專利名稱：Dds聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種激光器的波長(zhǎng)鎖定技術(shù)，特別是DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定裝置和波長(zhǎng) 鎖定方法。
背景技術(shù)：
在通訊、工業(yè)和科研的很多領(lǐng)域，都需要精確鎖定激光器波長(zhǎng)。通常都將可調(diào)諧激光器 的輸出鎖定在某種原子蒸汽的譜線上，例如鈉，銣，銦，碘等。 一般通過鎖相放大的方法將 激光器鎖定在光譜的峰上。首先，將激光器的輸出波長(zhǎng)進(jìn)行聲頻調(diào)制，激光透過原子蒸汽時(shí) 的吸收譜線上也將疊加上調(diào)制信號(hào)。然后通過鎖相放大技術(shù)，檢出激光波長(zhǎng)與原子譜線之間 的誤差，通過反饋電路反饋控制激光器，使得激光器的輸出波長(zhǎng)始終穩(wěn)定在原子譜線上。
傳統(tǒng)的波長(zhǎng)鎖定方法需要對(duì)激光器的諧振腔進(jìn)行調(diào)制，使得激光輸出波長(zhǎng)隨之發(fā)生調(diào)制。 這樣鎖定波長(zhǎng)之后，激光器的輸出始終包含聲頻調(diào)制，為了獲得較窄的激光線寬，只能減小 調(diào)制幅度。與此同時(shí)，激光波長(zhǎng)與原子譜線之間的誤差信號(hào)幅度也較小，使得鎖定不夠穩(wěn)定。 在對(duì)激光線寬要求較高時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)激光線寬與鎖定穩(wěn)定性之間的矛盾。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型為了解決激光線寬與鎖定穩(wěn)定性之間的這個(gè)矛盾，目的是提供一種基于直接 數(shù)字合成(DDS)的聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定技術(shù)，用來取代傳統(tǒng)的激光腔調(diào)制波長(zhǎng)鎖定技術(shù)。
本實(shí)用新型提供一種基于直接數(shù)字合成(DDS)的聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定技術(shù)。在傳統(tǒng)方法 對(duì)激光器的諧振腔進(jìn)行調(diào)制的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)聲光調(diào)制器和一個(gè)凸透鏡，即可實(shí)現(xiàn)。光路 簡(jiǎn)潔，易于調(diào)整，增加成本不多；卻能夠顯著壓窄激光線寬，并且獲得足夠的誤差信號(hào)幅度 以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖頻；另外，選擇不同的聲光驅(qū)動(dòng)頻率，可以方便地調(diào)節(jié)激光輸出波長(zhǎng)與原子譜 線波長(zhǎng)的差，還可以實(shí)現(xiàn)頻率掃描，比直接鎖在原子譜線上靈活。因?yàn)椴捎肈DS聲光調(diào)制器， 使用數(shù)字控制，便于同數(shù)字工控設(shè)備協(xié)同工作。
本實(shí)用新型提供激光器的波長(zhǎng)鎖定技術(shù)，包括DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定裝置和波長(zhǎng)鎖定 方法。
本實(shí)用新型提供DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定裝置，(參見附圖1)主要由激光器1、分束器2、 聲光調(diào)制器3、 DDS聲光驅(qū)動(dòng)器4、偏振分束器5、凸透鏡6、四分之一波片7、反射鏡8、 原子蒸汽池9、光電探測(cè)器10和鎖相放大器11組成，通過激光光路連接，構(gòu)成DDS聲光調(diào) 制波長(zhǎng)鎖定裝置的整體，其中鎖相放大器11通過同軸電纜分別與光電探測(cè)器10、 DDS聲光驅(qū)動(dòng)器4和激光器1相連接，DDS聲光驅(qū)動(dòng)器4通過同軸電纜與聲光調(diào)制器3相連接。
本實(shí)用新型提供DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定裝置，使用了 DDS聲光調(diào)制器以及調(diào)制補(bǔ)償光 路；所述的激光器1是待鎖定的可調(diào)諧激光器；所述的分束器2將激光器1輸出的激光分出 一部分進(jìn)入聲光調(diào)制器3;所述的聲光調(diào)制器3將輸入的激光進(jìn)行調(diào)制，分成'0'級(jí)和'l' 級(jí)輸出激光；所述的DDS聲光驅(qū)動(dòng)器4用射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器3，其輸出頻率等于聲光 調(diào)制器3中的聲子頻率；所述的偏振分束器5按照偏振方向讓激光透射或者反射；所述的凸 透鏡6距離聲光調(diào)制器3的光程等于凸透鏡6的焦距，從聲光調(diào)制器3射出的激光通過凸透 鏡6后都變成平行光；補(bǔ)償聲光調(diào)制器3輸出的'l'級(jí)激光因?yàn)椴煌恼{(diào)制頻率引起的偏轉(zhuǎn) 角的變化；使得'l'級(jí)激光始終可以被反射鏡8垂直反射，并原路返回，形成入射光和反射 光同光路反方向傳播，在原子蒸汽池9中產(chǎn)生飽和吸收效應(yīng)；所述的四分之一波片7將從偏 振分束器5射來的水平線偏振激光變成左旋圓偏振，并將從反射鏡8反射回來的右旋圓偏振 的反射激光變成豎直線偏振；所述的反射鏡8將從偏振分束器5反射來的激光垂直地反射回 去；所述的原子蒸汽池9裝了用來觀測(cè)原子譜線的原子蒸汽；與原子譜線共振的激光在原子 蒸汽池9中將會(huì)被吸收，對(duì)射的兩束激光在原子蒸汽池9內(nèi)會(huì)出現(xiàn)飽和吸收效應(yīng)；所述的光 電探測(cè)器10放置在凸透鏡6的焦點(diǎn)處，觀測(cè)透過原子蒸汽池9的激光，將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電 信號(hào)；所述的鎖相放大器11將調(diào)制信號(hào)送入DDS聲光驅(qū)動(dòng)器4，通過鎖相放大技術(shù)檢出激 光波長(zhǎng)與原子譜線之間的誤差，并將此誤差反饋給激光器1。
本實(shí)用新型所述的聲光調(diào)制器3的輸出'0'級(jí)和'l'級(jí)激光，'0'級(jí)輸出激光頻率和 方向都不變，'l'級(jí)輸出激光頻率增加一個(gè)聲子頻率，方向偏轉(zhuǎn)且偏轉(zhuǎn)角的正切為聲子頻率 與激光頻率之比。
本實(shí)用新型所述的從聲光調(diào)制器3輸出的激光在偏振分束器5上反射，從反射鏡8反射 回來的激光在偏振分束器5上透射。
本實(shí)用新型DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定裝置的波長(zhǎng)鎖定方法是激光器1出射的激光經(jīng)過分 束器2，大部分透射輸出，小部分反射至聲光調(diào)制器3。 DDS聲光驅(qū)動(dòng)器4通過同軸電纜連 接至聲光調(diào)制器3，驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器3工作。聲光調(diào)制器3發(fā)射出'0'級(jí)和級(jí)激光。 聲光調(diào)制器3出射的'l'級(jí)激光射至偏振分束器5，被完全反射至凸透鏡6激光依次透過凸 透鏡6和原子蒸汽池9后，通過四分之一波片7變成左旋圓偏振光，再由反射鏡8垂直反射， 原路返回。激光反向透過四分之一波片7時(shí)，變成豎直線偏振光，并反向透射過原子蒸汽池 9，與正向射來的激光形成對(duì)射，產(chǎn)生飽和吸收效應(yīng)，獲得消多普勒展寬的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)的 光譜。激光反向透射過原子蒸汽池9后再透過凸透鏡6進(jìn)入偏振分束器5，因?yàn)槠竦木壒剩厣浼す鈱⑼耆高^偏振分束器5，并射入光電探測(cè)器10轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電探測(cè)器10通 過同軸電纜將電信號(hào)送入鎖相放大器11。鎖相放大器11將調(diào)制信號(hào)通過同軸電纜送入DDS 聲光驅(qū)動(dòng)器4，并將處理后的誤差信號(hào)通過同軸電纜反饋給激光器1。
本實(shí)用新型所述的激光器1是待鎖定的輸出波長(zhǎng)可調(diào)諧的激光器，受到外部電壓信號(hào)的 控制，改變其諧振腔的特性，可在一定范圍內(nèi)調(diào)諧輸出激光的波長(zhǎng)。
本實(shí)用新型所述的分束器2，是一種可將激光分成兩束的光學(xué)元件，較強(qiáng)的一束作為輸 出，較弱的一束作為探測(cè)光，用來檢測(cè)激光波長(zhǎng)。
本實(shí)用新型所述的聲光調(diào)制器3，通過換能器將輸入的驅(qū)動(dòng)射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成為超聲波， 施加在聲光晶體上，形成聲學(xué)光柵。入射的激光通過光柵后將發(fā)生衍射。'0'級(jí)衍射光波長(zhǎng) 和傳輸方向不變；'l'級(jí)衍射光頻率增加一個(gè)聲子頻率，方向偏轉(zhuǎn)且偏轉(zhuǎn)角的正切為聲子頻 率與激光頻率之比。本實(shí)用新型利用'l'級(jí)衍射光。
本實(shí)用新型所述的DDS聲光驅(qū)動(dòng)器4，直接使用全數(shù)字的方式直接合成所需的頻率和幅 度的波形，再放大功率驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器3。接受鎖相放大器ll的調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行同步的變頻。 通過這種方式在激光的原子吸收光譜上疊加上鎖相放大器11的調(diào)制信號(hào)。
本實(shí)用新型所述的偏振分束器5，可使水平偏振的激光完全透射，豎直偏振的激光完全 反射。
本實(shí)用新型所述的凸透鏡6，使得任何通過其焦點(diǎn)的光變成平行其主軸的光。 本實(shí)用新型所述的四分之一波片7，放置成長(zhǎng)軸與水平方向成45度，可將水平線偏振的
激光變成左旋圓偏振，同時(shí)也可以將反向傳輸?shù)赜倚龍A偏振光變成豎直線偏振光。
本實(shí)用新型所述的反射鏡8，將入射的激光垂直地原路反射回去，并且左旋圓偏振變成
右旋圓偏振。
本實(shí)用新型所述的原子蒸汽池9，是一個(gè)玻璃制成的空泡，內(nèi)部充有用于觀測(cè)原子譜線 的氣體。
本實(shí)用新型所述的光電探測(cè)器10，使用光電二極管構(gòu)成，可以將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 射入的光越強(qiáng)，電信號(hào)也越強(qiáng)。
本實(shí)用新型所述的鎖相放大器ll，是一種通用的低噪聲檢測(cè)儀器。它將調(diào)制信號(hào)加入到 待測(cè)信號(hào)中去，然后通過相關(guān)檢測(cè)將與調(diào)制信號(hào)同步的信號(hào)解調(diào)出來。這種工作機(jī)理使得它 可以檢測(cè)強(qiáng)噪聲環(huán)境下的微弱交流信號(hào)的強(qiáng)度和相位。在本實(shí)用新型中，當(dāng)探測(cè)光的波長(zhǎng)比 原子躍遷譜線長(zhǎng)時(shí)，鎖相放大器ll輸出電壓為正，使得激光器l輸出波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)； 當(dāng)探測(cè)光的波長(zhǎng)比原子躍遷譜線短時(shí)，鎖相放大器ll輸出電壓為負(fù)，使得激光器l輸出波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。通過這種反饋使得探測(cè)光波長(zhǎng)穩(wěn)定在原子躍遷譜線上。
本實(shí)用新型所提供的DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定技術(shù)的機(jī)理是將激光器1的輸出分出一小
部分作為探測(cè)光，使用DDS聲光驅(qū)動(dòng)器4驅(qū)動(dòng)的聲光調(diào)制器3對(duì)探測(cè)光進(jìn)行調(diào)頻，該調(diào)頻與 鎖相放大器ll的調(diào)制信號(hào)同步。對(duì)調(diào)頻之后的探測(cè)光做原子蒸汽池9的飽和吸收光譜，并由 放置于一倍焦距處的凸透鏡6補(bǔ)償聲光調(diào)制器3調(diào)頻時(shí)產(chǎn)生的探測(cè)光的角度偏轉(zhuǎn)。經(jīng)飽和吸 收的探測(cè)光進(jìn)入光電探測(cè)器10轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由與之相連的鎖相放大器11作鎖相放大處 理，產(chǎn)生探測(cè)光波長(zhǎng)與原子吸收譜線之間的誤差信號(hào)。用該誤差信號(hào)反饋到激光器1補(bǔ)償激 光器的波長(zhǎng)漂移。
本實(shí)用新型所提供的DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定技術(shù)不直接調(diào)制激光器的輸出波長(zhǎng)，因此能 夠顯著壓窄激光器的輸出激光線寬；能夠獲得足夠的誤差信號(hào)幅度以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖頻；光路簡(jiǎn) 潔，易于調(diào)整，增加成本不多；選擇不同的聲光驅(qū)動(dòng)頻率，可以方便地調(diào)節(jié)激光輸出波長(zhǎng)與 原子譜線頻率的差，還可以實(shí)現(xiàn)頻率掃描，比直接鎖在原子譜線上靈活；采用DDS聲光調(diào)制 器，鎖定的頻率穩(wěn)定性好，優(yōu)于一般的壓控振蕩器；采用數(shù)字式調(diào)頻，靈活方便，便于同數(shù) 字工控設(shè)備協(xié)同工作。

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附圖1是DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定裝置的示意圖具體實(shí)施方式
實(shí)施實(shí)例1:
參見附圖l， DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定的裝置主要由激光器1、分束器2、聲光調(diào)制器3、 DDS聲光驅(qū)動(dòng)器4、偏振分束器5、凸透鏡6、四分之一波片7、反射鏡8、原子蒸汽池9、 光電探測(cè)器10和鎖相放大器11組成。
所述的激光器1是待鎖定的可調(diào)諧激光器；本實(shí)施實(shí)例使用的是一臺(tái)Sachar公司生產(chǎn)的 Lynx型外腔式半導(dǎo)體激光器。輸出功率約150mW，輸出波長(zhǎng)范圍為776nm到795nm，中心 波長(zhǎng)設(shè)置在780.1nm，連續(xù)可調(diào)協(xié)范圍大于20GHz。在連續(xù)調(diào)諧范圍內(nèi)，該激光器可通過外 部控制電壓來調(diào)諧輸出激光波長(zhǎng)，電壓升高向短波方向移動(dòng)，電壓降低向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。
所述的分束器2將激光器1輸出的激光分出約lmW進(jìn)入聲光調(diào)制器3。
所述的聲光調(diào)制器3將輸入的激光進(jìn)行調(diào)制，并分成'0'級(jí)和'1'級(jí)輸出激光。'0' 級(jí)輸出激光頻率方向都不變，'r級(jí)輸出激光頻率增加一個(gè)聲子頻率，方向偏轉(zhuǎn)且偏轉(zhuǎn)角的 正切為聲子頻率與激光頻率之比。本實(shí)用新型使用的是Crystal Technology公司的3080—122 型聲光調(diào)制器。所述的DDS聲光驅(qū)動(dòng)器4用射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器3，其輸出頻率等于聲光調(diào)制器3 中的聲子頻率。本實(shí)施實(shí)例的DDS聲光驅(qū)動(dòng)器，其輸出中心頻率為72MHz，調(diào)頻幅度為2MHz。 當(dāng)鎖相放大器11的調(diào)制信號(hào)為高電平時(shí)，DDS聲光驅(qū)動(dòng)器4的輸出為74MHz;當(dāng)鎖相放大 器11的調(diào)制信號(hào)為低電平時(shí)，DDS聲光驅(qū)動(dòng)器4的輸出為70MHz。
所述的偏振分束器5可以按照偏振方向讓激光透射或者反射。從聲光調(diào)制器3輸出的激 光將在偏振分束器5上反射，而從反射鏡8反射回來的激光將在偏振分束器5上透射。
所述的凸透鏡6距離聲光調(diào)制器3的光程剛好等于凸透鏡6的焦距，從聲光調(diào)制器3射 出的激光通過凸透鏡6后都將變成平行光。這樣就能補(bǔ)償聲光調(diào)制器3輸出的'l'級(jí)激光因 為不同的調(diào)制頻率引起的偏轉(zhuǎn)角的變化。使得'l'級(jí)激光始終可以被反射鏡8垂直反射，并 原路返回，形成入射光和反射光同光路反方向傳播，在原子蒸汽池9中產(chǎn)生飽和吸收效應(yīng)。
所述的四分之一波片7將從偏振分束器5射來的水平線偏振激光變成左旋圓偏振，并將 從反射鏡8反射回來的右旋圓偏振的反射激光變成豎直線偏振。
所述的反射鏡8將從偏振分束器5反射來的激光垂直地反射回去。
所述的原子蒸汽池9裝了用來觀測(cè)原子譜線的稀薄的銣蒸氣。對(duì)射的兩束激光在原子蒸 汽池9內(nèi)會(huì)出現(xiàn)飽和吸收效應(yīng)，能獲得消多普勒展寬的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)的光譜。銣原子的D2 躍遷在780.1nm處，超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)的自然線寬為6MHz。
所述的光電探測(cè)器10也放置在凸透鏡6的焦點(diǎn)處，觀測(cè)透過原子蒸汽池9的激光，將光 強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。本實(shí)施實(shí)例使用的硅光電二極管作為光電探測(cè)器10。
所述的鎖相放大器11將調(diào)制信號(hào)送入DDS聲光驅(qū)動(dòng)器4，通過鎖相放大技術(shù)檢出激光 波長(zhǎng)與原子譜線之間的誤差，并將此誤差反饋給激光器1。鎖相放大器11調(diào)制頻率為lOKHz， 調(diào)制波形為方波。
權(quán)利要求1、一種DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定裝置，主要由激光器(1)、分束器(2)、聲光調(diào)制器(3)、DDS聲光驅(qū)動(dòng)器(4)、偏振分束器(5)、凸透鏡(6)、四分之一波片(7)、反射鏡(8)、原子蒸汽池(9)、光電探測(cè)器(10)和鎖相放大器(11)組成，其特征是通過激光光路連接，構(gòu)成DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定裝置的整體，其中鎖相放大器(11)通過同軸電纜分別與光電探測(cè)器(10)、DDS聲光驅(qū)動(dòng)器(4)和激光器(1)相連接，DDS聲光驅(qū)動(dòng)器(4)通過同軸電纜與聲光調(diào)制器(3)相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定裝置，其特征是所述裝置使用了 DDS 調(diào)制器以及調(diào)制補(bǔ)償光路；所述的激光器(1)是待鎖定的可調(diào)諧激光器；所述的激光光 路連接是激光器(1)輸出的激光進(jìn)入分束器(2)，分束器(2)分出部分進(jìn)入聲光調(diào) 制器(3);所述的凸透鏡(6)距離聲光調(diào)制器(3)的光程等于凸透鏡(6)的焦距；所述的光電探測(cè)器(10)放置在凸透鏡(6)的焦點(diǎn)處。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定裝置,其特征是:所述的四分之一波片(7)， 放置成長(zhǎng)軸與水平方向成45度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定裝置，其特征是原子蒸汽池(9)，是一 個(gè)玻璃制成的空泡，內(nèi)部充有用于觀測(cè)原子譜線的氣體。
專利摘要一種DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定裝置。主要由激光器(1)、分束器(2)、聲光調(diào)制器(3)、DDS聲光驅(qū)動(dòng)器(4)、偏振分束器(5)、凸透鏡(6)、四分之一波片(7)、反射鏡(8)、原子蒸汽池(9)、光電探測(cè)器(10)和鎖相放大器(11)組成，通過激光光路連接，構(gòu)成DDS聲光調(diào)制波長(zhǎng)鎖定裝置的整體，其中鎖相放大器(11)分別與光電探測(cè)器(10)、DDS聲光驅(qū)動(dòng)器(4)和激光器(1)相連接，DDS聲光驅(qū)動(dòng)器(4)與聲光調(diào)制器(3)相連接。光路簡(jiǎn)潔，易于調(diào)整，采用DDS聲光調(diào)制器，鎖定的頻率穩(wěn)定性好，優(yōu)于一般的壓控振蕩器。
文檔編號(hào)H01S3/13GK201332215SQ200820169618
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2008年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月2日
發(fā)明者璋 張, 徐云飛, 強(qiáng) 林, 王兆英 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)