阅读说明：本技术 一种高稳定法布里-珀罗腔装置及其应用的激光输出系统 (High-stability Fabry-Perot cavity device and laser output system applying same ) 是由 周月婷 郭松杰 周晓彬 田建飞 赵刚 马维光 于 2020-05-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高稳定法布里-珀罗腔装置,包括有法布里-珀罗腔体、真空室、壳体,法布里-珀罗腔体内设置有平面反射镜、凹面反射镜,真空室罩设于法布里-珀罗腔体外,在真空室两端设有密封法兰窗片,真空室通过抽气支管连接分子泵,分子泵法对法布里-珀罗腔体、真空室与密封法兰窗片构成抽的空间进行抽真空,壳体套设于真空室外,在壳体外表面设置有半导体制冷片,半导体制冷片连接有水冷机。本发明采用膨胀系数在10<Sup>-6</Sup>k<Sup>-1</Sup>微晶玻璃制成法布里-珀罗腔,对其进行温度控制,并使其处于真空环境中,降低激光频率噪声,提高激光频率稳定性,同时使用PDH技术,压窄激光线宽,获得高稳定性、复现性、窄线宽宽等优点的632.8nm频率参考及激光。(The invention discloses a high-stability Fabry-Perot cavity device, which comprises a Fabry-Perot cavity, a vacuum chamber and a shell, wherein a plane reflector and a concave reflector are arranged in the Fabry-Perot cavity, the vacuum chamber is covered outside the Fabry-Perot cavity, sealing flange window sheets are arranged at two ends of the vacuum chamber, the vacuum chamber is connected with a molecular pump through an air exhaust branch pipe, the molecular pump is used for vacuumizing a pumped space formed by the Fabry-Perot cavity, the vacuum chamber and the sealing flange window sheets, the shell is sleeved outside the vacuum chamber, a semiconductor refrigerating sheet is arranged on the outer surface of the shell, and a semiconductor system is arranged on the outer surface ofThe cold plate is connected with a water cooler. The invention adopts the expansion coefficient of 10 ‑6 k ‑1 The microcrystalline glass is made into a Fabry-Perot cavity, the temperature of the Fabry-Perot cavity is controlled, the Fabry-Perot cavity is positioned in a vacuum environment, the laser frequency noise is reduced, the laser frequency stability is improved, meanwhile, the laser line width is narrowed by using a PDH technology, and 632.8nm frequency reference and laser with the advantages of high stability, reproducibility, narrow line width, wide line width and the like are obtained.)

一种高稳定法布里-珀罗腔装置及其应用的激光输出系统

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种高稳定法布里-珀罗腔装置及其应用的激光输出系统。

背景技术

从年美国物理学家梅曼制成第一台红宝石激光器以来,激光器已经具有年的发展历史，到今天为止，激光器的种类已经多种多样。与普通光源相比，激光具有很好的单色性，线宽比较窄。自由运转的激光器依然无法满足一些对线宽和频率稳定度要求更高的研究领域，比如激光测距、光频标准、引力波探测、精密测量等。因此，需要进一步研制窄线宽、高频率稳定度的激光源。

人们采用一些被动措施来降低激光频率噪声，如对激光器进行温度控制和隔离机械振动，使激光器运行更加稳定，有效提高了激光频率稳定性。通过使用主动稳频技术可以有效压窄激光线宽。具体方法有两种，一种是利用原子跃迁谱线中心频率作为频率参考，例如饱和吸收稳频，另一种是利用外部频率标准作为频率参考，例如把F-P腔的共振频率作为频率参考，再结合Pound-Drever-HallPDH技术进行稳频。任何一种稳频方法都需要频率参考，频率参考的基本要求是高稳定性、复现性、较窄的光谱线宽等，所以选择合适的频率参考将直接影响稳频效果。

现有的输出中心波长为632.8nm的激光器，自由运转状态下输出激光线宽大于1MHz，无法满足一些对线宽和频率稳定度要求更高的研究领域，比如激光测距、光频标准、引力波探测、精密测量等。因此需要采用一些被动措施与主动稳频技术来有效压窄激光线宽。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足，提供了一种高稳定法布里-珀罗腔装置及其应用的激光输出系统，获得高稳定性、复现性、较窄的光谱线宽等优点的632.8nm频率参考及激光。

为实现本发明目的而提供的一种高稳定法布里-珀罗腔装置，包括有法布里-珀罗腔体、真空室、壳体，在所述法布里-珀罗腔体内设置有贯穿法布里-珀罗腔体的光通道，所述光通道沿其中心轴线的两端分别设有尺寸相同的平面反射镜、凹面反射镜，所述真空室罩设于所述法布里-珀罗腔体外，在所述真空室两端开口设置有密封法兰窗片，在所述真空室上设有抽气支管，所述抽气支管连接有分子泵，所述分子泵用以对法布里-珀罗腔体、真空室与密封法兰窗片构成的空间进行抽真空，所述真空室外表面设置有热敏电阻，所述热敏电阻电连接有温度温度控制器，所述壳体贴合套设于所述真空室外表面，所述壳体与所述真空室贴合处设有导热硅脂层，在所述壳体外表面设置有半导体制冷片，所述半导体制冷片两端通过水冷头连接有水冷机，所述半导体制冷片电连接温度控制器。

作为上述方案的进一步改进，所述法布里-珀罗腔体为长度100mm、直径50mm的中空圆柱体，由膨胀系数10^-6k^-1的微晶玻璃制成。

作为上述方案的进一步改进，所述平面反射镜、凹面反射镜由熔融石英制成，直径25mm，厚度6.35.mm，所述凹面反射镜的凹面曲率半径为1000mm，所述平面反射镜、凹面反射镜相对面侧设有高反射膜，另一侧设有增透膜，所述高反射膜在632nm处的0°反射率为99.9885.％，偏差在正负0.0035％之间，所述增透膜在632nm处的0°透射率约为0.01％，精细度为27000，线宽为55KHz。

作为上述方案的进一步改进，所述密封法兰窗片由石英玻璃制成，窗片两面均镀有632.8nm激光增透膜。

作为上述方案的进一步改进，所述壳体外两端设有固定壳体上下两部分的框架，所述框架为方形。

作为上述方案的进一步改进，所述半导体制冷片有两片，分别设置于壳体上下两端，额定电压为12V，额定电流为2A，所述半导体制冷片电连接的温度控制器额定功率为250W

为实现本发明目的而提供的一种应用高稳定法布里-珀罗腔装置的激光输出系统，包括PDH频率锁定装置及光路装置，所述PDH频率锁定装置，包括有调制解调单元，伺服控制单元，高压放大器单元、示波器，所述光路装置包括输出632.8nm激光的激光器与激光出射光路上依次设置的光纤分束器、光隔离器、二分之一波片、凸透镜、偏振分束棱镜、四分之一波片及末端的高稳定法布里-珀罗腔装置，所述偏振分束棱镜与所述四分之一波片构成环形器提取腔前镜的反射光信号，所述凸透镜焦距为500mm，所述高稳定法布里-珀罗腔装置两端分别设置有第一光电探测器，第二光电探测器。

作为上述方案的进一步改进，所述激光器为输出632.8nm激光的外腔光栅反馈半导体激光器，波长调谐范围约为6nm，自由运转状态下输出激光线宽约1MHz，无跳模调谐范围大于5GHz，输出功率30mW。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明提供的一种高稳定法布里-珀罗腔装置激光系统，在使用时，通过真空室隔离法布里-珀罗腔，从而避免法布里-珀罗腔因外界空气流动，环境温度变化、声音和机械引起的振动引起腔长发生微小的变化从而影响频率锁定效果，在此基础上接近真空的环境气体极为稀少，热传递效率大大降低，但是法布里-珀罗腔对温度极其敏感，为了进一步避免环境温度对法布里-珀罗腔的影响，设置了铝金属材料壳体及金属材料壳体表面设置的制冷片对整个真空室进行温度控制。以获得高稳定性、复现性、较窄的光谱线宽等优点的632.8nm频率参考及激光。

以下结合附图对本发明的

具体实施方式

作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明中法布里-珀罗腔装置的结构示意图；

图2为本发明中法布里-珀罗腔装置的真空室结构示意图；

图3为本发明中法布里-珀罗腔装置的示意图；

图4为本发明应用一种高稳定法布里-珀罗腔装置的激光输出系统的流程图；

图5为本发明激光输出系统的频率锁定性能评估统计图；

图6为本发明频率锁定后连续小时的频率漂移图。

具体实施方式

如图1-6图所示，本发明提供的一种高稳定法布里-珀罗腔装置，一种高稳定法布里-珀罗腔装置，其特征在于：包括有法布里-珀罗腔体1、真空室2、壳体3，在所述法布里-珀罗腔体1内设置有贯穿法布里-珀罗腔体1的光通道4，所述光通道4沿其中心轴线的两端分别设有尺寸相同的平面反射镜5、凹面反射镜6，所述真空室2罩设于所述法布里-珀罗腔体1外，在所述真空室2两端开口设置有密封法兰窗片13，在所述真空室2上设有抽气支管7，所述抽气支管7连接有分子泵8，所述分子泵8用以对法布里-珀罗腔体1、真空室2与密封法兰窗片13构成的空间进行抽真空，所述真空室2外表面设置有热敏电阻9，所述热敏电阻9电连接有温度温度控制器10，所述壳体3贴合套设于所述真空室2外表面，所述壳体3与所述真空室2贴合处设有导热硅脂层，在所述壳体3外表面设置有半导体制冷片11，所述半导体制冷片11两端通过水冷头12连接有水冷机14，所述半导体制冷片11电连接温度控制器10。

一种应用高稳定法布里-珀罗腔装置的激光输出系统，包括PDH频率锁定装置及光路装置，PDH频率锁定装置，包括有调制解调单元15，伺服控制单元16，高压放大器单元17、示波器18，光路装置包括输出632.8nm激光的激光器19与激光出射光路上依次设置的光纤分束器20、光隔离器21、二分之一波片22、凸透镜23、偏振分束棱镜24、四分之一波片25及末端的高稳定法布里-珀罗腔装置，偏振分束棱镜24与四分之一波片25构成环形器提取腔前镜的反射光信号，高稳定法布里-珀罗腔装置两端分别设置有第一光电探测器26，第二光电探测器27。

本系统在使用的时候，由波长调谐范围约为6nm，自由运转状态下输出激光线宽约1MHz，无跳模调谐范围大于5GHz，输出功率30mW的外腔光栅反馈半导体激光器19输出632.8nm激光，激光经光纤分束器20分为两束，一束直接输出使用，另一束经过用来降低高稳定法布里-珀罗腔装置反射光对激光器19反馈的光隔离器21，再经过二分之一波片22使激光高效通过偏振分束棱镜24，同时二分之一波片22与偏振分束棱镜24之间设置的焦距为500mm的凸透镜23完成激光到高稳定法布里-珀罗腔装置的模式匹配，由偏振分束棱镜24和四分之一波片25构成环形器来提取腔前镜的反射光信号，之后激光进入高稳定法布里-珀罗腔装置，激光透过设置在真空室2上，由石英玻璃制成，两面均镀有632.8nm激光增透膜的密封法兰窗片13，进入法布里-珀罗腔体1，依次穿过直径为25mm，厚度6.35mm，镜体两侧分别镀有高反射膜、增透膜的平面反射镜5和设置在法布里-珀罗腔体1内的光通道4，从设置于光通道4末端的凹面反射镜6透出。真空室2由不锈钢材料制成，套设于法布里-珀罗腔体1外，法布里-珀罗腔体1为长度100mm、直径50mm的中空圆柱形，由膨胀系数在10^-6k^-1的微晶玻璃制成，光通道4为贯穿法布里-珀罗腔体1的圆柱形空间，沿光通道中心轴线的两端分别设有尺寸相同的平面反射镜5、凹面反射镜6，镜体两侧均分别镀有高反射膜、增透膜，两反射镜相对面设有高反射膜，另一侧设有增透膜，凹面反射镜6的凹面曲率半径为1000mm，高反射膜在632nm处的0°反射率为99.9885％，偏差在正负0.0035％之间，增透膜在632nm处的0°透射率约为0.01％，精细度为27000，线宽为55KHz。

与此同时启动分子泵8，通过真空室2上设置的抽气支管7，对法布里-珀罗腔体1、真空室2与密封法兰窗片13构成的空间进行抽真空，制造尽可能真空的环境，避免法布里-珀罗腔体1因外界空气流动，环境温度变化、声音和机械引起的振动引起腔体长度发生微小的变化从而影响频率锁定效果。

与此同时，由真空室2外表面上设置的热敏电阻9实时监测真空室2温度，反馈给电连接的额定功率为250W的温度控制器10，真空室2外表面贴合设置有方形的壳体3，真空室2与壳体3的贴合面上设有导热硅脂层，提高两者之间的传递效率，壳体3由对称的可拆卸的上、下两部分组成，使用时通过方形的框架28进行固定，再通过壳体3上下两端，设置的两片方形半导体制冷片11，以及通过水冷头12连接半导体制冷片11的水冷机14，起到控制和调整温度作用，使真空室3温度恒定。半导体制冷片11的额定电压为12V，额定电流2A，水冷机14的制冷量为150W。

通过第一光电探测器26探测法布里-珀罗腔前镜的反射光，第二光电探测器27探测透射光，使用示波器18实时监测频率锁定状态。PDH频率锁定装置中的调制解调单元15输出18MHz的正弦波输入到外腔光栅反馈半导体激光器19的电流交流端口，对激光频率进行调整，第一光电探测器将26输出的信号送回到调制解调单元15，通过调节合适的相位得到信噪比最优的频率锁定误差信号，误差信号送入伺服控制单元16，积分部分经过高压放大器单元17后送给激光器19的PZT输入口，低通部分送给DC-C输入口，完成宽带宽的频率反馈控制。

在此之后通过实验对输出激光的线宽进行了测试，在对激光器19未进行锁定时，通过调制解调单元15解调第一光电探测器26测得的光强信号，得到了PDH误差信号，所得到的误差信号的峰值幅度为0.34V，对应光频率约等于腔膜线宽55kHz，在零电压偏置处PDH误差信号幅度对频率的响应为55kHz/0.34V，即160kHz/V，在对激光进行锁定后，再次获得误差信号，对此时的误差信号的幅度进行高斯拟合，带入160kHz/V可以计算出高斯函数半宽为7.3kHz，得到的激光线宽约为12.4kHz，远小于激光器19自由运转状态下输出激光线宽1MHz，如5图为激光输出系统的频率锁定性能评估统计图，对扫描状态下的误差信号以及锁定后误差信号的频率分布进行了统计。由6图所示，在频率锁定后，进行了连续小时的频率漂移监测。由此证明了该系统压窄激光输出线宽具有显著的效果。

以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。