[其他]用鎖相環實現橫向塞曼激光穩頻

在審

• 申請號: 101985000000283
• 申請日: 1985-04-01
• 公開（公告）號: CN85100283B
• 公開（公告）日: 1987-01-21
• 發明（設計）人: 王楚;沈伯弘;胡義芳;段振華;郭紅;王道憲
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 代理公司: 北京大學專利事務所
• 代理人: 陳美章

鎖相環實現橫向塞曼激光穩頻屬于激光穩頻技術。本發明由于使用了鎖相、鎖頻環路，使光頻的穩定性達５×１０^－１１（０．１ｓｅｃ－１ｓｅｃ）、再現性可達２×１０^－９，且光頻可調諧。其特點是設計了用同一交流信號為參考的鑒頻器、鑒相器，使該系統可以同步調節，又設計了由慢鎖相環路和快鎖相環路組成的伺服環路，使系統能有大的動態范圍，又能跟蹤快速變化。該穩頻激光器便于實施、操作方便，且可做為一般實驗室、車間中的穩頻光源，還能由此開發出多種新型光學儀器。

本發明屬于激光穩頻技術。

近年來國際上Morris與Umeda等人先后研究了橫向塞曼激光器，利用反射鏡的雙折射效應，可使其拍頻調諧曲線呈S形或V形（圖1）。已有的橫向塞曼激光器，是采用鑒頻器組成伺服系統，實現激光穩頻。這種用控溫或壓電陶瓷（PZT）為執行元件的伺服系統，所得到頻率穩定性達3×10^-10（0.1sec～100sec）。由于這類執行元件的時間響應較長，對于外界的快速干擾調節能力不強。僅當開機閉環后15分鐘，才能實現頻率自動穩定，因此難以在一般的實驗室條件下使用。現有鎖頻技術的缺點，限制了頻率穩定性的進一步提高和快速頻率鎖定。

本發明的任務是克服上述缺點，使之既要對慢變化有較強的高速能力，又要對快變化有較強的高速能力，以便實現激光頻率的快速鎖定和進一步提高頻率穩定性，使該穩頻激光器能在一般實驗室里進行高精度的光學測量，適用于各種物理光學儀器設備中。

為實現上述目的，發明了橫向塞曼激光器的拍頻鎖相穩頻技術，可使光頻的穩定性達到5×10^-11（0.1Sec～1Sec），再現性達2×10^-9，尤其是拍頻的穩定性達到晶振的水平。其設計系統如圖2所示，是由參考信號發生器〔1〕、鑒相器〔2〕、鑒頻器〔3〕、相加放大器〔4〕、光電接收器〔5〕、PZT執行元件〔6〕、斜率鑒別裝置〔10〕組成。該系統工作時，由圖2中的〔1〕與〔5〕分別發出參考信號與拍頻信號，經斜率鑒別裝置〔10〕選擇斜率后，同時輸入鑒頻器〔3〕和鑒相器〔2〕，閉合K₂、K₃由相加放大器〔4〕輸出誤差信號，反饋給PZT執行元件〔6〕，調整諧振腔腔長，使激光頻率鎖定在γ〈`;;10ck`〉處。

采用慢環路，快環路共同組成伺服環路（圖3（e））使系統有較快的響應。因本系統的執行元件PZT〔6〕是容性元件，為了保證對慢變化有較大的調整能力，要求控制電壓達400V以上，這使快速響應難以實現，所以采用高輸出阻抗、高輸出電壓的慢環路〔6-3〕;及低輸出阻抗、低輸出電壓的快環路〔6-2〕共同組成伺服環路把快慢環路分別加在PZT〔6〕的兩端解決了這個難題。

另外，通常的鑒頻器以直流電壓為參考，但鑒相器卻要以交流信號的位相為參考，兩者難于統調。因此本發明設計了以交流參考信號頻率為基準的鑒頻器，統一了鑒頻和頻相的參考信號，既可同步調節又使系統操作簡便。

由于國產激光管的拍頻調諧曲線多為V形，對應同一個拍頻f值，會有兩個不同的頻率鎖定點，為解決鎖定點的單值問題，本發明設計了讓參考信號和拍頻信號分別在鑒相器的兩個輸入端輸入，通過雙刀雙擲開關變換參考信號和拍頻信號的輸出端從而改變鑒頻調諧曲線斜率的裝置，用開關K₁選擇斜率的符號，解決頻率的單值問題。

除上述鎖頻、鎖相兩個環路外，再加一個熱伺服環路，進一步提高對慢漂移的調整能力。圖2所示是一實施例。

光電接收器（圖3（a）），是由光電二極管〔5-1〕、前置放大器〔5-2〕組成，經由后置放大器〔5-3〕和D觸發器〔5-4〕構成整形電路。此電路可使拍頻信號為對稱性極好的矩形波，使輸出信號在本系統中有明確的相位定義。

參考信號可用內參考〔1-1〕也可以用外參考〔1-2〕。內參考信號由晶振、數字分頻電路和整形電路組成（圖3（b）），調節預置開關〔1-5〕可獲得所需的頻率。由與非門〔1-6〕組成的選擇電路實現內、外參考信號的切換。