制的激 光频率锁定装置的技术问题。一种高稳定激光频 率锁定方法，包括PDH频率锁定方法，所述PDH频 率锁定方法包括对激光光束所进行的调制过程； 还包括对调制后的激光光束所进行的残余幅度调 制抑制方法。一种高稳定激光频率锁定装置，包括 PDH频率锁定装置和残余幅度调制抑制系统。本 发明结构简单，构思巧妙，有效提高了激光频率锁 定的稳定性。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发。
3、明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 1/1页 2 1.一种高稳定激光频率锁定方法，包括PDH频率锁定方法，所述PDH频率锁定方法包括 对激光光束所进行的调制过程；其特征在于还包括对调制后的激光光束所进行的残余幅度 调制抑制方法；所述残余幅度调制抑制方法包括以下步骤：（a）、将包含残余幅度调制的激 光光束分解成两束相互垂直的线偏振光；（b）、分别将两束线偏振光的光信号转化为电信 号；（c）、将两束线偏振光的电信号的强度相减，获得一个代表两束线偏振光相位差的电信 号；（d）、将代表该相位差的电信号作为误差信号反馈至对激光进行调制的设备，消除残余 幅度调制。 2.一种高稳定。
4、激光频率锁定装置，包括实现PDH频率锁定方法的PDH频率锁定装置， 所述PDH频率锁定装置包括激光器（1），激光器（1）出射光路上设有电光调制器（2），电光调 制器（2）出射端设有入射光与反射光分离系统（4）；还包括偏置器（14），所述偏置器（14）的 输出端与电光调制器（2）的电压控制端口相连接；其特征在于，还包括残余幅度调制抑制 系统；所述残余幅度调制抑制系统包括设置在电光调制器（2）与入射光与反射光分离系统 （4）之间的光路上的光纤分束器（3）；所述入射光与反射光分离系统（4）设置在光纤分束器 （3）的一个出射光路上，光纤分束器（3）另一个出射光路上设有四分之一波片（6），四分之 一波片。
5、（6）出射光路上设有偏振分束棱镜（7），偏振分束棱镜（7）的反射光路上设有第二光 电探测器（8），偏振分束棱镜（7）的透射光路上设有第三光电探测器（9）；所述第二光电探 测器（8）与第三光电探测器（9）的输出端连接有减法器（10），减法器（10）输出端连接有第 二电子伺服系统（13）；所述第二电子伺服系统（13）输出端与偏置器（14）的输入端相连接。 3.如权利要求2所述的高稳定激光频率锁定装置，其特征在于，所述第二电子伺服系 统（13）采用第二PID控制器。 权 利 要 求 书CN 102610991 A 1/5页 3 高稳定激光频率锁定方法及装置 技术领域 0001 本发明涉及激光频率锁定。
6、技术，具体是一种高稳定激光频率锁定方法及装置。 背景技术 0002 二十世纪六十年代，在一系列多领域研究的基础上梅曼研制成功了第一台激光 器，由于激光具有强相干、高强度以及窄线宽等特性，很快被应用到工业、农业、精密测量和 探测、通讯与信息处理、医疗、军事等领域。但是激光源的频率由于受到外界扰动和温度变 化等的影响会发生漂移，这对于激光的应用非常不利，因此必须发展用于激光频率锁定的 技术。 0003 目前，利用外部光学腔作为频率标准的激光到腔的频率锁定技术主要包括： Pound-Drever-Hall(PDH)方法、低频调制方法、空间模干涉方法、边模偏频锁定方法等。其 中基于频率调制的PDH频率。
7、锁定方法，是通过电光调制器（EOM）对激光频率进行调制后，将 出射激光引入Fabry-Perot腔（也简称F-P腔），将腔的反射信号与经过移相后的调制信号 进行混频来获得误差信号，该误差信号具有高的信噪比，并且能将激光频率锁定到很窄的 范围内，是目前应用最为广泛的频率锁定方法。所述PDH频率锁定方法所采用的装置（如图 1所示），包括激光器1，激光器1出射光路上设有电光调制器2，电光调制器2的出射端设有 入射光与反射光分离系统4，入射光与反射光分离系统4的一个出射端设有Fabry-Perot腔 5，另一个出射端设有第一光电探测器11；第一光电探测器11的输出端顺次连接有调制与 解调系统12和第一。
8、电子伺服系统15，第一电子伺服系统15的输出端与激光器1的电压控 制端口相连接；调制与解调系统12的另一个输出端还连接有偏置器14，所述偏置器14的 输出端与电光调制器2的电压控制端口相连接。具体实施时，第一电子伺服系统15、调制 与解调系统12、入射光与反射光分离系统4包括如下装置（如图4所示）：第一电子伺服系 统15包括低通滤波器20和第一PID控制器21；调制与解调系统12包括有射频源16、移相 器17和混频器19；入射光与反射光分离系统4包括光纤环形器22和第一光纤耦合器18； 所述低通滤波器20的输入端与混频器19输出端相连接，低通滤波器20的输出端与第一 PID控制器21输入端相连。
9、接；第一PID控制器21的输出端与激光器1的电压控制端口相 连接；所述射频源16的一个输出端与移相器17的输入端相连接，移相器17的输出端与混 频器19的一个输入端相连接；第一光电探测器11的输出端与混频器19的输入端相连接， 射频源16的另一个输出端与偏置器14的输入端相连接。第一光纤耦合器18设置在光纤 环形器22的一个出射端，F-P腔5设置在第一光纤耦合器18的出射端，第一光电探测器11 设置在光纤环形器22的另一个出射端，第一光电探测器11的输出端与混频器19的另一个 输入端相连接。激光源1输出的激光进入电光调制器2，射频源16产生一定频率的调制信 号通过Bias Tee（即偏置器）1。
10、4后加到电光调制器2的电压控制端口，对激光频率进行调 制；调制后的激光通过入射光与反射光分离系统4后射到F-P腔5，F-P腔5的反射光再通 过光纤环形器22和第一光纤耦合器18后由第一光电探测器11探测并转化为电信号，其电 信号进入混频器19；射频源16还产生一个调制信号通过移相器17后与进入混频器19，激 说 明 书CN 102610991 A 2/5页 4 光的电信号在混频器19被解调，并通过低通滤波器20和第一PID控制器21反馈到激光源 的电压控制端口来对激光频率进行锁定。 0004 电光调制器可采用光纤电光调制器，也可采用空间电光调制器；在采用空间电光 调制器时，由于空间电光调制器电。
11、压控制端口的工作电压在千伏量级，因此射频源16产生 一定频率的调制信号通过Bias Tee（即偏置器）14输入至空间电光调制器前，需在偏置器 14与空间电光调制器电压控制端口之间设置一个高压放大器，将调制信号放大至千伏量 级，以满足空间电光调制器对工作电压的要求。 0005 电光调制器内部有晶体，激光在穿过晶体的过程中受到调制，携带上所需传递的 信息，并出射至下一个光学器件。 0006 但在对激光信号进行调制时，由于入射激光的偏振方向不能完全与电光调制器的 调制方向一致、偏振模色散以及温度等对电光调制器中内部晶体折射率的影响，就会导致 残余幅度调制的产生，使得频率调制光谱信号中出现一个依赖于晶。
12、体折射率的直流偏置， 同时信号线型被扭曲。图3a是基于光纤或空间电光调制器采用PDH频率锁定装置获得的误 差信号，从图中可以看到，误差信号存在较大的直流偏置，且线型非常不对称，这会使得激 光频率锁定位置（图3a中虚线所示）难以确定，而且会偏离误差信号的中心点，导致激光频 率极容易失锁，不能实现激光频率长时间、稳定的锁定。基于此，我们利用PDH频率锁定方 法对激光频率进行锁定时所获得的误差信号就会存在直流偏移，不稳定，而且线型不对称， 最终导致激光频率不能实现长期稳定的锁定。这对于许多要求激光具有稳定频率的应用场 合及设备非常不利。然而目前尚无一种能够消除激光残余幅度调制的激光频率锁定方法及 相。
13、关装置。 发明内容 0007 本发明为解决目前没有一种能够消除残余幅度调制的激光频率锁定方法的技术 问题，以及缺乏消除残余幅度调制的激光频率锁定装置的技术问题，提供一种高稳定激光 频率锁定方法及装置。 0008 本发明所述的高稳定激光频率锁定方法是采用如下技术方案实现的：一种高稳定 激光频率锁定方法，包括PDH频率锁定方法，所述PDH频率锁定方法包括对激光光束所进行 的调制过程；还包括对调制后的激光光束所进行的残余幅度调制抑制方法；所述残余幅度 调制抑制方法包括以下步骤：（a）、将包含残余幅度调制的激光光束分解成两束相互垂直 的线偏振光；（b）、分别将两束线偏振光的光信号转化为电信号；（c）、。
14、将两束线偏振光的电 信号的强度相减，获得一个代表两束线偏振光相位差的电信号；（d）、将代表该相位差的电 信号作为误差信号反馈至对激光进行调制的设备，消除残余幅度调制。 0009 将含有残余幅度调制的激光分解成两束相互垂直的两束线偏振光，分解时可采用 相应的分光设备；将两束相互垂直的线偏振光通过光探测装置转化为电信号，此电信号包 含有两束光的相位信息；将包含有两束光相位信息的电信号的强度通过减法装置相减，并 以相减得到的电信号作为误差信号，通过电子伺服系统反馈至对激光进行调制的设备，从 而消除残余幅度调制。所述的分光设备、光探测装置、减法装置、以及电子伺服系统均为现 有公知技术，具有多种结构可供。
15、选择，本领域技术人员是很容易实现的。 0010 对于一个无残余幅度调制的频率调制光谱，解调得到的是一个大小只依赖于解调 说 明 书CN 102610991 A 3/5页 5 相位的直流信号，其表达式为： I FM =I 0 J 0 ()J 1 ()e- 20 ( -1 - 1 )sin+( 1 + -1 -2 0 )cos（1） 由于电光调制器的引入将会导致残余幅度调制的产生，因此在解调得到的信号中除了 包含无残余幅度调制项外，还存在依赖于晶体中两个偏振方向相位差的项，其表达式为： I=-2e- 20 J 1 E 0 o E 0 e sin2sincos（2） 其中= o e lf 为两偏振方。
16、向的相位差， lf 为电光调制器电压控制端口 电压信号引起的相位差，通过改变电光调制器电压端口电压信号的大小就可以改变晶体内 部的折射率，进而使（2）式为零，达到抑制残余幅度调制的目的。具体的讲，激光在传播过 程中其电矢量可分解为两个相互垂直的矢量，通过电光调制器时，电光调制器内部的晶体 会使激光的两个电矢量发生相位差，使得出射后的激光偏振态发生改变，不符合对出射光 束的要求。要消除该残余幅度调制，必须得到该残余幅度调制的相位差 lf ，并以此相位差 作为误差信号反馈至产生该相位差的电光调制器上，通过调节电光调制器的电压控制端口 电压，从而抑制出射激光的残余幅度调制。 0011 一种高稳定激光。
17、频率锁定装置，包括实现PDH频率锁定方法的PDH频率锁定装置， 所述PDH频率锁定装置包括激光器，激光器出射光路上设有电光调制器，电光调制器出射 端设有入射光与反射光分离系统；还包括偏置器，所述偏置器的输出端与电光调制器的电 压控制端口相连接；还包括残余幅度调制抑制系统；所述残余幅度调制抑制系统包括设置 在电光调制器与入射光与反射光分离系统之间的光路上的光纤分束器；所述入射光与反射 光分离系统设置在光纤分束器的一个出射光路上，光纤分束器另一个出射光路上设有四分 之一波片，四分之一波片出射光路上设有偏振分束棱镜，偏振分束棱镜的反射光路上设有 第二光电探测器，偏振分束棱镜的透射光路上设有第三光电探。
18、测器；所述第二光电探测器 与第三光电探测器的输出端连接有减法器，减法器输出端连接有第二电子伺服系统；所述 第二电子伺服系统输出端与偏置器的输入端相连接。本装置在采用了PDH频率锁定方法的 基础上又采用了残余幅度调制抑制方法，所述PDH频率锁定方法是通过PDH频率锁定装置 来实现的；所述残余幅度调制抑制方法是通过残余幅度调制抑制系统来实现的。本装置对 带有残余幅度调制的激光光束进行了进一步处理，其工作过程如下：带有残余幅度调制的 出射激光经过光纤分束器入射到四分之一波片，从四分之一波片出射后的激光可以看作是 两个自旋方向相反的圆偏振光的叠加，经过偏振分束棱镜后，被分解为沿竖直方向和沿水 平方向的。
19、两束线偏振光；两束线偏振光分别经过第一光电探测器和第二光电探测器后，被 转化为包含两束线偏振光相位信息的电信号，两束线偏振光的电信号强度输入至减法器， 经过减法器相减获得包含两线偏振光相位差信息的电信号，此相位差即为误差信号；误差 信号经过电子伺服系统处理后经过偏置器反馈至电光调制器的输入端，调节电光调制器的 电压控制端口的电压，使出射激光的两个相互垂直的电矢量相位差为零，出射激光的 残余幅度调制得到消除。 0012 本发明通过将存在残余幅度调制的激光分解为两束相互垂直的线偏振光，进而获 得两束偏振光的相位差信息，消除了出射光束的残余幅度调制；所采用的残余幅度调制抑 制系统通过简单的光学器件解。
20、决了激光的PDH频率锁定方法中存在的残余幅度调制的问 题，结构简单，构思巧妙，有效提高了激光频率锁定的稳定性。 说 明 书CN 102610991 A 4/5页 6 附图说明 0013 图1 本发明所述装置结构示意图。 0014 图2本发明所述残余幅度调制抑制方法及系统的效果验证图。图a为函数发生器 输出的频率为10Hz，幅度为5V的正弦波信号，该信号被输入到光纤或空间电光调制器的电 压控制端口；图b为使用本发明所述的残余幅度调制抑制系统后从减法器输出端获得的信 号。 0015 图3 使用本发明所述残余幅度调制抑制系统前后所获得的误差信号。图a为没有 使用残余幅度调制抑制系统时获得的误差信号，。
21、图b为使用残余幅度调制抑制系统后获得 的误差信号。 0016 图4 本发明装置在具体应用时的结构示意图。 0017 图5 采用本发明所述装置后对频率锁定性能的验证结果。 0018 1-激光器，2-电光调制器，3-光纤分束器，4-入射光与反射光分离系统，5-F-P腔， 6-四分之一波片，7-偏振分束棱镜，8-第二光电探测器，9-第三光电探测器，10-减法器， 11-第一光电探测器，12-调制与解调系统，13-第二电子伺服系统，14-偏置器，15-第一 电子伺服系统，16-射频源，17-移相器，18-第一光纤耦合器，19-混频器，20-低通滤波器， 21-第一PID控制器，22-光纤环形器，23-。
22、第二光纤耦合器。 具体实施方式 0019 一种高稳定激光频率锁定装置，包括实现PDH频率锁定方法的PDH频率锁定装置， 所述PDH频率锁定装置包括激光器1，激光器1出射光路上设有电光调制器2，电光调制器 2出射端设有入射光与反射光分离系统4；还包括偏置器14，所述偏置器14的输出端与电 光调制器2的电压控制端口相连接；还包括残余幅度调制抑制系统；所述残余幅度调制抑 制系统包括设置在电光调制器2与入射光与反射光分离系统4之间的光路上的光纤分束器 3；所述入射光与反射光分离系统4设置在光纤分束器3的一个出射光路上，光纤分束器3 另一个出射光路上设有四分之一波片6，四分之一波片6出射光路上设有偏振分。
23、束棱镜7， 偏振分束棱镜7的反射光路上设有第二光电探测器8，偏振分束棱镜7的透射光路上设有 第三光电探测器9；所述第二光电探测器8与第三光电探测器9的输出端连接有减法器10， 减法器10输出端连接有第二电子伺服系统13；所述第二电子伺服系统13输出端与偏置器 14的输入端相连接。第二电子伺服系统13采用第二PID控制器。 0020 下面结合附图对本发明的应用作进一步的说明。首先对本发明所述的残余幅度调 制抑制系统进行了验证。在光束进入F-P腔5之前分出一部分来对其偏振态进行检测，然 后将检测到的相位差信号反馈到光纤或空间电光调制器2来抑制残余幅度调制的产生。为 了对方案进行验证，在光纤或空间电。
24、光调制器的电压控制端口输入一个频率为10Hz，幅度 为5V的正弦波信号，如图2a所示；通过残余幅度调制抑制系统后在减法器输出端得到如图 2b所示的信号，与理论分析的结果一致，说明该方法及装置具有可行性。 0021 具体应用时，激光器1采用1531nm的单模光纤激光器，通过第二光纤耦合器23将 经光纤分束器3出射的一束激光射入四分之一波片6；F-P腔5由曲率半径为100mm的两凹 面镜组成；激光器1输出的激光入射到光纤或空间电光调制器2，射频源16产生的384MHz 的调制信号通过偏置器14后加到光纤或空间电光调制器2的dc-500MHz电压控制端口，对 说 明 书CN 102610991 A 。
25、5/5页 7 激光频率进行调制，调制后的激光通过光纤分束器3后分为两束，其中一束光由光纤耦合 器23输出，经过由四分之一波片6和偏振分束棱镜7组成的偏振检测系统，分别用第二、第 三光电探测器8、9对偏振分束棱镜7出射的两个线偏振光进行探测，将两线偏振光的光信 号转化为电信号，之后将代表两束光的电信号强度经过减法器10相减后得到一个代表两 束线偏振光相位差信息的误差信号，该误差信号经过第二PID控制器13后通过偏置器14 反馈到光纤或空间电光调制器2的dc-500MHz电压控制端口来抑制频率调制过程中产生 的残余幅度调制，如图3b所示为在经过残余幅度调制抑制系统抑制后得到的误差信号，可 以看出，。
26、在抑制掉残余幅度调制后的误差信号非常理想，消除了直流偏置，而且线型非常对 称，频率锁定的位置基本位于误差信号中心点（图3b中虚线所示）。将获得的误差信号通过 低通滤波器20滤波后输入到第一PID控制器21，对第一PID控制器21的参数进行设置，使 误差信号最优化，最后反馈到激光器1 的电压控制端口来进行激光频率锁定。图5为采用 本发明所述的残余幅度调制抑制系统后，对本系统频率锁定性能的验证结果。图中a曲线 是在没有设置残余幅度调制抑制系统时频率锁定的结果，可以看出在刚开始的2000s内， 激光频率非常稳定，而在2000s以后由于残余幅度调制的影响，频率锁定的位置发生了漂 移，F-P腔的透射峰幅度逐渐降低，最终在6400s以后导致激光频率失锁。b曲线是在设置 了残余幅度调制抑制系统以后的激光频率锁定结果，可以看出，激光频率实现了长期稳定 的锁定，证明本发明具有很高的实用价值。 说 明 书CN 102610991 A 1/3页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102610991 A 2/3页 9 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102610991 A 3/3页 10 图5 说 明 书 附 图CN 102610991 A 10 。