[發明專利]基于腔內自參考的單頻激光器頻率穩定裝置

有效

• 申請號: 202110274645.4
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN113078552B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 應康;陳迪俊;皮浩洋;王照勇;盧斌;劉雷;程楠;蔡海文
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: H01S5/0687
• 分類號: H01S5/0687;H01S3/13
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于腔內自參考的單頻激光器頻率穩定裝置，包括頻率控制模塊、單頻激光器、半透半反鏡、光電探測器、和頻率鑒相器，所述的單頻激光器內部存在兩個非簡并的激光模式，且兩個非簡并的激光模式的頻率差分別與兩個激光模式的激光頻率對應。本發明通過在激光器激光腔內引入兩個非簡并模式，利用非簡并模式的拍頻信號與激光頻率的相互關系，以拍頻信號作為頻率參考，得到激光器的中心頻率漂移量，最終通過反饋控制實現單頻激光器中心頻率的穩定，提升頻率穩定性。本發明具有不需要第三方頻率參考、裝置簡單緊湊、頻率穩定性高、可以實現任意中心波長頻率穩定的優勢，可有效的推動單頻激光器在相干激光通信等許多領域中的應用。

技術領域

本發明涉及單頻激光器，特別是一種基于腔內自參考的單頻激光器頻率穩定裝置及其調整方法，該裝置可應用于激光原子冷卻、高分辨率激光光譜、冷原子鐘、激光雷達、相干激光通信等前沿基礎科學和高技術領域。

背景技術

近年來單頻激光器技術迅猛發展，單頻激光器的性能不斷提高，應用越來越廣泛。基于其窄線寬、低噪聲等優點，單頻激光器廣泛應用于激光原子冷卻、高分辨率激光光譜、冷原子鐘等許多領域。這些應用領域對激光器的線寬和頻率穩定性要求很高，而自由運轉的單頻激光器(如半導體激光器、光纖激光器等)的輸出頻率對泵浦強度和工作溫度很敏感，即使是在單縱模下運轉，其光譜線寬也比較寬，使它的中心波長會在一個相當大的范圍內波動，頻率穩定性很差。這對于激光原子冷卻、高分辨率激光光譜等的應用，都是必須解決的問題，需要采取進一步的主動穩頻措施來滿足科學研究領域對單頻激光器的要求。因此研究單頻激光器的頻率穩定技術，解決其中涉及的關鍵物理問題，具有重要的學術意義和應用價值，受到廣泛關注。

單頻激光器的穩頻技術通常是將輸出激光的中心頻率鎖定在某個頻率穩定度較高的頻率參考上，例如原子、分子的吸收譜線、法布里珀羅標準具等。其中，基于原子吸收譜線的激光頻率穩定技術應用最為廣泛。它的主要原理是激光器的輸出光的頻率和原子吸收峰處的頻率相比較，得到誤差信號并反饋到激光器的頻率調諧機構中，完成閉環控制，從而使激光器的中心頻率鎖定到對應的參考頻率上，完成穩頻。比如，銣(Rb)原子的吸收譜線可以用于780nm波段的半導體激光器的穩頻；銫(Cs)原子的吸收譜線可以用于852nm波段半導體激光器的穩頻。這方面MotoichiOhtsu提出了一種原子吸收譜線的半導體激光器調制穩頻技術(參見在先技術[1]：“Linewidth reduction of a semiconductor laser byelectrical feedback”，IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS,Vol.QE-21,No.12,December 1985)。其基本原理是對激光頻率進行調制，再與參考的原子吸收譜線做比較，獲得交流的誤差信號，產生閉環控制進行穩頻。但是基于原子吸收譜線的穩頻技術會產生一系列的問題：

1.頻率穩定的中心波長取決于原子或分子吸收譜線的位置，限制較大，無法實現任意波長的激光頻率穩定。

2.為了產生較強的吸收譜線，往往需要較長的原子或分子吸收池裝置，這樣大大增加了整個單頻激光器穩頻裝置的體積。

為了克服上述第一點的問題，Timothy Day提出了一種利用法布里珀羅標準具的透射峰作為頻率參考的單頻激光器頻率穩定技術(參見在先技術[2]：“Sub-Hertzrelativefrequency stabilization of two diode laser-pumped Nd:YAG lasers locked toaFabry-Perot Interferometer”，IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS,Vol.28,No.4,1992)，它的主要原理是激光器的輸出光的頻率和法布里珀羅標準具的透射峰處的頻率相比較，得到誤差信號并反饋到激光器的頻率調諧機構中，完成閉環控制，從而使激光器的中心頻率鎖定到法布里珀羅標準具的透射峰處對應的參考頻率上，完成穩頻。優點是法布里珀羅標準具具有多個透射峰，原則上可以實現任意中心波長的頻率穩定。但仍然有如下缺點：