專利名稱：用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光頻率穩(wěn)定方法及裝置，特別是關(guān)于一種用于精密計量的激光 頻率穩(wěn)定方法及裝置。
背景技術(shù)：
在計量領(lǐng)域，溯源性是指任何一個測量結(jié)果或計量標準值，都能通過一條具有規(guī) 定不確定度的連續(xù)比較鏈，與計量基準聯(lián)系起來。1983年第十七屆國際計量大會推薦了幾 種用于復現(xiàn)米定義的穩(wěn)頻激光器，這些穩(wěn)頻激光器可直接作為復現(xiàn)米定義的計量基準?？?調(diào)諧激光器因具有輸出激光頻率大范圍(約100GHz)連續(xù)可調(diào)諧的特點，在激光精密計量 領(lǐng)域有著重要的應用。但是，由于受到環(huán)境溫度變化和機械振動的影響，自由運轉(zhuǎn)的可調(diào)諧 激光器在數(shù)小時內(nèi)的長期頻率穩(wěn)定度會達到甚至超過MHz量級。激光頻率的波動對精密計 量的不確定度有著嚴重的影響。為了將其應用于精密計量領(lǐng)域，需要對其輸出激光頻率進 行穩(wěn)定，也稱為對激光器輸出頻率的鎖定。此外，將測量結(jié)果溯源至計量基準也是計量研究 一個必要條件?；谝话愕目刂评碚搶す馄鞯妮敵鲱l率進行穩(wěn)定，需要對激光器當前的輸出頻 率進行精確的測量。但是，光波的頻率約為1014Hz，至今還沒有一種儀器可以對如此高的頻 率進行直接的測量?；趯Υ€(wěn)定激光器頻率的間接測量，拍頻法和法布里_珀羅腔鑒頻 法是穩(wěn)定激光器頻率的兩種有效方法。拍頻法穩(wěn)定激光頻率的原理是由待穩(wěn)定激光器與穩(wěn)頻激光器進行光學拍頻，經(jīng)光 學拍頻將待測量頻率降至MHz至GHz量級，再由光電探測器探測拍頻信號，經(jīng)鎖相環(huán)電路處 理后得到誤差信號，該誤差信號經(jīng)放大后形成反饋調(diào)節(jié)激光器的驅(qū)動信號，最終使得激光 器的輸出頻率與穩(wěn)頻激光器的輸出頻率相差一個穩(wěn)定的光學拍頻頻率。該方法詳見文獻 (1) :Accurate frequency control of aninternal-mirror He_Ne laser by means of a radiation-heating system, J. Ishikawa，Appl. Opt.，1995，34 :6095_6098o 選擇作為米定 義計量基準的激光器作為穩(wěn)頻激光器，拍頻法可將待穩(wěn)定激光器頻率直接溯源到米定義計 量基準。但是受到光電探測器帶寬和高頻電路噪聲的影響，拍頻法的光學差拍量和頻率穩(wěn) 定度都受到了很大的限制。N. Kuramoto和K. Fujii用該方法穩(wěn)定可調(diào)諧外腔半導體激光器 的輸出頻率，其頻率穩(wěn)定度只能達到900kHz，頻率調(diào)諧范圍最大為19GHz，可參見文獻(2) Interferometric determination of the diameter ofa silicon sphere using a direct optical frequency tuning system,N. Kuramotoand K. Fujii,IEEETrans. Instrum. Meas., 2003，52(2) :631-635o法布里-珀羅腔鑒頻法穩(wěn)定激光頻率的原理是利用法布里_珀羅腔對光學頻 率透過的選擇性，將激光頻率穩(wěn)定至法布里-珀羅腔的某一共振峰。根據(jù)激光頻率調(diào) 制類型的不同，該方法又分為無頻率調(diào)制的偏頻鎖定技術(shù)和頻率調(diào)制的峰值鎖定技術(shù)， 后者又稱為Pound-Drever-Hal 1技術(shù)。因為Pound-Drever_Hal 1技術(shù)的激光頻率穩(wěn)定 度不受激光功率變化的影響，具有頻率穩(wěn)定度高，線寬窄等特點，該技術(shù)應用更為廣泛。Pound-Drever-Hall技術(shù)是將由電光晶體調(diào)制后帶有兩個調(diào)制峰的激光入射至法布里-珀 羅腔，光電探測器接收由法布里-珀羅腔選擇后的反射光信號，并將其與電光晶體的驅(qū)動 信號進行混頻處理后生成誤差信號，經(jīng)濾波、放大最后反饋調(diào)制激光器，使得激光器的輸 出頻率穩(wěn)定至法布里-珀羅腔的某一級共振峰，同時起到壓窄激光線寬的作用。通過開 環(huán)調(diào)節(jié)激光器的頻率，選擇不同的法布里-珀羅腔的共振峰鎖定激光器頻率可使得激光 器的輸出頻率大范圍調(diào)諧，且其調(diào)諧范圍只受激光器自身的調(diào)諧范圍的限制。該方法詳 見文獻(3) :Anintroduction to Pound-Drever-Hall laser frequency stabilization, E. D. Black, Am. J. Phys.，2001，69(1) :79_87。選擇適當參數(shù)的法布里-珀羅腔和激光調(diào)制 頻率可以將激光穩(wěn)定度提升至Hz量級甚至更穩(wěn)定，可參見文獻(4) :Diodelaser with 1Hz linewidth, H. Stoehr, F. Mensing, J. Helmcke and U. Sterr, Optics Letter, 2006, 31 (6) 736-738。但是，Pound-Drever-Hall技術(shù)穩(wěn)定的激光頻率不具有可溯源性，即未能與計量基 準建立聯(lián)系。所以，盡管采用Pound-Drever-Hall技術(shù)穩(wěn)定的激光頻率具有高頻率穩(wěn)定度 和大頻率調(diào)諧范圍的特點，但是如將其用于計量領(lǐng)域的激光頻率穩(wěn)定，溯源性仍需要解決。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種可溯源、頻率穩(wěn)定度高以及頻率調(diào)諧范 圍大的用于精密計量的可溯源激光頻率穩(wěn)定方法及裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定 方法，其特征在于包括以下步驟1)設(shè)置一包括法布里-珀羅干涉儀、待穩(wěn)定激光器、穩(wěn)頻 激光器、法布里_珀羅腔鎖定系統(tǒng)和激光頻率鎖定系統(tǒng)的用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定裝 置；其中，穩(wěn)頻激光器出射的激光經(jīng)法布里_珀羅腔鎖定系統(tǒng)射入法布里_珀羅干涉儀，法 布里_珀羅腔鎖定系統(tǒng)電連接法布里_珀羅干涉儀的腔長控制端；待穩(wěn)定激光器出射的激 光經(jīng)激光頻率鎖定系統(tǒng)射入法布里_珀羅干涉儀，激光頻率鎖定系統(tǒng)電連接待穩(wěn)定激光器 的調(diào)節(jié)端；2)法布里-珀羅腔鎖定系統(tǒng)采用電光晶體頻率調(diào)制的方法，將法布里-珀羅干 涉儀的某一級共振峰穩(wěn)定至穩(wěn)頻激光器的輸出激光頻率；3)激光頻率鎖定系統(tǒng)采用電光 晶體頻率調(diào)制的方法，將待穩(wěn)定激光器的輸出激光頻率穩(wěn)定至步驟2)中法布里-珀羅干涉 儀的某一共振峰；4)選擇不同的法布里-珀羅干涉儀的共振峰，重復步驟3)，將待穩(wěn)定激光 器的輸出頻率穩(wěn)定至法布里_珀羅干涉儀的其它共振峰，實現(xiàn)激光器頻率的大范圍調(diào)諧。所述穩(wěn)頻激光器采用偏頻鎖定碘穩(wěn)頻He-Ne激光器。所述步驟2)、3)和4)中，控制法布里_珀羅干涉儀的溫度穩(wěn)定，并防止外界的機 械振動產(chǎn)生干擾。一種用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定裝置，其特征在于，它包括一法布里-珀羅干 涉儀、一待穩(wěn)定激光器、一穩(wěn)頻激光器、一激光頻率鎖定系統(tǒng)和一法布里-珀羅腔鎖定系 統(tǒng)其中所述法布里-珀羅干涉儀包括一共焦法布里-珀羅腔和一粘接在所述共焦法布 里-珀羅腔的一個側(cè)壁下部的壓電陶瓷；所述激光頻率鎖定系統(tǒng)包括依次設(shè)置在所述待穩(wěn) 定激光器出射光路上的第一光隔離器、分光棱鏡、第一電光晶體、第一偏振分光棱鏡和第一 1/4波片；所述第一偏振分光棱鏡的兩個出光方向上分別設(shè)置有所述第一 1/4波片和第一 光電探測器；所述第一電光晶體的輸入端電連接第一驅(qū)動器的輸出端，所述第一驅(qū)動器的 輸出端還依次電連接第一相移器、第一混頻器、第一伺服器和所述待穩(wěn)定激光器的調(diào)節(jié)端；所述法布里_珀羅腔鎖定系統(tǒng)包括依次設(shè)置在所述穩(wěn)頻激光器的出射光路上的第二光隔 離器、第二電光晶體、第二偏振分光棱鏡和第二 1/4波片；所述第二偏振分光棱鏡的兩個出 光方向上分別設(shè)置所述第二 1/4波片和第二光電探測器；所述第二電光晶體的輸入端電連 接第二驅(qū)動器的輸出端，所述第二驅(qū)動器的輸出端還依次電連接所述第二相移器、第二混 頻器、第二伺服器和壓電陶瓷的調(diào)節(jié)端。所述穩(wěn)頻激光器為偏頻鎖定碘穩(wěn)頻He-Ne激光器。所述法布里-珀羅腔鎖定系統(tǒng)中的第一電光晶體和所述激光頻率鎖定系統(tǒng)中的 第二電光晶體均為相位調(diào)制型電光晶體。所述第一、二電光晶體的相位調(diào)制頻率略大于所述法布里_珀羅干涉儀的線寬。所述第一、二相移器分別對所述第一、二電光晶體的調(diào)制信號進行相位延遲的范 圍為0° 360°。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、由于本發(fā)明采用了偏頻鎖定 碘穩(wěn)頻He-Ne激光器作為法布里_珀羅腔鎖定系統(tǒng)的穩(wěn)頻激光器，因此可以使得待穩(wěn)定激 光器的頻率可溯源至國際米定義基準。2、由于本發(fā)明將待穩(wěn)定激光器的輸出頻率可鎖定 至法布里-珀羅干涉儀的任意共振峰，從而可以使得待穩(wěn)定激光器的輸出頻率大范圍可調(diào) 諧。3、由于本發(fā)明采用兩電光晶體對激光束頻率進行調(diào)制的方法，減小了系統(tǒng)中的光路和 電路噪聲，從而提高了待穩(wěn)定激光器的輸出頻率穩(wěn)定度。本發(fā)明可以廣泛適用于激光精密 計量領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意2是法布里_珀羅干涉儀的工作原理示意3是偏頻鎖定碘穩(wěn)頻He-Ne激光器的工作原理示意4是電光晶體相位調(diào)制的工作原理示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。本發(fā)明方法包括以下步驟1)設(shè)置一用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定裝置，如圖1所示，用于精密計量的激光 頻率穩(wěn)定裝置包括一法布里_珀羅干涉儀1、一待穩(wěn)定激光器2、一穩(wěn)頻激光器3、一法布 里-珀羅腔鎖定系統(tǒng)4和一激光頻率鎖定系統(tǒng)5。其中，穩(wěn)頻激光器3出射的激光經(jīng)法布 里_珀羅腔鎖定系統(tǒng)4射入法布里-珀羅干涉儀1，法布里_珀羅腔鎖定系統(tǒng)4電連接法布 里_珀羅干涉儀1的腔長控制端。待穩(wěn)定激光器2出射的激光經(jīng)激光頻率鎖定系統(tǒng)5射入 法布里_珀羅干涉儀1，激光頻率鎖定系統(tǒng)5電連接待穩(wěn)定激光器2的調(diào)節(jié)端。2)法布里_珀羅腔鎖定系統(tǒng)4采用電光晶體頻率調(diào)制的方法，將法布里_珀羅干 涉儀1的某一級共振峰穩(wěn)定至穩(wěn)頻激光器3的輸出激光頻率。由于法布里_珀羅干涉儀1 的共振峰的特點是頻率范圍內(nèi)均勻分布，其相鄰峰間隔稱為自由光譜范圍，各個共振峰的 位置和間隔由其腔長唯一決定。因此，只要法布里-珀羅干涉儀1的一個共振峰被鎖定，其 他的共振峰都會穩(wěn)定，腔長也會穩(wěn)定。
3)激光頻率鎖定系統(tǒng)5采用電光晶體頻率調(diào)制的方法，將待穩(wěn)定激光器2的激光 頻率穩(wěn)定至步驟2)中法布里-珀羅干涉儀的某一共振峰。4)選擇不同的法布里-珀羅干涉儀1的共振峰，重復步驟(3)，將待穩(wěn)定激光器2 的輸出頻率穩(wěn)定至法布里-珀羅干涉儀1其它的共振峰，從而可以實現(xiàn)激光器頻率的大范 圍調(diào)諧。上述步驟2)、3)和4)中，為了使待穩(wěn)定激光器2的輸出頻率穩(wěn)定，需要控制法布 里_珀羅干涉儀1的溫度維持穩(wěn)定，并防止外界的機械振動而產(chǎn)生干擾。如圖1、圖2所示，用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定裝置中的法布里-珀羅干涉儀1 包括一共焦法布里_珀羅腔11和一壓電陶瓷12，共焦法布里_珀羅腔11用于選擇不同頻 率的光波，滿足其透過條件的光波頻率透射，其它頻率的光波反射。壓電陶瓷12粘接在共 焦法布里-珀羅腔11的一個側(cè)壁下部，用于擠壓共焦法布里-珀羅腔11的一個側(cè)壁，從而 調(diào)節(jié)共焦法布里_珀羅腔11的腔長。本實施例中，共焦法布里_珀羅腔11是利用其對不 同頻率光波的選擇透過性，對于某一頻率的光波入射法布里-珀羅干涉儀，其入射光場可 表示為Einc = E0eiut (1)由共焦法布里_珀羅腔11反射的光場可表示為Eref = Eiei0Jt (2)則共焦法布里_珀羅腔11的復反射系數(shù)可表示為
權(quán)利要求
1.一種用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定方法，其特征在于包括以下步驟1)設(shè)置一包括法布里_珀羅干涉儀、待穩(wěn)定激光器、穩(wěn)頻激光器、法布里_珀羅腔鎖定 系統(tǒng)和激光頻率鎖定系統(tǒng)的用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定裝置；其中，穩(wěn)頻激光器出射的 激光經(jīng)法布里_珀羅腔鎖定系統(tǒng)射入法布里_珀羅干涉儀，法布里_珀羅腔鎖定系統(tǒng)電連 接法布里_珀羅干涉儀的腔長控制端；待穩(wěn)定激光器出射的激光經(jīng)激光頻率鎖定系統(tǒng)射入 法布里_珀羅干涉儀，激光頻率鎖定系統(tǒng)電連接待穩(wěn)定激光器的調(diào)節(jié)端；2)法布里_珀羅腔鎖定系統(tǒng)采用電光晶體頻率調(diào)制的方法，將法布里_珀羅干涉儀的 某一級共振峰穩(wěn)定至穩(wěn)頻激光器的輸出激光頻率；3)激光頻率鎖定系統(tǒng)采用電光晶體頻率調(diào)制的方法，將待穩(wěn)定激光器的輸出激光頻率 穩(wěn)定至步驟2)中法布里-珀羅干涉儀的某一共振峰；4)選擇不同的法布里_珀羅干涉儀的共振峰，重復步驟3)，將待穩(wěn)定激光器的輸出頻 率穩(wěn)定至法布里_珀羅干涉儀的其它共振峰，以實現(xiàn)激光器頻率的大范圍調(diào)諧。
2.如權(quán)利要求1所述的用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定方法，其特征在于所述穩(wěn)頻激 光器采用偏頻鎖定碘穩(wěn)頻He-Ne激光器。
3.如權(quán)利要求1所述的用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定方法，其特征在于所述步驟2)、 3)和4)中，控制法布里-珀羅干涉儀的溫度穩(wěn)定，并防止外界的機械振動產(chǎn)生干擾。
4.實現(xiàn)如權(quán)利要求1或2或3所述方法的一種用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定裝置，其 特征在于，它包括一法布里-珀羅干涉儀、一待穩(wěn)定激光器、一穩(wěn)頻激光器、一激光頻率鎖 定系統(tǒng)和一法布里_珀羅腔鎖定系統(tǒng)其中所述法布里_珀羅干涉儀包括一共焦法布里_珀羅腔和一粘接在所述共焦法布里_珀 羅腔的一個側(cè)壁下部的壓電陶瓷；所述激光頻率鎖定系統(tǒng)包括依次設(shè)置在所述待穩(wěn)定激光器出射光路上的第一光隔離 器、分光棱鏡、第一電光晶體、第一偏振分光棱鏡和第一 1/4波片；所述第一偏振分光棱鏡 的兩個出光方向上分別設(shè)置有所述第一 1/4波片和第一光電探測器；所述第一電光晶體的 輸入端電連接第一驅(qū)動器的輸出端，所述第一驅(qū)動器的輸出端還依次電連接第一相移器、 第一混頻器、第一伺服器和所述待穩(wěn)定激光器的調(diào)節(jié)端；所述法布里_珀羅腔鎖定系統(tǒng)包括依次設(shè)置在所述穩(wěn)頻激光器的出射光路上的第二 光隔離器、第二電光晶體、第二偏振分光棱鏡和第二 1/4波片；所述第二偏振分光棱鏡的兩 個出光方向上分別設(shè)置所述第二 1/4波片和第二光電探測器；所述第二電光晶體的輸入端 電連接第二驅(qū)動器的輸出端，所述第二驅(qū)動器的輸出端還依次電連接所述第二相移器、第 二混頻器、第二伺服器和壓電陶瓷的調(diào)節(jié)端。
5.如權(quán)利要求4所述的用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定裝置，其特征在于所述穩(wěn)頻激 光器為偏頻鎖定碘穩(wěn)頻He-Ne激光器。
6.如權(quán)利要求4所述的用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定裝置，其特征在于所述法布 里-珀羅腔鎖定系統(tǒng)中的第一電光晶體和所述激光頻率鎖定系統(tǒng)中的第二電光晶體均為 相位調(diào)制型電光晶體。
7.如權(quán)利要求5所述的用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定裝置，其特征在于所述法布 里-珀羅腔鎖定系統(tǒng)中的第一電光晶體和所述激光頻率鎖定系統(tǒng)中的第二電光晶體均為 相位調(diào)制型電光晶體。
8.如權(quán)利要求4或5或6或7所述的用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定裝置，其特征在于 所述第一、二電光晶體的相位調(diào)制頻率略大于所述法布里_珀羅干涉儀的線寬。
9.如權(quán)利要求4或5或6或7所述的用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定裝置，其特征在于 所述第一、二相移器分別對所述第一、二電光晶體的調(diào)制信號進行相位延遲的范圍為0° 360°。
10.如權(quán)利要求8所述的用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定裝置，其特征在于所述第一、 二相移器分別對所述第一、二電光晶體的調(diào)制信號進行相位延遲的范圍為0° 360°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定方法及裝置，其包括以下步驟1)設(shè)置一包括法布里-珀羅干涉儀、待穩(wěn)定激光器、穩(wěn)頻激光器、法布里-珀羅腔鎖定系統(tǒng)和激光頻率鎖定系統(tǒng)的用于精密計量的激光頻率穩(wěn)定裝置；2)法布里-珀羅腔鎖定系統(tǒng)采用電光晶體頻率調(diào)制的方法，將法布里-珀羅干涉儀的某一級共振峰穩(wěn)定至穩(wěn)頻激光器的輸出激光頻率；3)激光頻率鎖定系統(tǒng)采用電光晶體頻率調(diào)制的方法，將待穩(wěn)定激光器的輸出激光頻率穩(wěn)定至步驟2)中法布里-珀羅干涉儀的某一共振峰；4)選擇不同的法布里-珀羅干涉儀的共振峰，重復步驟3)，將待穩(wěn)定激光器的輸出頻率穩(wěn)定至法布里-珀羅干涉儀的其它共振峰，實現(xiàn)激光器頻率的大范圍調(diào)諧。本發(fā)明具有可溯源、頻率穩(wěn)定度高以及頻率調(diào)諧范圍大的優(yōu)點，可以廣泛適用于激光精密計量領(lǐng)域。
文檔編號H01S3/13GK102005693SQ20101051161
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月11日
發(fā)明者吳學健, 尉昊赟, 張繼濤, 李巖 申請人:清華大學