[其他]用锁相环实现横向塞曼激光稳频

说明书

锁相环实现横向塞曼激光稳频属于激光稳频技术。本发明由于使用了锁相、锁频环路，使光频的稳定性达５×１０^－１１（０．１ｓｅｃ－１ｓｅｃ）、再现性可达２×１０^－９，且光频可调谐。其特点是设计了用同一交流信号为参考的鉴频器、鉴相器，使该系统可以同步调节，又设计了由慢锁相环路和快锁相环路组成的伺服环路，使系统能有大的动态范围，又能跟踪快速变化。该稳频激光器便于实施、操作方便，且可做为一般实验室、车间中的稳频光源，还能由此开发出多种新型光学仪器。

本发明属于激光稳频技术。

近年来国际上Morris与Umeda等人先后研究了横向塞曼激光器，利用反射镜的双折射效应，可使其拍频调谐曲线呈S形或V形（图1）。已有的横向塞曼激光器，是采用鉴频器组成伺服系统，实现激光稳频。这种用控温或压电陶瓷（PZT）为执行元件的伺服系统，所得到频率稳定性达3×10^-10（0.1sec～100sec）。由于这类执行元件的时间响应较长，对于外界的快速干扰调节能力不强。仅当开机闭环后15分钟，才能实现频率自动稳定，因此难以在一般的实验室条件下使用。现有锁频技术的缺点，限制了频率稳定性的进一步提高和快速频率锁定。

本发明的任务是克服上述缺点，使之既要对慢变化有较强的高速能力，又要对快变化有较强的高速能力，以便实现激光频率的快速锁定和进一步提高频率稳定性，使该稳频激光器能在一般实验室里进行高精度的光学测量，适用于各种物理光学仪器设备中。

为实现上述目的，发明了横向塞曼激光器的拍频锁相稳频技术，可使光频的稳定性达到5×10^-11（0.1Sec～1Sec），再现性达2×10^-9，尤其是拍频的稳定性达到晶振的水平。其设计系统如图2所示，是由参考信号发生器〔1〕、鉴相器〔2〕、鉴频器〔3〕、相加放大器〔4〕、光电接收器〔5〕、PZT执行元件〔6〕、斜率鉴别装置〔10〕组成。该系统工作时，由图2中的〔1〕与〔5〕分别发出参考信号与拍频信号，经斜率鉴别装置〔10〕选择斜率后，同时输入鉴频器〔3〕和鉴相器〔2〕，闭合K₂、K₃由相加放大器〔4〕输出误差信号，反馈给PZT执行元件〔6〕，调整谐振腔腔长，使激光频率锁定在γ〈`;;10ck`〉处。

采用慢环路，快环路共同组成伺服环路（图3（e））使系统有较快的响应。因本系统的执行元件PZT〔6〕是容性元件，为了保证对慢变化有较大的调整能力，要求控制电压达400V以上，这使快速响应难以实现，所以采用高输出阻抗、高输出电压的慢环路〔6-3〕;及低输出阻抗、低输出电压的快环路〔6-2〕共同组成伺服环路把快慢环路分别加在PZT〔6〕的两端解决了这个难题。

另外，通常的鉴频器以直流电压为参考，但鉴相器却要以交流信号的位相为参考，两者难于统调。因此本发明设计了以交流参考信号频率为基准的鉴频器，统一了鉴频和频相的参考信号，既可同步调节又使系统操作简便。

由于国产激光管的拍频调谐曲线多为V形，对应同一个拍频f值，会有两个不同的频率锁定点，为解决锁定点的单值问题，本发明设计了让参考信号和拍频信号分别在鉴相器的两个输入端输入，通过双刀双掷开关变换参考信号和拍频信号的输出端从而改变鉴频调谐曲线斜率的装置，用开关K₁选择斜率的符号，解决频率的单值问题。

除上述锁频、锁相两个环路外，再加一个热伺服环路，进一步提高对慢漂移的调整能力。图2所示是一实施例。

光电接收器（图3（a）），是由光电二极管〔5-1〕、前置放大器〔5-2〕组成，经由后置放大器〔5-3〕和D触发器〔5-4〕构成整形电路。此电路可使拍频信号为对称性极好的矩形波，使输出信号在本系统中有明确的相位定义。

参考信号可用内参考〔1-1〕也可以用外参考〔1-2〕。内参考信号由晶振、数字分频电路和整形电路组成（图3（b）），调节预置开关〔1-5〕可获得所需的频率。由与非门〔1-6〕组成的选择电路实现内、外参考信号的切换。