1 引 言
在光通信、光频标、激光雷达等领域对激光频率稳定有着较高的要求。激光稳频问题,其关键之一在于选取一个稳定的参考频率标准。目前的主要方法有:以增益曲线作为标准稳定激光频率,但很难达到很高的稳定度;利用塞曼效应或斯塔克效应稳定激光频率[1],稳定度可达
;利用分子原子吸收谱线稳定激光频率[2,3],频率稳定度可高达~,但原子特定谱线的频率覆盖范围有限,限制了这种方法在不同波长激光器中的应用;利用光学元件稳定激光频率,主要元件是共焦法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪[4~7],优点是不受波段的限制,且随着光学加工技术的发展,可以得到很高的精细度。目前国内外报道的稳频工作主要以共焦法布里-珀罗干涉仪作为频率标准。
共焦法布里-珀罗干涉仪也被称为球面干涉仪[8]。相比于平面法布里-珀罗干涉仪,共焦法布里-珀罗干涉仪受校整和腔镜面型的影响较小,可以得到更高的精细度,因此有很高的集光本领和光谱分辨率,已广泛用于探测激光的模结构和线宽。
本课题组正在研制多普勒激光雷达[9,10],采用种子注入的Nd∶YAG三倍频激光器作为发射光源[11],由于多普勒激光雷达对激光频率要求相对稳定,短期内频率漂移需低于1 MHz。为此,设计、研制了一个共焦法布里-珀罗干涉仪,其腔镜及隔离器均使用具有极高温度稳定性的零膨胀微晶玻璃材料制成,采用光胶方式组合而成。本文介绍该干涉仪结构、特性及其测量结果,并将应用在多普勒激光雷达光源的频率稳定中。
2 结 构
在稳频系统中,激光频率的稳定性主要取决于参考频率的稳定性,其频率的微小变化直接导致激光的频率漂移,因此稳频系统中的频率标准本身必须具有较高的稳定性。对于法布里-珀罗干涉仪,其不稳定性主要是由于温度变化引起腔长变化,从而导致共振频率变化。对于一个共焦法布里-珀罗干涉仪,光线平行于干涉仪的轴进入,干涉仪的腔长为L,激光的波长为λ,透射极大的条件为
式中n为腔内折射率。因此当腔长变化λ/4时,透射光从一个极大值跳到另一个极大值,对应频率变化为一个自由光谱范围c/4L,c为光速。假设法布里-珀罗隔离器材料的热膨胀系数为α,当温度变化量为ΔT,腔长变化量随温度变化量的变化为
由(3)式可得,干涉仪的频率漂移要低于1 MHz,一方面要选择膨胀系数低的材料来制作干涉仪,另一方面要保持温度稳定。
另外,温度的变化不仅引起隔离器长度的变化,同样会引起腔镜面型的变化,破坏频率稳定性,所以考虑用同种材料制作隔离器和腔镜,整个系统膨胀系数相同,而且便于隔离器与腔镜进行光胶。光学加工中常用的融石英,光学特性优良,但是热稳定性较差,膨胀系数为0.55×。CorNIng公司的超低膨胀玻璃(ULE)材料膨胀系数很低,低于0.03×。德国Schott公司生产的零膨胀微晶玻璃材料,膨胀系数低于0.05×。根据(3)式,可以对比三种不同材料制作的干涉仪随温度的频率漂移。
由图1可见,融石英材料制作的干涉仪温度特性较差,在很小的温度变化范围内频漂超过1 MHz。ULE材料制作的干涉仪温度特性最好,但是考虑到ULE光学特性较差,很少用于制作镜片,所以放弃。综合考虑选择微晶玻璃来制作共焦法布里-珀罗干涉仪。
共焦法布里-珀罗干涉仪的结构如图2所示,隔离器呈圆筒形状,长200 mm,外径41 mm,内径即通光口径24 mm。腔镜是平凹镜,凹面曲率半径200 mm,光胶在隔离器两端,两个凹面中心相距200 mm。平面镀1064 nm增透膜,透射率99.92%,凹面镀1064 nm全反膜,反射率为99.88%。凹面面型经过干涉仪检测,镀膜前面型均方根(RMS)值为0.003λ,峰谷值(PV)为0.03λ,镀膜后,面型受到一些影响,RMS值为0.008λ,PV值为0.075λ,检测波长633 nm。
同时为了最大范围降低温度及外界环境变化带来的影响,将共焦法布里-珀罗干涉仪置于双层密封温控箱中,温控精度优于0.01 K,通过(3)式可得出采取以上两项措施后,温度引起的干涉仪中心频率漂移低于1 MHz。
3 精细度测量
法布里-珀罗干涉仪腔长选定后,透射谱的半峰全宽(FWHM)主要由精细度确定。对于平面法布里-珀罗干涉仪,精细度主要由面型精细度和反射精细度共同决定,因此决定了精细度不会很高。对于共焦法布里-珀罗干涉仪,总精细度一般比平面法布里-珀罗干涉仪的总精细度要高,主要原因有共焦干涉仪受校整的影响较小,球面腔镜的倾斜不改变通过干涉仪的光程长度;球面镜可以抛光得比平面镜的面型精度更高,而且球面面型的偏差并不抹去干涉结构,只引起干涉环系统的畸变。
对共焦干涉仪的精细度进行测量,光源使用Innolight公司生产的单块非平面环形腔Nd∶YAG激光器,波长1064 nm,输出功率200 mW,可通过外加电压改变激光晶体的温度来连续调谐频率,调谐系数3.4 GHz/V。激光器的线宽很窄,为1 kHz,可以忽略在精细度测量过程中由激光线宽带来的误差。实验中对激光器加载-0.3~0.3 V斜波电压,周期为30 s,对应频率调节系数为34 MHz/s,频率的调谐范围为1020 MHz,大于2个自由光谱范围。实验装置框图如图3所示。透镜1,2用于模式匹配。激光经过两个反射镜后入射到干涉仪内。透射光经过透镜3后聚焦到光电二极管上,通过示波器进行记录。图4为干涉仪的透射谱,经测量自由光谱范围为374 MHz,对应腔长为200.5 mm,单个透射峰的半峰全宽为1.7 MHz,由此计算出干涉仪的精细度为220。针对多普勒激光雷达光源的频率稳定,拟利用该干涉仪,采用边频锁定稳频方案[12]。根据该技术路线,经过稳频后理论上的激光频率漂移为
P0为入射光功率,η为光电探测器的量子效率。通过(4)式可见法布里-珀罗干涉仪的温度漂移是影响稳频结果的最重要因素。实验中选取Ω=30 MHz,β=1.08,P0=100 mW,η=0.12,并使用半峰全宽为1.7 MHz,温控精度优于0.01 K的共焦法布里-珀罗干涉仪作为频率标准进行稳频,经计算理论上稳频精度为0.15 MHz,完全可以满足多普勒测风雷达激光源的稳频要求。
4 结 论
提出了一种新型的共焦法布里-珀罗干涉仪,隔离器和腔镜均使用具有极低热膨胀系数的零膨胀微晶玻璃制成,通过光胶的方式进行组合,置于温控精度优于0.01 K的双层温控箱内,具有极高的温度稳定性。经测试,共焦干涉仪透射谱的半峰全宽为1.7 MHz。理论表明使用该干涉仪稳频,稳频精度可控制在0.15 MHz内,完全可以满足针对多普勒激光雷达激光源短期内频漂低于1 MHz的稳频要求。
参考文献
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作者简介:孙旭涛(1979—),男,黑龙江人,博士研究生,主要从事单频全固态激光器稳频技术方面的研究。E-mail:xutaosun@yahoo.com.cn
导师简介:陈卫标(1969—),男,上海人,研究员,博士生导师,主要从事激光遥感、遥测和激光雷达方面的研究。E-mail:wbchen@mail.shcnc.ac.cn
