CN104409963A - 一种窄线宽长时频率稳定的染料激光器及其稳频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄线宽长时频率稳定的染料激光器，包括：参考用激光发生器、染料激光器、参考腔、偏振分束器、传输腔、光探测器、数据采集卡、处理器、信号加法器和函数发生器。本发明染料激光器通过结合两种稳频方法生成窄线宽长时频率稳定的染料激光束，其线宽为200kHz，频率长时漂移小于±2MHz。本发明电路设计简单，实现方便，可扩展性强。本发明还提出了一种染料激光器的稳频方法，适用于提高任意染料激光器的频率长时稳定性。

Description

一种窄线宽长时频率稳定的染料激光器及其稳频方法

技术领域

本发明属于激光器技术领域，尤其设计一种窄线宽长时频率稳定的染料激光器及其稳频方法。

背景技术

自从激光器的出现以来，由于很多实验以及场合需要使用频率稳定度很高的激光，所以激光器的稳频技术一直是人们关注的技术之一。目前人们已经发展了很多种不同原理的激光稳频技术，例如原子分子饱和吸收稳频技术，PDH稳频技术等等。其中饱和吸收稳频技术只能将激光器稳定在特定的原子、分子的吸收线上，可以实现激光频率的长时稳定；而PDH稳频技术需要使用高精细度的稳定腔体作为稳频的媒介，可以实现对激光线宽进行压窄。

染料激光器是一种以染料为增益介质的激光器，它以在很宽的波段内可连续调谐的优点在很多的领域中都有着广泛的应用，例如原子分子物理领域，医疗领域等等。虽然结构复杂的环形染料激光器可以输出单或者多纵模激光，但是还是存在着长时频率漂移大的缺点，而且没有反馈控制时，输出激光的线宽可以达到几十MHz。目前染料激光器通常采用了PDH的稳频方式将染料激光锁定在了相对稳定的参考腔上，这使得染料激光器的线宽得到压窄，短时间频率稳定度得到了提高，但是长时频率漂移仍未解决。染料激光器还可以直接锁定到碘分子或者原子的跃迁谱线上，激光的长时漂移得到的解决，但是输出激光的线宽没有得到压窄，而且在锁定条件下输出激光波长不能连续调谐。

为了解决现有技术中染料激光器无法同时保持窄线宽和长时频率稳定的技术问题，本发明提出了一种全新的窄线宽长时频率稳定的染料激光器及其稳频方法，使得染料激光器的频率长时漂移和激光线宽得到了控制。

发明内容

本发明提出了一种窄线宽长时频率稳定的染料激光器，包括：参考用激光发生器、染料激光器、参考腔、偏振分束器、传输腔、光探测器、数据采集卡、处理器、信号加法器和函数发生器；所述参考用激光发生器输出的参考用激光束输入所述偏振分束器，所述染料激光器输出的染料激光束输入所述参考腔，所述参考腔用于压窄所述染料激光束的线宽，所述参考腔的输出正对于所述偏振分束器的输入，所述偏振分束器的输出正对于所述传输腔的输入，所述传输腔的输出正对于所述光探测器的采样端，所述光探测器与所述数据采集卡的模拟输入端建立连接，所述数据采集卡的PCI端口与所述处理器连接，所述数据采集卡的输出端分别与所述参考腔和所述信号加法器的输入连接，所述函数发生器与所述信号加法器的输入连接，向所述信号加法器输出函数信号，所述信号加法器根据所述函数电压向所述传输腔施加三角波扫描电压，所述数据采集卡采集所述光电探测器的探测到的参考用激光和染料激光的透射峰信号，所述处理器测得所述参考用激光束和所述染料激光束的透射峰数据；所述数据采集卡输出偏置电压信号至所述信号加法器的输入端以锁定参考用激光束的透射峰位置，同时所述数据采集卡根据透射峰数据输出负反馈电压传输至所述参考腔的压电陶瓷上，在所述参考腔内形成负反馈控制回路，用于将所述参考用激光束频率长时稳定性传输至所述染料激光束，本发明通过结合上述两种稳频方法使所述参考腔输出窄线宽长时频率稳定的染料激光束。

本发明提出的所述窄线宽长时频率稳定的染料激光器中，所述参考用激光发生器包括参考用激光器、光隔离器、第一半波片、第一反射镜、第二反射镜；所述参考用激光器输出的参考用激光束输入所述光隔离器，所述光隔离器的输出正对于所述第一半波片，所述第一半波片输出正对于所述第一反射镜，所述第一反射镜的输出经过所述第二反射镜的反射将所述参考用激光束输入所述偏振分束器。

本发明提出的所述窄线宽长时频率稳定的染料激光器中，染料激光器包括染料激光泵浦单元、环形腔、第二半波片和半透半反镜；所述染料激光泵浦单元输出的染料激光束输入所述环形腔，所述环形腔的输出正对于所述参考腔的输入，所述参考腔的输出透过所述第二半波片输入所述半透半反镜，所述半透半反镜将部分染料激光束反射至所述偏振分束器，另一部分染料激光束用于透射输出。

本发明提出的所述窄线宽长时频率稳定的染料激光器中，所述处理器配置基于Labview的程序，用于探测所述参考用激光束和所述染料激光束的透射峰和计算负反馈电压。

本发明提出的所述窄线宽长时频率稳定的染料激光器中，所述传输腔为法布里-波罗腔。

本发明提出了一种染料激光器的稳频方法，通过结合两种稳频方法生成窄线宽长时频率稳定的染料激光束，其主要包括如下步骤：

步骤一：将输出的参考用激光束和染料激光束合束并输入传输腔，在所述传输腔的压电陶瓷上施加三角波扫描电压，经扫描后的所述参考用激光束和所述染料激光束输入光探测器；

步骤二：利用数据采集卡采集所述光探测器的电压输出采样信号，所述采样信号传输至处理器；

步骤三：所述处理器探测所述采样信号中所述参考用激光束和所述染料激光束的透射峰数据，根据所述透射峰数据计算所述参考用激光束的透射峰与触发时刻之间的距离并使用PI算法生成偏置电压信号；

步骤四：所述数据采集卡将所述偏置电压信号传输至所述信号加法器的输入端，使得所述参考用激光束的透射峰的位置得到锁定；

步骤五：所述处理器计算所述参考用激光束和所述染料激光束的透射峰之间的距离经过PI算法后生成负反馈电压值；

步骤六：所述数据采集卡根据所述负反馈电压值生成相应的负反馈电压施加在所述参考腔的压电陶瓷上，在所述参考腔内形成负反馈控制回路，用于保持所述染料激光束的长时频率稳定。

本发明提出的所述染料激光器的稳频方法中，所述步骤三中利用PI算法获得的偏置电压信号以如下公式表示：

V₁＝p₁e_1(t)+I₁∑e_1(t)

其中p₁为比例参数，I₁为积分参数，e_1(t)为误差信号，V₁为偏置电压信号的电压值。

本发明提出的所述染料激光器的稳频方法中，所述步骤五中利用PI算法获得的负反馈电压值以如下公式表示：

V₂＝p₂e_2(t)+I₂∑e_2(t)

其中p₂为比例参数，I₂为积分参数，e_2(t)为误差信号，V₂为负反馈电压值。

本发明提出的所述染料激光器的稳频方法中，所述步骤四和所述步骤五之间进一步包括：所述数据采集卡输出0.35V的电压值于所述参考腔的压电陶瓷上。

本发明的有益效果在于：本发明染料激光器首先将染料激光器锁定到一个稳定的参考腔上，再将参考光源的频率稳定性通过传输腔传递到了染料激光器上，从而使得染料激光器的频率长时漂移和激光线宽得到了控制，线宽为200kHz，频率长时漂移小于±2MHz。本发明原理简单，实现方便，可扩展性强。

附图说明

图1是本发明窄线宽长时频率稳定的染料激光器的结构图。

图2是传输腔内透射峰信号的波形图。

图3是长时漂移锁定后激光频率稳定性的波形图。

图4是锁定在参考腔上的激光频率稳定性的波形图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

如图1所示，窄线宽长时频率稳定的染料激光器包括：参考用激光发生器、染料激光器、参考腔13、偏振分束器6、传输腔7、光探测器8、数据采集卡9、处理器10、信号加法器16和函数发生器17；

参考用激光发生器包括参考用激光器1、光隔离器2、第一半波片3、第一反射镜4、第二反射镜5；参考用激光器1输出的参考用激光束输入光隔离器2，光隔离器2的输出正对于第一半波片3，第一半波片3输出正对于第一反射镜4，第一反射镜4的输出经过第二反射镜5的反射将参考用激光束输入偏振分束器6。

染料激光器包括染料激光泵浦单元11、环形腔12、第二半波片14和半透半反镜15；染料激光泵浦单元11输出的染料激光束输入环形腔12，环形腔的输出正对于参考腔13的输入，参考腔13的输出透过第二半波片14输入半透半反镜15，半透半反镜15将部分染料激光束反射至偏振分束器6，另一部分染料激光束用于透射输出。偏振分束器6将反射的染料激光束与参考用激光束合束后输入传输腔7中。

参考腔13用于压窄染料激光束的线宽，参考腔13的输出正对于偏振分束器6的输入，偏振分束器6的输出正对于传输腔7的输入，传输腔7的输出正对于光探测器8的采样端，光探测器8与数据采集卡9的输入端建立连接，数据采集卡9的PCI端口与处理器10连接，数据采集卡9的输出端分别与参考腔13和信号加法器16的输入连接。

函数发生器17与信号加法器16的输入连接，向信号加法器16输出函数信号，信号加法器16根据函数电压向传输腔7施加三角波扫描电压，数据采集卡9采集光电探测器8采集到的透射峰信号，处理器10测得参考用激光束和染料激光束的透射峰数据，数据采集卡9将输出偏置电压信号至信号加法器16将参考用激光束的透射峰的位置锁定，数据采集卡9根据透射峰数据输出负反馈电压传输至参考腔13的压电陶瓷上，在参考腔13内形成负反馈控制回路，将参考用激光束频率长时稳定性传输至染料激光束上，参考腔13输出窄线宽长时频率稳定的染料激光束。

本具体实施例中，染料激光器所使用的传输腔7为Toptica公司的FPI100共焦腔，数据采集卡9为NI公司的PCI-6259多功能数据采集卡，使用的参考用激光器1为Thorlabs公司稳定的HeNe激光器(型号HRS015)，参考腔13为德国Sirah公司生产的PDH参考腔。

本发明***的工作原理如图2所示：本发明利用传输腔7扫描得到染料激光和HeNe激光的透射峰，然后利用Labview编程实现对染料激光和HeNe激光的透射峰的相对位置锁定来实现染料激光器频率的长时稳定。本发明通过先锁定触发到参考用激光的透射峰的距离来抵消外界环境的变化对参考用激光的透射峰位置的影响，然后再锁定参考用激光束透射峰与染料激光束透射峰之间的相对位置(参阅图2的B和C)来将参考用激光的稳定性传递给染料激光，进而使得染料激光的长时漂移得到抑制。具体的实施步骤如下：

步骤一：将输出的参考用激光束和染料激光束合束并输入传输腔，在传输腔7的压电陶瓷上施加三角波扫描电压，经扫描后的参考用激光束和染料激光束输入光探测器8。其中，通过调节第一半波片3或者第二半波片14使得参考用激光束的透射峰的峰值大于染料激光的透射峰的峰值；

步骤二：利用数据采集卡9采集光探测器8探测到的参考用激光和染料激光的透射峰信号，采样信号传输至处理器10；处理器10将数据采集卡9采集到的光探测器上的采样信号存入到Labview程序中的一个一维数组中，作为用于后续计算的数据；

步骤三：处理器10获得参考用激光束和染料激光束的透射峰数据，根据透射峰数据计算参考用激光束与触发时刻之间的距离以及相应的误差信号的大小，得到如图2中的A的数值和数组的大小E(E为一维数组的大小)，利用比例积分算法选择合适的比例积分参数得到一个负反馈电压作为传输腔7的偏置电压信号，进一步地，将A/E锁定为一个常数(如0.1)；

步骤四：数据采集卡9将偏置电压信号传输至参考腔13，在参考腔13内形成负反馈回路以锁定染料激光束的频率。步骤四和步骤五之间进一步包括：数据采集卡9输出以0.35V的电压值参考腔13，在这个过程中要保证PDH参考腔稳频不失锁。其中，偏置电压信号以如下公式表示：

V₁＝p₁e_1(t)+I₁∑e_1(t)

其中p₁为比例参数的大小，I₁为积分参数的大小，e_1(t)为误差信号的大小，通过PI算法可以得出作用在所述信号加法器16上的偏置电压信号的电压值的大小。

步骤五：处理器10计算参考用激光束和染料激光束的透射峰之间的距离(参见图2中B和C)，利用比例积分算法选择合适的比例积分参数得到一个负反馈电压作为生成负反馈电压值。进一步地，将B/C锁定为一个常数(如0.5)，该锁定点记为D(参见图2)，其数值以α表示。根据锁定点D的大小α和公式λ_S＝n_S/n_M×λ_M×(N_M+α)/N_S可以确定当前锁定的染料激光的波长，其中λ_S为染料激光的波长，λ_M为HeNe激光的波长，n_s为染料激光在空气中折射率，n_M为HeNe激光在空气中的折射率，α＝B/C，N_M和N_S分别为HeNe激光和染料激光的纵模数。

步骤六：数据采集卡9根据负反馈电压值生成相应的负反馈电压施加在参考腔13的压电陶瓷上，在参考腔13内形成负反馈环路保持染料激光束的长时频率稳定。其中，负反馈电压值以如下公式表示：

V₂＝p₂e_2(t)+I₂∑e_2(t)

其中p₂为比例参数的大小，I₂为积分参数的大小，e_2(t)为误差信号的大小，通过PI算法可以得出作用在参考腔13上的负反馈电压值的大小。

参阅图3，图3显示的是长时漂移锁定后激光频率的稳定性波形图，在100分钟内染料激光束频率稳定在±2MHz范围内。其中染料激光束的频率漂移由以下公式得到：

δ＝(B/C-D)×λ_M/λ_S

其中B，C如图2所示，D为锁定点，λ_M和λ_S分别为参考用激光和染料激光的波长。

参阅图4，图4显示的是将染料激光器锁定在参考腔13上的激光频率的稳定性，在100分钟内染料激光的频率漂移了超过100MH。

图3和图4相比可以看出本发明技术方案使得染料激光频率的长期漂移的问题得到了解决。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (9)

1.一种窄线宽长时频率稳定的染料激光器，其特征在于，包括：参考用激光发生器、染料激光器、参考腔(13)、偏振分束器(6)、传输腔(7)、光探测器(8)、数据采集卡(9)、处理器(10)、信号加法器(16)和函数发生器(17)；

所述参考用激光发生器输出的参考用激光束输入所述偏振分束器(6)，所述染料激光器输出的染料激光束输入所述参考腔(13)，所述参考腔(13)用于压窄所述染料激光束的线宽，所述参考腔(13)的输出正对于所述偏振分束器(6)的输入，所述偏振分束器(6)的输出正对于所述传输腔(7)的输入，所述传输腔(7)的输出正对于所述光探测器(8)的采样端，所述光探测器(8)与所述数据采集卡(9)的模拟输入端建立连接，所述数据采集卡(9)的PCI端口与所述处理器(10)连接，所述数据采集卡(9)的输出端分别与所述参考腔(13)和所述信号加法器(16)的输入连接，所述函数发生器(17)与所述信号加法器(16)的输入连接，向所述信号加法器(16)输出函数信号，所述信号加法器(16)根据所述函数电压向所述传输腔(7)施加三角波扫描电压，所述数据采集卡(9)采集所述光电探测器(8)的探测到的参考用激光和染料激光的透射峰信号，所述处理器(10)测得所述参考用激光束和所述染料激光束的透射峰数据；所述数据采集卡(9)输出偏置电压信号至所述信号加法器(16)的输入端以锁定参考用激光束的透射峰位置，同时所述数据采集卡(9)根据透射峰数据输出负反馈电压传输至所述参考腔(13)的压电陶瓷上，在所述参考腔(13)内形成负反馈控制回路，用于将所述参考用激光束频率长时稳定性传输至所述染料激光束，使所述参考腔(13)输出窄线宽长时频率稳定的染料激光束。

2.如权利要求1所述的窄线宽长时频率稳定的染料激光器，其特征在于，所述参考用激光发生器包括参考用激光器(1)、光隔离器(2)、第一半波片(3)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)；所述参考用激光器(1)输出的参考用激光束输入所述光隔离器(2)，所述光隔离器(2)的输出正对于所述第一半波片(3)，所述第一半波片(3)输出正对于所述第一反射镜(4)，所述第一反射镜(4)的输出经过所述第二反射镜(5)的反射将所述参考用激光束输入所述偏振分束器(6)。

3.如权利要求1所述的窄线宽长时频率稳定的染料激光器，其特征在于，染料激光器包括染料激光泵浦单元(11)、环形腔(12)、第二半波片(14)和半透半反镜(15)；所述染料激光泵浦单元(11)输出的染料激光束输入所述环形腔(12)，所述环形腔的输出正对于所述参考腔(13)的输入，所述参考腔(13)的输出透过所述第二半波片(14)输入所述半透半反镜(15)，所述半透半反镜(15)将部分染料激光束反射至所述偏振分束器(6)，另一部分染料激光束用于透射输出。

4.如权利要求1所述的窄线宽长时频率稳定的染料激光器，其特征在于，所述处理器(10)配置基于Labview的程序，用于探测所述参考用激光束和所述染料激光束的透射峰和计算负反馈电压。

5.如权利要求1所述的窄线宽长时频率稳定的染料激光器，其特征在于，所述传输腔(7)为法布里-波罗腔。

6.一种染料激光器的稳频方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将输出的参考用激光束和染料激光束合束并输入传输腔，在所述传输腔(7)的压电陶瓷上施加三角波扫描电压，经扫描后的所述参考用激光束和所述染料激光束输入光探测器(8)；

步骤二：利用数据采集卡(9)采集所述光探测器(8)的电压输出采样信号，所述采样信号传输至处理器(10)；

步骤三：所述处理器(10)探测所述采样信号中所述参考用激光束和所述染料激光束的透射峰数据，根据所述透射峰数据计算所述参考用激光束的透射峰与触发时刻之间的距离并使用PI算法生成偏置电压信号；

步骤四：所述数据采集卡(9)将所述偏置电压信号传输至所述信号加法器(16)的输入端，使得所述参考用激光束的透射峰的位置得到锁定；

步骤五：所述处理器(10)计算所述参考用激光束和所述染料激光束的透射峰之间的距离经过PI算法后生成负反馈电压值；

步骤六：所述数据采集卡(9)根据所述负反馈电压值生成相应的负反馈电压施加在所述参考腔(13)的压电陶瓷上，在所述参考腔(13)内形成负反馈控制回路，用于保持所述染料激光束的长时频率稳定。

7.如权利要求6所述染料激光器的稳频方法，其特征在于，所述步骤三中利用PI算法获得的偏置电压信号以如下公式表示：

V₁＝p₁e_1(t)+I₁∑e_1(t)

其中p₁为比例参数，I₁为积分参数，e_1(t)为误差信号，V₁为偏置电压信号的电压值。

8.如权利要求6所述染料激光器的稳频方法，其特征在于，所述步骤五中利用PI算法获得的负反馈电压值以如下公式表示：

V₂＝p₂e_2(t)+I₂∑e_2(t)

其中p₂为比例参数，I₂为积分参数，e_2(t)为误差信号，V₂为负反馈电压值。

9.如权利要求6所述染料激光器的稳频方法，其特征在于，所述步骤四和所述步骤五之间进一步包括：所述数据采集卡(9)输出0.35V的电压值于所述参考腔(13)的压电陶瓷上。