[发明专利]一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统

说明书

本发明公布了一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统，该系统利用高精度波长和声光调制器分别对激光器频率进行闭环反馈控制，先用计算机及PID控制单元对激光输出频率进行粗略的控制，再通过声光调制器对激光频率将其偏移一定的频率并进行快速准确的控制，接着与光学频率梳进行拍频，对激光频率进行高精度、高稳定的锁定。最后，将激光器频率调谐稳定后的激光作为抽运激光应用于SERF磁强计装置，可保证激光抽运碱金属原子的长期稳定性能，从而提高SERF磁强计磁场测量的检测灵敏度。本发明利用光学频率梳实现了激光器频率长期高精度、高稳定的锁定，并通过构建的双闭环反馈控制可实现对激光器频率进行快速、准确调制。

技术领域

本发明涉及半导体激光器稳频领域，具体涉及一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统。

背景技术

半导体激光器具有体积小、效率高、线宽窄等优点，已被公认为原子物理实验中的理想光源。随着半导体激光器技术的快速发展，以及半导体激光器本身性能的不断提高，半导体激光广泛地应用于量子光学、量子传感、高精度计量学、激光光谱及高精密测量的实验系统中，诸如激光冷却与俘获、原子干涉测量、原子钟或光学时钟等。稳定的激光频率是这些实验系统的最重要的要求之一。在这些系统中，为了减小半导体激光器输出激光的频率漂移，通常将半导体激光频率锁定在某一稳定的参考频率标准上，以期获得长期频率稳定的激光源。

常见的半导体激光器稳频方法有以吸收谱线作为频率参考的饱和吸收稳频技术、以法布里-珀罗(FP)腔作为频率参考的PDH稳频技术。饱和吸收稳频技术可以实现较高的长期稳定度，但是存在稳定度极限并对半导体激光器的波长有一定的限制。PDH技术可以实现较高的短期频率稳定度，但是由于频率稳定度与腔长的稳定性有关，所以易受环境干扰而导致频率长期稳定度不高。随着掺杂光纤工艺和电子技术的迅速发展，光学频率梳产品日趋成熟，并广泛应用在精密光谱测量、光纤通信和引力波探测等领域，成为激光稳频中常用的稳频激光器。

在无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free,SERF)磁强计装置中，半导体激光器对原子自旋的光抽运是实现超高灵敏原子自旋惯性磁场测量的前提。半导体激光器的频率会直接影响激光与原子的相互作用，通常没有经过特殊的稳频手段处理、自由运转1h的半导体激光器频率可以达到GHz量级，而实现高灵敏度的SERF极弱磁场测量所需要求的激光频率稳定度要达到MHz量级，还要实现一定失谐激光频率稳定。因此，急需一种用于SERF磁强计的激光稳频系统，以解决在一定的失谐频率半导体激光器抽运碱金属原子激光频率不稳定的现象，从而进一步提高SERF磁强计磁场测量的检测灵敏度。

发明内容

本发明为了解决在一定的失谐频率半导体激光器抽运碱金属原子激光频率不稳定的问题，提供了一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统。本发明采用基于光学频率梳作为频率参考来稳定SERF磁强计的半导体激光器，以保证激光抽运碱金属原子的长期稳定度，提高SERF磁强计磁场测量的检测灵敏度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光学频率梳的双反馈半导体激光器稳频系统，包括激光频率偏移单元、激光与光频梳拍频单元、激光稳频信号处理单元。

半导体激光器输出的激光束通过第一光纤耦合器耦合后分成三路，其中第一路为激光稳频光路，第二路用于抽运碱金属气室内部原子的抽运激光，第三路用于导入波长计进行激光频率的实时监测，所述波长计与计算机连接。

所述激光稳频光路的光束经过第一光学透镜和第二光学透镜进行整形，再经过第一光电隔离器和第二光电隔离器，消除光反馈对激光器的影响，再依次经过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一1/2波片和第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜分出的一束光进入激光频率偏移单元中。