專利名稱：一種高精細(xì)度微光學(xué)腔的鎖定裝置及其鎖定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高精細(xì)度微光學(xué)腔的鎖定，具體為一種高精細(xì)度微光學(xué)腔的鎖定裝置及其鎖定方法。
背景技術(shù)：
隨著激光技術(shù)和微納米控制技術(shù)的發(fā)展，微光學(xué)諧振腔由于其腔內(nèi)損耗小、精細(xì)度高、模體積小、耦合因子高以及探測(cè)靈敏等特點(diǎn)，使得其在靈敏測(cè)量、激光穩(wěn)頻、激光光譜學(xué)、原子物理以及腔量子電動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面起到重要的作用。對(duì)于高精細(xì)度腔與一般低精細(xì)度腔相比而言由于其腔鏡為“超鏡”(super mirror)，透射率極低，所以腔內(nèi)損耗也極低；同時(shí)腔的精細(xì)度會(huì)很高，可以達(dá)到10萬以上。利用精細(xì)度在10萬以上的高品質(zhì)微光學(xué)腔的增強(qiáng)效應(yīng)，能夠大大提高光學(xué)測(cè)試和分析的靈敏度，對(duì)微弱吸收、損耗的測(cè)量可以低于 0. lppm，從而可應(yīng)用于氣體痕量測(cè)量、環(huán)境監(jiān)測(cè)、材料分析、生物醫(yī)藥、食品衛(wèi)生、安全生產(chǎn)以及信息技術(shù)領(lǐng)域，具有重要的實(shí)用意義。在原子(分子、離子等)的測(cè)量研究領(lǐng)域中希望獲得微腔與原子的強(qiáng)耦合相互作用，就必需嚴(yán)格控制高品質(zhì)微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)，使其諧振頻率穩(wěn)定在特定波長(zhǎng)附近。一般的光學(xué)諧振腔可以利用調(diào)頻光譜技術(shù)獲得光學(xué)諧振腔的色散曲線作為鑒頻曲線，將光學(xué)諧振腔的長(zhǎng)度鎖定在激光的頻率上，實(shí)現(xiàn)對(duì)微光學(xué)諧振腔腔長(zhǎng)的控制(參見文獻(xiàn)李健，吳令安光學(xué)學(xué)報(bào)15 (12)，1995);但是高精細(xì)度微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)極短且精細(xì)度極高，對(duì)外部干擾非常敏感，難以鎖定。目前穩(wěn)腔時(shí)主要采用被動(dòng)穩(wěn)定或主動(dòng)鎖定技術(shù)；被動(dòng)穩(wěn)腔主要采用各種良好的機(jī)械穩(wěn)定系統(tǒng)或者采取振動(dòng)隔離設(shè)計(jì)，如多級(jí)隔振底座等來降低環(huán)境溫度漂移、大氣變化、機(jī)械振動(dòng)以及磁場(chǎng)等對(duì)微光學(xué)諧振腔腔長(zhǎng)的影響， 但是由于被動(dòng)穩(wěn)定在精度方面的局限性使其只適用于低精細(xì)度的光學(xué)腔的穩(wěn)定，而對(duì)于精細(xì)度高達(dá)10萬的光學(xué)腔的穩(wěn)定尚不夠有效；主動(dòng)鎖腔是采用單路反饋(參見文獻(xiàn)李健，吳令安光學(xué)學(xué)報(bào)15 (12)，1995)，但反饋回路共振產(chǎn)生的噪聲很難消除；所以二者對(duì)于高精細(xì)度微光學(xué)腔都無法實(shí)現(xiàn)鎖腔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決高精細(xì)度微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)由于外界環(huán)境的影響極不穩(wěn)定從而影響測(cè)量結(jié)果的問題，提供了一種高精細(xì)度微光學(xué)腔的鎖定裝置及其鎖定方法。本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種高精細(xì)度微光學(xué)腔的鎖定裝置，包括腔長(zhǎng)為10um-500um、精細(xì)度大于10萬且小于50萬的微光學(xué)腔；微光學(xué)腔由工作于剪切模式的第一片狀壓電陶瓷、粘結(jié)在第一片狀壓電陶瓷上的第一鏡片、工作于剪切模式的第二片狀壓電陶瓷、以及粘結(jié)在第二片狀壓電陶瓷上的第二鏡片構(gòu)成，第一片狀壓電陶瓷與第二片狀壓電陶瓷之間的距離為5. 8-7. 2mm ；微光學(xué)腔固定在三級(jí)微腔被動(dòng)隔振底座上；微光學(xué)腔的一側(cè)設(shè)有增益值為1X106-1X107V/W的快速探測(cè)器；微光學(xué)腔的另一側(cè)依次設(shè)有透鏡組合(所述透鏡組合選用單個(gè)凸透鏡、或兩個(gè)凸透鏡、或兩個(gè)凸透鏡和一個(gè)凹透鏡的組合)、相位調(diào)制器、以及穩(wěn)定于工作波長(zhǎng)的光柵外腔反饋半導(dǎo)體激光器；相位調(diào)制器的射頻端與功率放大器的輸出端相連，功率放大器的輸入端與射頻發(fā)生器的射頻輸出端相連，射頻發(fā)生器的信號(hào)輸出端與混頻器的第一信號(hào)輸入端相連；快速探測(cè)器的信號(hào)輸出端與混頻器的第二信號(hào)輸入端相連；混頻器的第一信號(hào)輸出端經(jīng)中心頻率為44. IKHz的低頻陷波濾波器、帶寬為IKHZ的低通濾波器、第一 PI控制器、電壓起伏峰峰值小于IOmv且輸出端與信號(hào)接地端之間并聯(lián)有200uF電容的高壓放大器與第二片狀壓電陶瓷相連，混頻器的第二信號(hào)輸出端經(jīng)中心頻率為51. 5KHZ的高頻陷波濾波器、低頻截止頻率為0. 03KHz的高通濾波器、第二 PI控制器與第一片狀壓電陶瓷相連；高壓放大器的信號(hào)輸入端與信號(hào)發(fā)生器相連。采用上述的一種高精細(xì)度微光學(xué)腔的鎖定裝置的鎖定方法，包括如下步驟
(1)打開穩(wěn)定于工作波長(zhǎng)的光柵外腔反饋半導(dǎo)體激光器，光柵外腔反饋半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光射入相位調(diào)制器中進(jìn)行相位調(diào)制后經(jīng)透鏡組合使出射光的空間模式與微光學(xué)腔的空間模式匹配后進(jìn)入微光學(xué)腔；
(2)快速探測(cè)器探測(cè)從微光學(xué)腔透射出來的光產(chǎn)生電信號(hào)與射頻發(fā)生器的本地振蕩信號(hào)一起進(jìn)入混頻器進(jìn)行混頻；
(3)從混頻器輸出的信號(hào)分為兩路一路經(jīng)低頻陷波濾波器、低通濾波器、第一PI控制器、高壓放大器作用于微光學(xué)腔的第二片狀壓電陶瓷；另一路經(jīng)高頻陷波濾波器、高通濾波器、第二 PI控制器作用于微光學(xué)腔的第一片狀壓電陶瓷；
(4)關(guān)閉第一PI控制器、第二 PI控制器，打開與高壓放大器的信號(hào)輸入端相連的信號(hào)發(fā)生器，用高壓放大器對(duì)微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)進(jìn)行掃描得到腔透射譜，腔透射譜的峰值處對(duì)應(yīng)微光學(xué)腔的共振頻率V0,此時(shí)微光
學(xué)腔的腔長(zhǎng)為‘；關(guān)閉信號(hào)發(fā)生器，打開第一 PI控制器、第二 PI控制器，當(dāng)外界環(huán)境使微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)發(fā)生偏離時(shí)，快速探測(cè)器探測(cè)到的電信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)混頻器輸出的兩路電信號(hào)反饋到微光學(xué)腔的第一片狀壓電陶瓷、第二片狀壓電陶瓷對(duì)微光學(xué)腔中第一鏡片、第二鏡片之間的距離進(jìn)行微調(diào)從而使微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)恢復(fù)到I·從而將微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)鎖定本發(fā)明所述的鎖定方法采用主動(dòng)鎖定和被動(dòng)穩(wěn)定相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)對(duì)微光學(xué)腔腔長(zhǎng)的鎖定，被動(dòng)穩(wěn)定技術(shù)主要采用將微光學(xué)腔固定于三級(jí)微腔被動(dòng)隔振底座上的方法，大大降低了外界機(jī)械振動(dòng)對(duì)光學(xué)微腔控制的影響；同時(shí)主動(dòng)鎖定采用快速與慢速兩路反饋信號(hào)反饋到微光學(xué)腔的方法，根據(jù)實(shí)時(shí)探測(cè)到的誤差信號(hào)來主動(dòng)判斷腔長(zhǎng)的波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)腔長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)間的鎖定。本發(fā)明所述的鎖定裝置可實(shí)現(xiàn)微光學(xué)腔腔長(zhǎng)鎖定時(shí)間大于1小時(shí)，如圖4所示為微光學(xué)腔鎖定后腔長(zhǎng)起伏隨積分時(shí)間變化的曲線圖，可知微光學(xué)腔腔長(zhǎng)的起伏最小可達(dá)到2.8XICT14米(最右邊數(shù)據(jù)點(diǎn))；即微光學(xué)腔腔長(zhǎng)的穩(wěn)定精度達(dá)到ICT14米。本發(fā)明所述高壓放大器的輸出端與信號(hào)接地端之間并聯(lián)了 200uF的高壓電容，使其輸出噪聲峰峰值小于0. 1 mV，極大地降低了環(huán)路中的噪聲；同時(shí)第一片狀壓電陶瓷、第二片狀壓電陶瓷在頻率為44. IKHz與51. 5KHz時(shí)會(huì)發(fā)生共振，本發(fā)明所述的鎖定方法在兩路反饋回路中分別采用中心頻率為44. IKHz的低頻陷波濾波器、中心頻率為51. 5KHZ的高頻陷波濾波器消除共振，大大改善了微光學(xué)腔的鎖定效果。如圖2所示為腔前鎖定光功率為 50nff時(shí)反饋到微光學(xué)腔的鑒頻信號(hào)圖，可知信噪比達(dá)到3. 8 ；如圖3所示，曲線1為高壓放大器與信號(hào)發(fā)射器相連時(shí)的透射譜而曲線2為腔前鎖定光功率為IOOnW時(shí)的光強(qiáng)圖，曲線 2幾乎為一條直線，說明微光學(xué)腔鎖定效果較好。本發(fā)明所述的鎖腔裝置可將微光學(xué)腔腔長(zhǎng)鎖定1小時(shí)以上，解決了高精細(xì)度微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)由于外界環(huán)境的影響極不穩(wěn)定從而影響測(cè)量結(jié)果的問題，可廣泛適用于靈敏測(cè)量、激光穩(wěn)頻、激光光譜學(xué)、原子物理以及基礎(chǔ)量子物理試驗(yàn)中。


圖1是本發(fā)明的連接示意圖；其中實(shí)線為光連接，虛線為電連接。圖2是腔前鎖定光功率為50nW時(shí)反饋到微光學(xué)腔的鑒頻信號(hào)圖。圖3是腔前鎖定光功率為IOOnW時(shí)微光學(xué)腔的鎖定效果圖；其中曲線1為高壓放大器與信號(hào)發(fā)射器相連時(shí)的透射譜，曲線2為腔前鎖定光功率為IOOnW時(shí)的光強(qiáng)圖。圖4是微光學(xué)腔鎖定后腔長(zhǎng)起伏隨積分時(shí)間變化的曲線圖。圖中1-第一片狀壓電陶瓷；2-第一鏡片；3-第二片狀壓電陶瓷；4-第二鏡片； 5-三級(jí)微腔被動(dòng)隔振底座；6-快速探測(cè)器；7-透鏡組合；8-相位調(diào)制器；9-光柵外腔反饋半導(dǎo)體激光器；10-功率放大器；11-射頻發(fā)生器；12-混頻器；13-低頻陷波濾波器；14-低通濾波器；15-第一 PI控制器；16-高壓放大器；17-高頻陷波濾波器；18-高通濾波器； 19-第二 PI控制器；20-信號(hào)發(fā)生器。
具體實(shí)施例方式一種高精細(xì)度微光學(xué)腔的鎖定裝置，包括腔長(zhǎng)為10Um-500Um、精細(xì)度大于10萬且小于50萬的微光學(xué)腔；微光學(xué)腔由工作于剪切模式的第一片狀壓電陶瓷1、粘結(jié)在第一片狀壓電陶瓷1上的第一鏡片2、工作于剪切模式的第二片狀壓電陶瓷3、以及粘結(jié)在第二片狀壓電陶瓷3上的第二鏡片4構(gòu)成，第一片狀壓電陶瓷1與第二片狀壓電陶瓷3之間的距離為5. 8-7. 2mm ；微光學(xué)腔固定在三級(jí)微腔被動(dòng)隔振底座5上；微光學(xué)腔的一側(cè)設(shè)有增益值為1 X 106-1X 107V/W的快速探測(cè)器6，微光學(xué)腔的另一側(cè)依次設(shè)有透鏡組合7、相位調(diào)制器 8、以及穩(wěn)定于工作波長(zhǎng)的光柵外腔反饋半導(dǎo)體激光器9 ；相位調(diào)制器8的射頻端與功率放大器10的輸出端相連，功率放大器10的輸入端與射頻發(fā)生器11的射頻輸出端相連，射頻發(fā)生器11的信號(hào)輸出端與混頻器12的第一信號(hào)輸入端相連；快速探測(cè)器6的信號(hào)輸出端與混頻器12的第二信號(hào)輸入端相連；混頻器12的第一信號(hào)輸出端經(jīng)中心頻率為44. IKHz 的低頻陷波濾波器13、帶寬為IKHZ的低通濾波器14、第一 PI控制器15、電壓起伏峰峰值小于IOmv且輸出端與信號(hào)接地端之間并聯(lián)有200uF電容的高壓放大器16與第二片狀壓電陶瓷3相連，混頻器12的第二信號(hào)輸出端經(jīng)中心頻率為51. 5KHZ的高頻陷波濾波器17、低頻截止頻率為0. 03KHz的高通濾波器18、第二 PI控制器19與第一片狀壓電陶瓷1相連；高壓放大器16的信號(hào)輸入端與信號(hào)發(fā)生器20相連。所述透鏡組合7選用單個(gè)凸透鏡、或兩個(gè)凸透鏡、或兩個(gè)凸透鏡和一個(gè)凹透鏡的組合。采用上述的一種高精細(xì)度微光學(xué)腔的鎖定裝置的鎖定方法，包括如下步驟
(1)打開穩(wěn)定于工作波長(zhǎng)的光柵外腔反饋半導(dǎo)體激光器9，光柵外腔反饋半導(dǎo)體激光器 9發(fā)出的激光射入相位調(diào)制器8中進(jìn)行相位調(diào)制后經(jīng)透鏡組合7使出射光的空間模式與微光學(xué)腔的空間模式匹配后進(jìn)入微光學(xué)腔；(2)快速探測(cè)器6探測(cè)從微光學(xué)腔透射出來的光產(chǎn)生電信號(hào)與射頻發(fā)生器11的本地振蕩信號(hào)一起進(jìn)入混頻器12進(jìn)行混頻；
(3)從混頻器12輸出的信號(hào)分為兩路一路經(jīng)低頻陷波濾波器13、低通濾波器14、第一 PI控制器15、高壓放大器16作用于第二片狀壓電陶瓷3 ；另一路經(jīng)高頻陷波濾波器17、 高通濾波器18、第二 PI控制器19作用于第一片狀壓電陶瓷1 ；
(4)關(guān)閉第一PI控制器15、第二 PI控制器19，打開與高壓放大器16的信號(hào)輸入端相連的信號(hào)發(fā)生器20，用高壓放大器16對(duì)微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)進(jìn)行掃描得到腔透射譜，腔透射譜的峰值處對(duì)應(yīng)微光學(xué)腔的共振頻率此時(shí)微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)為‘；關(guān)閉信號(hào)發(fā)生器20，打開第一 PI控制器15、第二 PI控制器19，當(dāng)外界環(huán)境使微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)發(fā)生偏離時(shí)，快速探測(cè)器6探測(cè)到的電信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)混頻器12輸出的兩路電信號(hào)反饋到微光學(xué)腔的第一片狀壓電陶瓷1、第二片狀壓電陶瓷3對(duì)微光學(xué)腔中第一鏡片2、第二鏡片4之間的距離進(jìn)
行微調(diào)從而使微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)恢復(fù)到In，從而將微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)鎖定在In處。
權(quán)利要求
1.一種高精細(xì)度微光學(xué)腔的鎖定裝置，包括腔長(zhǎng)為10Um-500Um、精細(xì)度大于10萬且小于50萬的微光學(xué)腔；微光學(xué)腔由工作于剪切模式的第一片狀壓電陶瓷(1)、粘結(jié)在第一片狀壓電陶瓷(1)上的第一鏡片(2)、工作于剪切模式的第二片狀壓電陶瓷(3)、以及粘結(jié)在第二片狀壓電陶瓷(3)上的第二鏡片(4)構(gòu)成，第一片狀壓電陶瓷(1)與第二片狀壓電陶瓷 (3)之間的距離為5. 8-7. 2mm ；其特征在于微光學(xué)腔固定在三級(jí)微腔被動(dòng)隔振底座(5)上； 微光學(xué)腔的一側(cè)設(shè)有增益值為1X106-1X107V/W的快速探測(cè)器(6)，微光學(xué)腔的另一側(cè)依次設(shè)有透鏡組合(7)、相位調(diào)制器(8)、以及穩(wěn)定于工作波長(zhǎng)的光柵外腔反饋半導(dǎo)體激光器 (9);相位調(diào)制器(8)的射頻端與功率放大器(10)的輸出端相連，功率放大器(10)的輸入端與射頻發(fā)生器(11)的射頻輸出端相連，射頻發(fā)生器(11)的信號(hào)輸出端與混頻器(12)的第一信號(hào)輸入端相連；快速探測(cè)器(6)的信號(hào)輸出端與混頻器(12)的第二信號(hào)輸入端相連； 混頻器(12)的第一信號(hào)輸出端經(jīng)中心頻率為44. IKHz的低頻陷波濾波器(13)、帶寬為IKHZ 的低通濾波器(14)、第一 PI控制器(15)、電壓起伏峰峰值小于IOmV且輸出端與信號(hào)接地端之間并聯(lián)有200uF電容的高壓放大器(16)與第二片狀壓電陶瓷(3)相連，混頻器(12)的第二信號(hào)輸出端經(jīng)中心頻率為51. 5KHZ的高頻陷波濾波器(17)、低頻截止頻率為0. 03KHz 的高通濾波器(18)、第二 PI控制器(19)與第一片狀壓電陶瓷(1)相連；高壓放大器(16)的信號(hào)輸入端與信號(hào)發(fā)生器(20)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精細(xì)度微光學(xué)腔的鎖定裝置，其特征在于所述透鏡組合(7)選用單個(gè)凸透鏡、或兩個(gè)凸透鏡、或兩個(gè)凸透鏡和一個(gè)凹透鏡的組合。
3.采用如權(quán)利要求1所述的一種高精細(xì)度微光學(xué)腔的鎖定裝置的鎖定方法，其特征在于包括如下步驟(1)打開穩(wěn)定于工作波長(zhǎng)的光柵外腔反饋半導(dǎo)體激光器(9)，光柵外腔反饋半導(dǎo)體激光器(9)發(fā)出的激光射入相位調(diào)制器(8)中進(jìn)行相位調(diào)制后經(jīng)透鏡組合(7)使出射光的空間模式與微光學(xué)腔的空間模式匹配后進(jìn)入微光學(xué)腔；(2)快速探測(cè)器(6)探測(cè)從微光學(xué)腔透射出來的光產(chǎn)生電信號(hào)與射頻發(fā)生器(11)的本地振蕩信號(hào)信號(hào)一起進(jìn)入混頻器(12)進(jìn)行混頻；(3)從混頻器(12)輸出的信號(hào)分為兩路一路經(jīng)低頻陷波濾波器(13)、低通濾波器 (14)、第一 PI控制器(15)、高壓放大器(16)作用于第二片狀壓電陶瓷(3);另一路經(jīng)高頻陷波濾波器(17)、高通濾波器(18)、第二 PI控制器(19)作用于第一片狀壓電陶瓷(1);(4)關(guān)閉第一PI控制器(15)、第二 PI控制器(19)，打開與高壓放大器 (16)的信號(hào)輸入端相連的信號(hào)發(fā)生器(20)，用高壓放大器(16)對(duì)微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)進(jìn)行掃描得到腔的透射譜，腔透射譜的峰值處對(duì)應(yīng)微光學(xué)腔的共振頻率 Hl,此時(shí)微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)為/(I;關(guān)閉信號(hào)發(fā)生器(20)，打開第一 PI控制器(15)、第二 PI控制器(19)，當(dāng)外界環(huán)境使微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)發(fā)生偏離時(shí)，快速探測(cè)器(6)探測(cè)到的電信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)混頻器(12)輸出的兩路電信號(hào)反饋到微光學(xué)腔的第一片狀壓電陶瓷(1)、第二片狀壓電陶瓷(3)上對(duì)微光學(xué)腔中第一鏡片(2)、第二鏡片(4)之間的距離進(jìn)行微調(diào)從而使微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)恢復(fù)到Ici,從而將微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)鎖定在/<3處。
全文摘要
本發(fā)明涉及高精細(xì)度微光學(xué)腔的鎖定，具體為一種高精細(xì)度微光學(xué)腔的鎖定鎖定裝置及其鎖定方法。本發(fā)明解決了高精細(xì)度微光學(xué)腔的腔長(zhǎng)由于外界環(huán)境的影響極不穩(wěn)定從而影響測(cè)量結(jié)果的問題。一種高精細(xì)度微光學(xué)腔的鎖定裝置，微光學(xué)腔固定在三級(jí)微腔被動(dòng)隔振底座上；快速探測(cè)器的信號(hào)輸出端與混頻器的第二信號(hào)輸入端相連；混頻器的第一信號(hào)輸出端經(jīng)低頻陷波濾波器、低通濾波器、第一PI控制器、高壓放大器與第二片狀壓電陶瓷相連，混頻器的第二信號(hào)輸出端經(jīng)高頻陷波濾波器、高通濾波器、第二PI控制器與第一片狀壓電陶瓷相連。本發(fā)明所述的鎖定裝置可將微光學(xué)腔腔長(zhǎng)鎖定1小時(shí)以上，可廣泛適用于激光光譜學(xué)、以及基礎(chǔ)量子物理實(shí)驗(yàn)中。
文檔編號(hào)H01S5/14GK102520516SQ201110412998
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者張?zhí)觳? 張鵬飛, 李剛, 李文芳, 杜金錦 申請(qǐng)人:山西大學(xué)