阅读说明：本技术 一种基于差分饱和吸收谱的激光器稳频系统及方法 (Laser frequency stabilization system and method based on differential saturated absorption spectrum ) 是由 孟红玲 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于差分饱和吸收谱的激光器稳频系统及方法,系统包括半导体激光器、第一半波片、第一偏振分束器、第二半波片、第二偏振分束器、分束器、铷泡、第三偏振分束器、光电差分探测器和控制电路。本发明的有益效果：系统科学合理,简单方便,较之现有的激光器稳频系统,本系统模块化清晰,结构更简单,性能更优良,成本更低,由于稳频光工作波段位于近红外所在波段,因此可以为精密测量提供硬件基础,为近红外光的应用起到了推动作用。(The invention discloses a laser frequency stabilization system and method based on a differential saturated absorption spectrum. The invention has the beneficial effects that: compared with the existing frequency stabilizing system of a laser, the frequency stabilizing system has the advantages of clear modularization, simpler structure, better performance and lower cost, and because the working waveband of the frequency stabilizing light is positioned at the waveband of near infrared, the frequency stabilizing light can provide a hardware basis for precision measurement and plays a role in promoting the application of the near infrared light.)

一种基于差分饱和吸收谱的激光器稳频系统及方法

技术领域

本发明涉及激光器稳频系统的技术领域，具体来说，涉及一种基于差分饱和吸收谱的激光器稳频系统及方法。

背景技术

现在随着窄线宽半导体激光二极管制造技术的飞速发展，半导体激光器成为精密测量技术的首选激光光源。但是自由运转的二极管激光器的频率稳定性很差，在采取了温度、电流稳定控制后，其频率仍然存在漂移，这就不能满足精密测量对激光频率的要求，需要采取更进一步的稳频措施。

现有的激光器稳频系统，如传输腔稳频系统是利用一台稳定度高的激光器做参考(例如碘稳频的氦氖激光器)，将参考激光器的激光和待稳激光器(半导体激光器)的激光同时入射到一台扫描的法布里-玻罗干涉仪(传输腔)中，利用光电探测器探测参考激光器的激光经过传输腔后的透射信号及待稳激光器的激光经过传输腔后的透射信号，再采用数据采集卡转换成数字信号后输入到计算机中，通过计算并锁定透射信号中透射峰间距来提高待稳激光器的稳定度。其中，传输腔的腔长由压电陶瓷进行调节，具体可以通过压电陶瓷驱动源输出的锯齿波电压信号调节压电陶瓷的伸缩，由此改变传输腔的长度，达到改变传输腔的谐振频率的目的。这种激光器稳频系统结构复杂，性能也较差，并不能很好的满足激光器的稳频需求

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种基于差分饱和吸收谱的激光器稳频系统，可解决目前半导体激光二极管的激光频谱宽，频率漂移等一系列问题，并且系统的结构简单、成本较低、性能优良。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于差分饱和吸收谱的激光器稳频系统，包括半导体激光器、第一半波片、第一偏振分束器、第二半波片、第二偏振分束器、分束器、铷泡、第三偏振分束器、光电差分探测器和控制电路；

所述半导体激光器在控制电路控制下发出的激光束经过所述第一半波片后进入到所述第一偏振分束器中，经所述第一偏振分束器分束后得到第一光束和第二光束，所述第二光束经过所述第二半波片后进入到所述第二偏振分束器中，经所述第二偏振分束器分束后得到第三光束和第四光束，所述第三光束进入到所述第三偏振分束器中，经所述第三偏振分束器分束后得到第五光束，所述第四光束进入到所述分束器中，经所述分束器分束后得到第六光束和第七光束，所述第五光束与所述第六光束方向相反且二者均进入到所述铷泡中，经所述铷泡叠加后进入到所述光电差分探测器中，所述第七光束经过所述铷泡后进入到所述光电差分探测器中，所述光电差分探测器输出信号至所述控制电路。

进一步地，所述半导体激光器与所述第一半波片之间的光路上设置有准直器。

进一步地，所述准直器与所述第一半波片之间的光路上设置有光隔离器。

进一步地，所述第三光束依次经过第一反射镜和第三反射镜后进入到所述第三偏振分束器。

进一步地，所述第七光束经过所述第二反射镜后进入到所述铷泡中。

本发明还提供了一种基于差分饱和吸收谱的激光器稳频方法，包括以下步骤：

S1将半导体激光器在控制电路控制下发出的激光束经过第一半波片后射入到第一偏振分束器中，以分束成第一光束和第二光束；

S2将所述第一光束用于与原子相互作用，将所述第二光束经过第二半波片后射入到第二偏振分束器中，以分束成第三光束和第四光束；

S3将所述第三光束射入到第三偏振分束器中，以分束成第五光束，将所述第四光束射入到分束器中，以分束成第六光束和第七光束；

S4将所述第五光束与所述第六光束以方向相反的方式射入到铷泡中进行叠加，以得到第一探测光束，将所述第七光束射入到铷泡中，以得到第二探测光束；

S5将所述第一探测光束与所述第二探测光束射入到光电差分探测器中进行差分处理，以得到无噪音的原子饱和吸收谱线；

S6所述控制电路根据所述原子饱和吸收谱线控制所述半导体激光器以使其发出的所述激光束的频率锁定在所述原子饱和吸收谱线的峰值处。

进一步地，在S1中，将所述半导体激光器发出的光依次经过准直器和光隔离器的处理后再传输给所述第一半波片。

进一步地，在S3中，将所述第三光束依次经过第一反射镜和第三反射镜的反射后再射入到所述第三偏振分束器中。

进一步地，在S4中，将所述第七光束经过第二反射镜的反射后再射入到所述铷泡中。

本发明的有益效果：系统科学合理，简单方便，较之现有的激光器稳频系统，本系统模块化清晰，结构更简单，性能更优良，成本更低，由于稳频光工作波段位于近红外所在波段，因此可以为精密测量提供硬件基础，为近红外光的应用起到了推动作用。

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获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的基于差分饱和吸收谱的激光器稳频系统的示意图。

图中：

1、半导体激光器；2、准直器；3、光隔离器；4、第一半波片；5、第一偏振分束器；6、第二半波片；7、第二偏振分束器；8、第一反射镜；9、分束器；10、第二反射镜；11、铷泡；12、第三反射镜；13、第三偏振分束器；14、光电差分探测器。

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，根据本发明实施例所述的一种基于差分饱和吸收谱的激光器稳频系统，包括半导体激光器1、第一半波片4、第一偏振分束器5、第二半波片6、第二偏振分束器7、分束器9、铷泡11、第三偏振分束器13、光电差分探测器14和控制电路；

所述半导体激光器1在控制电路控制下发出的激光束经过所述第一半波片4后进入到所述第一偏振分束器5中，经所述第一偏振分束器5分束后得到第一光束和第二光束，所述第二光束经过所述第二半波片6后进入到所述第二偏振分束器7中，经所述第二偏振分束器7分束后得到第三光束和第四光束，所述第三光束进入到所述第三偏振分束器13中，经所述第三偏振分束器13分束后得到第五光束，所述第四光束进入到所述分束器9中，经所述分束器9分束后得到第六光束和第七光束，所述第五光束与所述第六光束方向相反且二者均进入到所述铷泡11中，经所述铷泡11叠加后进入到所述光电差分探测器14中，所述第七光束经过所述铷泡11后进入到所述光电差分探测器14中，所述光电差分探测器14输出信号至所述控制电路。

在本发明的一个具体实施例中，所述半导体激光器1与所述第一半波片4之间的光路上设置有准直器2。

在本发明的一个具体实施例中，所述准直器2与所述第一半波片4之间的光路上设置有光隔离器3。

在本发明的一个具体实施例中，所述第三光束依次经过第一反射镜8和第三反射镜12后进入到所述第三偏振分束器13。

在本发明的一个具体实施例中，所述第七光束经过所述第二反射镜10后进入到所述铷泡11中。

本发明还提供了一种基于差分饱和吸收谱的激光器稳频方法，包括以下步骤：

S1将半导体激光器1在控制电路控制下发出的激光束经过第一半波片4后射入到第一偏振分束器5中，以分束成第一光束和第二光束；

S2将所述第一光束用于与原子相互作用，将所述第二光束经过第二半波片6后射入到第二偏振分束器7中，以分束成第三光束和第四光束；

S3将所述第三光束射入到第三偏振分束器13中，以分束成第五光束，将所述第四光束射入到分束器9中，以分束成第六光束和第七光束；

S4将所述第五光束与所述第六光束以方向相反的方式射入到铷泡11中进行叠加，以得到第一探测光束，将所述第七光束射入到铷泡11中，以得到第二探测光束；

S5将所述第一探测光束与所述第二探测光束射入到光电差分探测器14中进行差分处理，以得到无噪音的原子饱和吸收谱线；

S6所述控制电路根据所述原子饱和吸收谱线控制所述半导体激光器1以使其发出的所述激光束的频率锁定在所述原子饱和吸收谱线的峰值处。

在本发明的一个具体实施例中，在S1中，将所述半导体激光器1发出的光依次经过准直器2和光隔离器3的处理后再传输给所述第一半波片4。

在本发明的一个具体实施例中，在S3中，将所述第三光束依次经过第一反射镜8和第三反射镜12的反射后再射入到所述第三偏振分束器13中。

在本发明的一个具体实施例中，在S4中，将所述第七光束经过第二反射镜10的反射后再射入到所述铷泡11中。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

本发明一种紧凑型基于差分饱和吸收谱的激光器稳频系统，包括半导体激光器1、准直器2、光隔离器3、半波片、偏振分束器（PBS）、反射镜、分束器（BS）9、铷泡11、光电差分探测器（PD）14和控制电路。

半导体激光器1用于发射激光束，其型号为Photodigm PH795DBR080T8。

准直器2的型号为Thorlabs C230TMD-8。光隔离器3的型号为Thorlabs IOT-5-780-VLP。光电探测器的型号为Thorlabs PDB210A/M。

半波片包括第一半波片4和第二半波片6。偏振分束器包括第一偏振分束器5、第二偏振分束器7和第三偏振分束器13。反射镜包括第一反射镜8、第二反射镜10和第三反射镜12。

控制电路包括MCU模块、无源滤波器和驱动电路；MCU模块用于输出PWM信号，并通过调节PWM信号的占空比控制输出电压值，无源滤波器用于将PWM信号转化为直流电压，无源滤波器的输出端连接驱动电路，驱动电路用于驱动半导体激光器1发光，光电差分探测器14将采集到光信号转化为电信号，MCU模块根据该电信号调节PWM信号的占空比。

所谓饱和吸收光谱，就是用单色光作光抽运，将激光频率调谐在原子跃迁频率上，处于基态的原子将吸收光子跃迁到激发态。激光强度增大时，激发态的原子数增多。但当激光强度进一步增大以至饱和时，上下能级的原子数目达到平衡，基态的原子不再因吸收光子跃迁到激发态而减少。从而使原子的一个跃迁达到饱和以引起能级布局的非线性变化，使吸收不再比例于入射光的强度，从而实现高分辨光谱。

具体使用时，半导体激光器1发出的激光束经过准直器2校准之后，输入到光隔离器3中，以防止激光束返回到半导体激光器1中，从而有效避免了半导体激光器1的损坏。从光隔离器3中输出的激光束在经过第一半波片4之后进入第一偏振分束器5中。激光束经过第一偏振分束器5后分成第一光束和第二光束射出，第一光束（即图1中水平向左的光束）用于与原子相互作用，第二光束（即图1中竖直向下的光束）用于稳频。第二光束经过第二半波片6之后进入第二偏振分束器7中，第二光束经过第二偏振分束器7后分成第三光束和第四光束射出，第三光束被反射镜1和反射镜3反射后进入第三偏振分束器13中。第三光束经过第三偏振分束器13后形成第五光束射出，第五光束进入铷泡11中。该第五光束被称为泵浦光且强度较高。第四光束经过分束器9后分成第六光束和第七光束射出，该第六光束和第七光束都被称为探测光且强度较弱。第六光束进入到铷泡11中，第七光束经过反射镜2反射后沿另一光路进入到铷泡11中。该铷泡11被设置在分束器9和第三偏振分束器13之间，使得第六光束和第五光束以相反的两个方向射入到铷泡11中，从而使铷泡11中的处于基态的原子吸收光子后跃迁到激发态。当第五光束的激光强度增大时，激发态的原子数增多，但当激光强度进一步增大以至饱和时，上下能级的原子数目达到平衡，基态的原子不再因吸收光子跃迁到激发态。第六光束将不再被吸收而出现饱和吸收谱线，该谱线反应了原子精细结构能级的位置。

原子谱线原本是多普勒加宽的谱线，是由于各种不同速度的原子的吸收或发射的大量很窄谱线的集合。当光场与原子系统作用时，光波只与和它谐振的那部分原子相互作用。如果此时光场是由相反方向传播的两个激光束组成，激光束在两个方向上传输的分量将同时和轴向速度为零的原子相互作用，从而可以得到无多普勒饱和吸收光谱。

在本实施例中，第五光束和第六光束是相反方向传播的两束激光，从而第五光束和第六光束在各自方向上传输的分量将同时和轴向速度为零的原子相互作用，从而得到无多普勒饱和吸收光谱。

第六光束与第五光束在铷泡11叠加后获得第一探测光束，第一探测光束射入到光电差分探测器14中，第七光束经过铷泡11后获得第二探测光束，第二探测光束也射入到光电差分探测器14中。由于进入光电差分探测器14中的第一探测光束和第二探测光束都具有噪音成分，因此光电差分探测器14在对第一探测光束和第二探测光束进行差分之后，能够消除第一探测光束和第二探测光束中的噪音成分，从而得到无噪音的原子饱和吸收谱线。

经过光电差分探测器14之后能够显示原子饱和吸收谱线。当激光频率偏离原子的中心频率时，在原子的速度分布中分别出现与谱线中心对称的两个吸收谱。当激光的频率调谐至原子的中心频率时，两个吸收谱将重叠。光电差分探测器14输出的信号被反馈到半导体激光器1的控制电路中（未示出），控制电路将半导体激光器1的频率锁定在原子饱和吸收谱线的峰值上，也就是将激光的频率调节至原子的中心频率。

综上，借助于本发明的上述技术方案，系统科学合理，简单方便，较之现有的激光器稳频系统，本系统模块化清晰，结构更简单，性能更优良，成本更低，由于稳频光工作波段位于近红外所在波段，因此可以为精密测量提供硬件基础，为近红外光的应用起到了推动作用，本系统将半导体激光器、准直器、光隔离器、半波片、偏振分束器、反射镜、分束器、铷泡、光电差分探测器等器件集成在一个装置中，使用方便、器件紧凑、体积小。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。