一种抑制激光器单频相位噪声的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种抑制激光器单频相位噪声的系统，其包括：激光器，用于产生激光光束；光隔离器，输出第一激光光束，以隔离第一激光光束返回激光器；相位噪声抑制模块，用于消除第一激光光束的单频相位噪声，并输出第二激光光束；PDH稳频模块，通过将第二激光光束进行边带调制处理和共振锁定处理，以输出频率误差信号；第一伺服回路模块，用于对频率误差信号进行运算，以输出频率调节信号；激光控制器，用于输出控制信号以控制激光器，并根据频率调节信号对控制信号进行调节，以纠正激光器频率误差，并使激光器输出稳频激光。本发明专利技术还公开了一种抑制激光器相位噪声的方法。通过本发明专利技术公开抑制激光器相位噪声的方法及系统可有效抑制激光器的相位噪声。

A method and system for suppressing phase noise of single frequency laser

【技术实现步骤摘要】
一种抑制激光器单频相位噪声的方法及系统
本专利技术涉及激光噪声领域，尤其是一种抑制激光器单频相位噪声的方法及系统。
技术介绍
自上世纪60年代激光器诞生以来，激光器相关技术迅速发展。由于激光具有良好的单色性、长的相干时间以及好的方向性，在科研和工业领域都得到了广泛的应用。在一些光谱实验中，如光谱探测、光频标、量子计算等领域对激光器的性能也提出了更高的要求，包括窄线宽，单纵模等。但是在使用过程中发现，激光器出射的激光并不是理想的单频振荡，而是存在着噪声，即在频率、相位和幅度上发生随机涨落。噪声的存在对于很多研究领域如原子钟、量子计算、光学传感、相干通信以及引力波探测等来说，会产生负面影响。所以激光噪声的抑制有着重要意义。激光器的噪声包括光功率噪声和相位噪声，其中抑制相位噪声的方法比较常用的有：1.将激光器的频率锁定到原子吸收谱；2.将激光器锁定到一个稳定的光学谐振腔。在这两种方法的基础上，激光的线宽已经能被压窄到mHz量级水平，当线宽压窄到一定程度时，某些噪声成分会被体现出来。在钛宝石激光器等激光类型中，会用到标准具来稳定输出激光的频率，其中需要调制标准具的长度，这类调制信号引起的噪声具有单一频率，幅度超过一般噪声，对精密光谱实验具有较大的影响。实验发现，上述噪声抑制技术对于噪声的抑制效果都不理想。对于激光的相位噪声的测量，目前主要有如下方法：对于线宽在兆赫兹量级以上的激光，可采用扫描F-P干涉仪的方法进行测量。而对于线宽更窄的激光测量的方法一般有三种：一种方法是通过将两台频率和性能接近的激光器进行光外差混频，将光频信号变换到电学频段。两台激光器只能估计激光的线宽；要测量噪声频谱需要三台激光器进行两两拍频，通过相关分析可以获知各个激光器的频谱成分。多台激光器的方案代价较高，不适合一般实验室的情况。第二种方法是通过延时自拍频技术来实现的。该方法主要有利用长光纤、光纤环以及基于迈克尔逊干涉仪的延时自拍频等技术来进行激光噪声的测量。这种方法对于环境的影响比较敏感。对于噪声的抑制，目前可行的方案较少，一种是在光学谐振腔稳频技术的基础上利用光学谐振腔的透射光进行注入锁定，并进一步进行光放大的方法来实现激光的输出。由于超稳腔透射功率通常不大，这种方法需要采用多级放大的结构，较为复杂。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的是提供一种抑制激光器相位噪声的方法。本专利技术所采用的技术方案是：第一方面，本专利技术提供一种抑制激光器单频相位噪声的系统，包括：激光器，用于产生激光光束；光隔离器，允许所述激光光束单向输入，并输出第一激光光束，以隔离所述第一激光光束返回所述激光器；相位噪声抑制模块，用于消除所述第一激光光束的单频相位噪声，并输出第二激光光束；PDH(Pound-Drever-Hall)稳频模块，通过将所述第二激光光束进行边带调制处理和共振锁定处理，以输出频率误差信号；第一伺服回路模块，用于对所述频率误差信号进行运算，以输出频率调节信号；激光控制器，用于输出控制信号以控制所述激光器，并根据所述频率调节信号对所述控制信号进行调节，以纠正所述激光器频率误差，并使所述激光器输出稳频激光。进一步地，所述相位噪声抑制模块与所述激光控制器电连接，以采集所述激光控制器的控制信号作为源信号输出。进一步地，所述相位噪声抑制模块包括：噪声采样电路模块，用于对所述第一激光光束的单频相位噪声进行采集，并输出源信号；调幅移相放大模块，用于将所述源信号进行调幅和移相，以输出相位误差信号；锁相放大电路模块，与所述PDH稳频模块电连接，用于将所述PDH稳频模块输出的所述频率误差信号和所述噪声采样电路模块输出的所述源信号进行锁相放大并运算，以输出幅度误差信号；第一混频器，用于将所述相位误差信号和所述幅度误差信号进行混频，以输出纠偏信号；第一电光调制器，根据所述纠偏信号对所述光隔离器输出的第一激光光束进行反相位调制，以消除所述第一激光光束的单频相位噪声，并输出第二激光光束输出。进一步地，所述相位噪声抑制模块还包括：第一光电探测器，用于探测所述第二激光光束，以获取强度信号；频谱分析仪，与所述PDH稳频模块电连接，用于将所述PDH稳频模块输出的所述频率误差信号与所述第一光电探测器探测的强度信号进行分析，并获取所述第二激光光束的相位噪声谱。进一步地，所述PDH稳频模块包括：调制信号发生器，用于产生频率调制信号；第二电光调制器，由所述频率调制信号驱动，对所述第二激光光束进行调制，使所述第二激光光束携带边带信号成为第三激光光束输出；超稳腔，由所述第三激光光束入射，经腔内多光束共振，反射输出第四激光光束；第二光电探测器，用于探测所述第四激光光束，以获取干涉信号；第二混频器，用于将所述调制信号发生器产生的所述频率调制信号和所述第二光电探测器探测的所述干涉信号进行混频处理，以获取所述频率误差信号输出。进一步地，所述PDH稳频模块还包括：1/2波片，用于调节所述第三激光光束的线偏振方向；偏振分束镜，用于对入射其上的第三激光光束和第四激光光束进行偏振分束，使第三激光光束发生透射，并使第四激光光束发生反射；1/4波片，置于所述超稳腔和所述偏振分束镜之间，用于调节第三激光光束和第四激光光束的偏振状态，以使调节前的所述第三激光光束与调节后的所述第四激光光束偏振垂直。为此，本专利技术的第二个目的是提供一种抑制激光器相位噪声的方法。第二方面，本专利技术实施例提供一种抑制激光器单频相位噪声的方法，其包括：通过激光控制器输出调控信号，以对激光器进行控制，并输出激光光束；通过光隔离器对所述激光器产生的激光光束进行隔离处理，并输出第一激光光束；通过相位噪声抑制模块用于对所述第一激光光束的单频相位噪声进行消除,并输出第二激光光束；通过PDH稳频模块用于对第二激光光束进行边带调制处理和共振锁定处理，以获取频率误差信号；通过第一伺服回路模块对所述频率误差信号进行运算，以输出频率调节信号；通过激光控制器根据所述频率调节信号对控制信号进行调节，以纠正所述激光器频率误差，并使所述激光器输出稳频激光。进一步地，对所述第一激光光束的单频相位噪声进行消除包括：通过噪声采样电路模块采集所述激光控制器的调制信号，并输出源信号；通过调幅移相放大模块对所述源信号进行调幅和移相，以输出相位误差信号；通过锁相放大电路模块对所述源信号与所述频率误差信号进行锁相放大并运算，以输出幅度误差信号；通过第一混频器对所述相位误差信号与所述幅度误差信号进行混频，以输出纠偏信号；根据所述纠偏信号，通过第一电光调制器对第一激光光束进行调制，以输出第二激光光束；通过第一光电探测器探测所述第二激光光束，以输出强度信号；通过频谱分析仪对所述强度信号与所述频率误差信号进行分析本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抑制激光器单频相位噪声的系统，其特征在于，包括：/n激光器，用于产生激光光束；/n光隔离器，允许所述激光光束单向输入，并输出第一激光光束，以隔离所述第一激光光束返回所述激光器；/n相位噪声抑制模块，用于消除所述第一激光光束的单频相位噪声，并输出第二激光光束；/nPDH(Pound-Drever-Hall)稳频模块，用于对所述第二激光光束进行边带调制处理和共振锁定处理，以输出频率误差信号；/n第一伺服回路模块，用于对所述频率误差信号进行运算，以输出频率调节信号；/n激光控制器，用于输出控制信号以控制所述激光器，并根据所述频率调节信号对所述控制信号进行调节，以纠正所述激光器频率误差，并使所述激光器输出稳频激光。/n

【技术特征摘要】
1.一种抑制激光器单频相位噪声的系统，其特征在于，包括：
激光器，用于产生激光光束；
光隔离器，允许所述激光光束单向输入，并输出第一激光光束，以隔离所述第一激光光束返回所述激光器；
相位噪声抑制模块，用于消除所述第一激光光束的单频相位噪声，并输出第二激光光束；
PDH(Pound-Drever-Hall)稳频模块，用于对所述第二激光光束进行边带调制处理和共振锁定处理，以输出频率误差信号；
第一伺服回路模块，用于对所述频率误差信号进行运算，以输出频率调节信号；
激光控制器，用于输出控制信号以控制所述激光器，并根据所述频率调节信号对所述控制信号进行调节，以纠正所述激光器频率误差，并使所述激光器输出稳频激光。


2.根据权利要求1所述的抑制激光器单频相位噪声的系统，其特征在于，所述相位噪声抑制模块与所述激光控制器电连接，以采集所述激光控制器的控制信号作为源信号输出。


3.根据权利要求1所述的抑制激光器单频相位噪声的系统，其特征在于，所述相位噪声抑制模块包括：
噪声采样电路模块，用于对所述第一激光光束的单频相位噪声进行采集，并输出源信号；
调幅移相放大模块，用于将所述源信号进行调幅和移相，以输出相位误差信号；
锁相放大电路模块，与所述PDH稳频模块电连接，用于将所述PDH稳频模块输出的所述频率误差信号和所述噪声采样电路模块输出的所述源信号进行锁相放大并运算，以输出幅度误差信号；
第一混频器，用于将所述相位误差信号和所述幅度误差信号进行混频，以输出纠偏信号；
第一电光调制器，根据所述纠偏信号对所述光隔离器输出的第一激光光束进行反相位调制，以消除所述第一激光光束的单频相位噪声，并输出第二激光光束输出。


4.根据权利要求3所述的抑制激光器单频相位噪声的系统，其特征在于，所述相位噪声抑制模块还包括：
第一光电探测器，用于探测所述第二激光光束，以获取强度信号；
频谱分析仪，与所述PDH稳频模块电连接，用于将所述PDH稳频模块输出的所述频率误差信号与所述第一光电探测器探测的强度信号进行分析，并获取所述第二激光光束的相位噪声谱。


5.根据权利要求1所述的抑制激光器单频相位噪声的系统，其特征在于，所述PDH稳频模块包括：
调制信号发生器，用于产生频率调制信号；
第二电光调制器，由所述频率调制信号驱动，对所述第二激光光束进行调制，以使所述第二激光光束携带边带信号成为第三激光光束输出；
超稳腔，由所述第三激光光束入射，经腔内多光束共振，反射输出第四激光光束；
第二光电探测器，用于探测所述第四激光光束，以获取干涉信号；
第二混频器，用于将所述调制信号发生器产生的所述频率调制信号和所述第二光电探测器探测的所述干涉信号进行混频处理，以获取频率误差信号输出。


6.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈婷，谢艺，欧保全，秦青青，吴伟，陈平形，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43