[发明专利]一种饱和吸收谱激光锁频方法、装置及锁频激光器

说明书

本发明提供一种饱和吸收谱激光锁频方法，通过一束激光作为泵浦光入射到原子气室，从原子气室射出的泵浦光被部分反射镜透射的部分携带多普勒展宽背底信息，并被第一光电探测器转换为第一电信号；从原子气室射出的泵浦光被部分反射镜反射的部分为携带多普勒展宽背底信息和饱和吸收谱信息的探测光，并被第二光电探测器转换为第二电信号；差分放大器接收并处理第一电信号和第二电信号，输出消除了多普勒展宽背底信息的第三电信号；锁相放大器接收并处理第三电信号，输出误差信号，误差信号被负反馈控制器接收并转换成锁频信号反馈至激光器。本发明仅利用一束激光即可完成饱和吸收谱信息中多普勒展宽背底信息的消除，实现激光锁频，光路设计简单。

技术领域

本发明涉及激光锁频技术领域，特别是涉及一种饱和吸收谱激光锁频方法、装置及锁频激光器。

背景技术

红宝石激光器作为一种人造光源，具有强度高、相干性好等特点。激光广泛应用于军事、医疗、工业生产、精密测量等领域，如激光制导、激光美容、激光焊接、激光打标、光频标、原子磁力仪等。在精密测量领域，激光作为泵浦源或探测手段用于对原子系综的极化或者用于对原子态的感知。激光的频率、光强、偏振的稳定性决定了精密测量的水平。在实际应用中，外界环境的干扰，如振动和温度变化等，会使得激光频率发生偏移。自由运行的激光器在5分钟内中心频率的慢漂可达到几十兆赫兹。对于光学精密测量来说，激光器的频率起伏严重影响了测量的灵敏度。所以除了保证温度恒定和防止外界振动以外，还需要进行主动频率锁定。

激光器锁频的方法有很多种，比较常用的一种方法是将激光器的频率锁定在合适的原子跃迁频率上，从而获得高光谱纯度、窄线宽和高频率稳定度的激光器。饱和吸收谱锁频技术是常用的激光锁频技术之一。其采用原子能级间跃迁频率为参考，通过激光频率与参考频率比对来获得鉴频误差信号，然后再通过反馈来校正激光频率，使激光频率锁定在原子跃迁参考频率，从而稳定激光频率。

传统的饱和吸收谱锁频是将激光器输出的激光分成两束(光强较强的泵浦光和光强较弱的探测光)，以相反的入射方向同时射入原子气室。当激光频率适当时，只有沿光传播方向速度为零的原子可以同时与两束激光相互作用。由于泵浦光的强度较高，将大量分布在下能级粒子泵浦至上能级，较弱的探测光经过时，原子对探测光的吸收能力减弱，于是，在透射原子气室的光路上探测获得一个凸起透射峰，称之为饱和吸收峰。饱和吸收峰最高点对应的频率即激光器的中心频率。激光锁频的目的在于锁定激光的中心频率。因原子的速度分布服从玻尔兹曼分布，形成的多普勒吸收谱背底很宽。饱和吸收峰是在大的多普勒吸收背底上的透射峰。多普勒背底影响信号的信噪比，影响激光锁频。为了消去多普勒背底的影响，突出饱和吸收谱信息，获得更高的信噪比以及更方便锁定透射峰的最高点，通常引入消除多普勒背底的方法。

目前，通常采用引入参考光路的方法消除多普勒背底。具体的做法是使同一光源发出的激光分为三束。其中两束较弱的光沿着不同空间位置平行地穿过原子气室，一束称为参考光，一束称为探测光。另一束较强的光称为泵浦光，经过合适的光路后从原子气室反向入射并与探测光形成对射，于是形成饱和吸收谱结构。而参考光直接穿过原子气室并入射到光电探测器，携带多普勒展宽背底信息。最后将探测光得到的饱和吸收谱信息与参考光得到的多普勒背底信号做差，获得无多普勒展宽背底的饱和吸收谱信息。

但是，引入参考光路的方法消除多普勒背底所使用的装置结构复杂，不利于应用，特别是在紧凑型需求的条件下，多光束增加了装置的复杂度和体积。

发明内容

为解决以上现有问题，本发明仅利用一束激光即可完成饱和吸收谱信息中多普勒展宽背底信息的消除，实现激光锁频，光路设计简单。同时，本发明利用差分信号锁频的方法可以消除外界对锁频系统的共模干扰或激光器自身的强度波动，有效降低了对激光器性能的要求，特别是光强波动明显的激光器。

本发明一个实施例提供一种饱和吸收谱激光锁频方法，包括：

激光器提供的入射激光被分光装置分光之后，将其中一束激光作为泵浦光，入射到原子气室；