[发明专利]一种小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统及方法

说明书

本发明公开了一种小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统及方法。本发明采用双激光器结构，尺寸为50mm×25mm×20mm；成本低，在6000元人民币量级；采用VCSEL激光器控制频率，通过电流调制(调制频率连续可调)可调出两个边带，即可做到在两倍10GHz的大范围内连续调谐频率，调制信号线宽为赫兹量级，激光线宽为兆赫兹量级，调制信号对激光线宽的增宽可忽略；通过改变调制信号频率就能对激光器进行调谐且不影响其稳定性；单模激光器输出功率高，成本低，易获得；整个激光器系统由零温漂微晶玻璃实现，可靠性高；本发明的方法可以广泛应用在激光精密测量、原子钟、原子干涉仪以及超冷原子实验技术研究等基础研究和精密测量技术领域。

技术领域

本发明涉及光电子技术，具体涉及一种小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统及方法。

背景技术

在原子干涉仪、原子重力仪、原子陀螺仪以及原子、分子操控的基础实验研究中，稳频激光器是不可或缺的装置，此类激光器需要具有以下特性：1.具有GHz调谐范围且可锁定在调谐范围内所有频点；2.相对频率稳定性优于10^-10；3.输出功率百毫瓦量级。

通常，稳频激光器可锁定在光学谐振腔基准或原子、分子频率基准上。光学谐振腔受温度变化和应力释放影响，相对漂移可能大于10^-10；锁定在原子、分子频率基准上的稳频激光器只能锁定在几个固定共振频率点，需要使用外置的调制器辅助完成调谐，例如声光调制器、电光调制器等。

满足上述应用的现有小型化激光器解决方案有：1.外腔半导体激光器，此类激光器结构复杂，受温度和震动影响较大，易失锁，可靠性低，成本在16000元人民币量级，尺寸在150mm×100mm×120mm量级；2.DFB激光器，DFB激光器线宽在兆赫兹量级，所以不需要外腔进一步压缩线宽，受震动影响较小，可靠性好，成本在23000元人民币量级，尺寸在40mm×40mm×70mm量级。这两种激光器都不能独立实现调谐范围内所有频点可锁定。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统及方法，此激光器系统尺寸为50mm×25mm×20mm，成本为6000元人民币量级，能在其调谐范围内任意频率点锁定，频率稳定性优于10^-10，且输出功率可达到百毫瓦量级。

本发明的一个目的在于提出一种小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统。

本发明的小型化低成本大频率调谐范围稳频激光器系统包括：调制信号、垂直腔面发射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)激光器、单模激光器、光纤、原子气室、光电探测器以及第一至第四分光镜片；其中，调制信号加载在VCSEL激光器的电源上，对VCSEL激光器的电流进行调制，从而输出种子光，种子光具有一个载波和两个边带，载波和边带的频率差等于调制信号的频率；VCSEL激光器输出的种子光经过第一分光镜片分成两束，反射光束经过透镜耦合进光纤，透射光束穿过自由空间，两束光束在第二分光镜片合束，由于具有光程差而形成自差拍频信号，将种子光的线宽从百兆赫兹量级压缩至兆赫兹量级；合束光经第二分光镜片分成两束，一束光透过第三分光镜片作为泵浦光进入原子气室，利用原子气室自身的后窗片反射光作为探测光，原子气室内产生饱和吸收光谱，此饱和吸收光谱在原子共振频点及原子共振频点加上调制信号频率的频点上都有透射峰；探测光沿原路返回再次经过第三分光镜片反射进入光电探测器，光电探测器探测饱和吸收光谱，得到透射峰的位置，反馈给VCSEL激光器的电源，进行激光中心频率锁定，饱和吸收光谱的透射峰处都能进行激光中心频率锁定；经第二分光镜片的另一束光经第四分光镜片反射后进入单模激光器，对单模激光器进行注入锁定，通过调节单模激光器的温度和电流进行选模，使单模激光器的频率等于VCSEL激光器的载波的频率，抑制所有其他模式；单模激光器输出选模后的激光，透过第四分光镜片输出激光。