[发明专利]一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器及其实现方法

说明书

本发明公开了一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器及其实现方法。本发明利用原子滤光器使得输出激光频率与原子跃迁频率相对应，原子谱线作为量子频率参考，这是其它选频方式所无法比拟的。本发明创新性地利用调制转移谱优异的稳频效果，反馈信号可以直接反馈到激光头上，从而使得激光器对外界振动、温度变化、电流波动的免疫效果更好，实现高稳定度的窄线宽激光器，可以应用于高端基础科学研究、量子精密测量领域以及激光通信网络等领域。

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器及其实现方法。

背景技术

传统的半导体激光器一般体积小、重量轻、寿命长、效率高、频率可调谐，目前已经被广泛应用于光纤通信、激光测距、激光医疗等领域。但是未稳频时，自由运转的激光器线宽较宽，激光频率易受激光管温度、驱动电流及外界环境的影响，其线宽只能在MHz量级，这导致其在原子钟、原子分子结构的精密测量、时间同步等领域的应用大大受限。因此压窄半导体激光器的线宽，提高半导体激光器的频率稳定度成为重要的研究方向。

目前有多种方法可以用来压窄半导体激光器的线宽，提高半导体激光器的频率稳定度，通常利用光栅、棱镜、干涉滤光片等来对激光器的频率进行筛选，相当于增加了半导体激光器的谐振腔的长度，构成外腔半导体激光器，可以将输出激光的线宽在一定程度上压窄。目前较好的外腔半导体激光器可以将输出激光的线宽压窄到1MHz甚至kHz量级，但在实际应用中，由于激光二极管的热噪声、外界机械振动等噪声引起的光频移远大于激光的极限线宽。

对于高分辨率光谱、激光冷却、量子频标等研究领域，上述外腔半导体激光器的线宽依旧不能满足要求。为了进一步压窄激光线宽，获得更高的频率稳定度，目前常用的稳频方式有Pound-Drever-Hall稳频技术(PDH稳频)、饱和吸收谱稳频等。PDH稳频将激光的频率锁定在超高稳定度的谐振腔上来减小激光频率噪声，从而压窄激光输出线宽。虽然PDH稳频可以将激光线宽压窄至亚Hz量级，但其激光频率是稳定在腔模频率上，而不是以量子跃迁频率为参考。除此之外，利用PDH稳频技术获得超窄线宽激光需要利用超高精细度、超低损耗的光学谐振腔，这对腔体的材料、腔镜的镀膜提出了很高的要求，对隔振和噪声也有着极其严格的要求，并且实验系统相对复杂且价格昂贵。相比之下，饱和吸收谱稳频系统相对简单，稳频时其激光频率锁定在原子或分子的跃迁频率上，稳定度可以达到10^-12～10^-13量级，但是其调制信号直接加到激光器上，会引入额外的噪声，如频率噪声和强度噪声。

发明内容

为了克服了上述利用干涉滤光片、光栅等构成的外腔半导体激光器频率不够稳定、线宽较宽以及采用PDH稳频导致系统复杂且造价昂贵、饱和吸收谱稳频频率稳定度较差的缺点，针对半导体激光器易受激光管温度、驱动电流、外界环境影响而导致的激光器频率不稳定、线宽较宽的技术问题，本发明首次提出一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器及其实现方法。

本发明的目的是提出一种基于调制转移谱稳频的法拉第激光器及其实现方法，利用原子滤光器使得输出激光频率与原子跃迁频率相对应，原子谱线作为量子频率参考，这是其它选频方式所无法比拟的。创新性地利用调制转移谱优异的稳频效果，反馈信号可以直接反馈到激光头上，从而使得激光器对外界振动、温度变化、电流波动的免疫效果更好，可以应用于高端基础科学研究、量子精密测量领域以及激光通信网络领域。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于调制转移谱稳频的法拉第激光器在结构上包括：法拉第激光系统、调制转移谱稳频系统、电子伺服反馈控制系统。法拉第激光系统包括：发光二极管、第一环形磁铁、第一格兰泰勒棱镜、第一原子气室、第二环形磁铁、第二格兰泰勒棱镜、谐振腔镜、压电陶瓷、发光二极管驱动电源；调制转移谱稳频系统包括：第一半波片、第一偏振分光棱镜、第二半波片、电光调制器、第一反射镜、第三半波片、第二反射镜、第二原子气室、第二偏振分光棱镜、光电探测器；电子伺服反馈控制系统包括：信号发生器、混频器、比例积分微分反馈电路。另外，整个装置还包括光隔离器、第三偏振分光棱镜。