專利名稱：法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性的測(cè)量方法和測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及法珀干涉儀的頻率穩(wěn)定性，特別是一種法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性的測(cè) 量方法和測(cè)量裝置。
技術(shù)背景隨著激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)激光頻率的穩(wěn)定性提出了更高的要求，法珀干涉 儀被廣泛用作頻率標(biāo)準(zhǔn)來(lái)控制和穩(wěn)定單頻激光的頻率，其頻率穩(wěn)定性直接決定了激 光頻率的穩(wěn)定性，從而決定了激光雷達(dá)的測(cè)量精度，所以測(cè)量法珀干涉儀頻率穩(wěn)定 性有著重要意義。現(xiàn)有的測(cè)量法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性的方法是將穩(wěn)頻激光入射到干涉儀，通過(guò)掃 描法珀干涉儀腔長(zhǎng)，或者掃描激光的頻率，測(cè)量自由光譜范圍隨時(shí)間的變化即為干 涉儀頻率變化。這種方法對(duì)掃描的驅(qū)動(dòng)信號(hào)要求較高，并且測(cè)量的精度較低。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明專利要解決的問(wèn)題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種法珀干涉儀 頻率穩(wěn)定性的測(cè)量方法和測(cè)量裝置。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性測(cè)量方法，該方法是將一單頻激光頻率鎖定在待測(cè) 的法珀干涉儀上，將另一單頻激光頻率鎖定在某一原子或分子的吸收譜線上，將該 兩束激光進(jìn)行拍頻，測(cè)量二者的頻差隨時(shí)間的變化，由于原子或分子吸收譜線的中 心頻率是不變的，所以頻差變化完全是由待測(cè)法珀干涉儀的漂移引起的，由此測(cè)量 法珀干涉儀的頻率穩(wěn)定性。一種法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性的測(cè)量裝置，其特點(diǎn)在于由第一激光器、第一分束 片、電光相位調(diào)制器、第一透鏡、第二透鏡、第一偏振分束片、1/4波片、電光相 位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)源、移相器、混頻器、第一高速光電二極管、第二激光器、第二分束 片、第三分束片、氣體池、第二高速光電二極管、減法器、第一l/2波片、第二1/2 波片、第三高速光電二極管、全反鏡、第二偏振分束片、第四高速光電二極管、頻 率計(jì)、第一低通濾波器、第一放大器、第二低通濾波器和第二放大器組成，其位置 關(guān)系是第一激光器輸出的第一單頻激光光束通過(guò)第一分束片被分為透射光束和反射光 束，該透射光束通過(guò)電光相位調(diào)制器被相位調(diào)制，然后經(jīng)過(guò)與光束垂直放置的第一 透鏡、第二透鏡，實(shí)現(xiàn)與待測(cè)法珀干涉儀模式匹配，經(jīng)與光束成45°放置的第一偏振分束片后完全透射，然后垂直入射到1/4波片和待測(cè)法珀干涉儀，經(jīng)待測(cè)法珀干涉 儀反射的光信號(hào)經(jīng)過(guò)1/4波片后，偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，被第一偏振分束片反射后入 射到第一高速光電二極管，光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后進(jìn)入混頻器，電光相位調(diào)制器驅(qū) 動(dòng)源用來(lái)驅(qū)動(dòng)電光相位調(diào)制器，其輸出信號(hào)的一部分用做本振信號(hào)，該本振信號(hào)經(jīng) 移相器移相后進(jìn)入混頻器并與來(lái)自第一高速光電二極管的電信號(hào)進(jìn)行混頻，由此產(chǎn) 生的電信號(hào)作為鑒頻信號(hào)，經(jīng)第一低通濾波器濾除高頻信號(hào)后的直流信號(hào)經(jīng)第一放 大器放大后反饋到第一激光器，將第一激光器的頻率鎖定在待測(cè)的法珀干涉儀的共 振頻率上；第二激光器輸出的第二單頻光束的光軸上依次是第二分束片、第三分束片、氣 體池和第二高速光電二極管，所述的第二分束片將第二單頻光束分成透射光束和反 射光束兩部分，該透射光束又被第三分束片分為透射光束和反射光束兩部分，該反 射光束入射到第三高速光電二極管，用做差分，消除光強(qiáng)變化帶來(lái)的影響，透射光 束入射到氣體池，氣體池的透射光強(qiáng)由第二高速光電二極管探測(cè)，信號(hào)輸入到減法 器，該電信號(hào)減去第三高速光電二極管的電信號(hào)，產(chǎn)生鑒頻信號(hào)，經(jīng)第二低通濾波 器低通濾波后的直流信號(hào)經(jīng)第二放大器放大后反饋到第二激光器的壓電陶瓷將第二 激光器的頻率鎖定在氣體池內(nèi)的原子或分子對(duì)應(yīng)的吸收譜線上；第一 1/2波片用于調(diào)整由第一分束片反射的第一單頻激光的反射光束的偏振方 向，全反鏡將該光束反射到與該光束反射成45"的第二偏振分束片，并完全透過(guò)，第 二 1/2波片用于調(diào)整第二分束片反射的第二單頻激光束的反射光的偏振方向，使該 光束被與該光束成45"放置的第二偏振分束片完全反射，并與由全反鏡的反射光束共 線，垂直入射到第四高速光電二極管上，產(chǎn)生拍頻信號(hào)，頻率計(jì)用來(lái)探測(cè)該拍頻信 號(hào)頻率變化，即為待測(cè)法珀干涉儀的頻率變化，由此測(cè)得待測(cè)法珀干涉儀的頻率穩(wěn) 定性。所述的第一激光器和第二激光器均為單頻激光器，并且激光腔鏡上粘有壓電陶瓷，通過(guò)外加電壓于所述的壓電陶瓷調(diào)節(jié)激光頻率。所述的電光相位調(diào)制器調(diào)制頻率應(yīng)大于待測(cè)的法珀干涉儀的線寬。 所述的第一分束片、第二分束片和第三分束片均與光束成45"放置，透射光束與反射光束的強(qiáng)度比為1:1。所述的移相器在0'—360。可調(diào)，用于補(bǔ)償本振信號(hào)與光電信號(hào)的相位差。所述的第一激光器的頻率與待測(cè)法珀干涉儀的共振頻率相對(duì)應(yīng)。所述的第二激光器的頻率與所述的氣體池內(nèi)的原子或分子某條吸收譜線的頻率相對(duì)應(yīng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、 采用邊頻鎖定技術(shù)將激光頻率鎖定在待測(cè)法珀干涉儀上，該方法穩(wěn)定度高， 激光頻率變化與待測(cè)法珀干涉儀的頻率變化基本一致。2、 采用了原子或分子躍遷譜線作為頻率標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定度高，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。3、 采用拍頻方案，測(cè)量方法成熟簡(jiǎn)單，可以精確反應(yīng)法珀干涉儀的頻率穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)框中l(wèi)一第一激光器、2—第一分束片、3—電光相位調(diào)制器、4—第一透鏡、 5—第二透鏡、6—第一偏振分束片、7—l/4波片、8—待測(cè)法珀干涉儀、9一電光相 位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)源、IO—移相器、ll一混頻器、12—第一高速光電二極管、13—第二 激光器、14一第二分束片、15—第三分束片、16—原子(分子)氣體池、17—第二高 速光電二極管、18—減法器、19一第一l/2波片、20—第二l/2波片、21—第三高 速光電二極管、22—全反鏡、23—第二偏振分束片、24—第四高速光電二極管、25 一頻率計(jì)，第一低通濾波器26，第一放大器27，第二低通濾波器28，第二放大器 29。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù) 范圍。請(qǐng)參照?qǐng)D1，圖1為本發(fā)明法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)框圖。圖1中 粗實(shí)線表示光信號(hào)，細(xì)實(shí)線表示電信號(hào)的走向。由圖1可見(jiàn)，本發(fā)明法珀干涉儀頻 率穩(wěn)定性測(cè)量裝置由第一激光器l，第二激光器13，第一分束片2，第二分束片14， 第三分束片15，第一透鏡4，第二透鏡5，全反鏡22，電光相位調(diào)制器3，電光相 位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)源9，第一偏振分束片6，第二偏振分束片23，第一1/2波片19，第 二1/2波片20， 1/4波片7，原子或分子氣體池16，移相器IO，混頻器ll，第一高 速光電二極管12，第二高速光電二極管17，第三高速光電二極管21，第四高速光 電二極管24，減法器18，頻率計(jì)25，第一低通濾波器26，第一放大器27，第二低 通濾波器28，第二放大器29組成。其位置關(guān)系是第一激光器1的輸出光束首先通過(guò)第一分束片2,光束被分為兩 部分， 一部分用于穩(wěn)頻，另一部分用于拍頻。第一分束片2透射光束首先通過(guò)電光 相位調(diào)制器3，被相位調(diào)制。然后經(jīng)過(guò)與光束垂直放置的第一透鏡4，第二透鏡5， 實(shí)現(xiàn)與待測(cè)法珀干涉儀8模式匹配。激光經(jīng)與光束成45°放置的第一偏振分束片6 后完全透射，然后垂直入射到1/4波片7和待測(cè)法珀干涉儀8，待測(cè)法珀干涉儀8 反射光信號(hào)經(jīng)過(guò)l/4波片7后，偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，經(jīng)第一偏振分束片6后反射， 然后入射到第一高速光電二極管12，光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)然后進(jìn)入混頻器ll。電光相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)源9用來(lái)驅(qū)動(dòng)電光相位調(diào)制器3，其輸出信號(hào)的一部分用做本振信 號(hào)，該本振信號(hào)經(jīng)移相器10移相后進(jìn)入混頻器11，與第一高速光電二極管12的電 信號(hào)進(jìn)行混頻，由此產(chǎn)生電信號(hào)可作為鑒頻信號(hào)，經(jīng)第一低通濾波器26濾除高頻信 號(hào)，濾波后的直流信號(hào)經(jīng)第一放大器27放大后反饋到第一激光器1，將第一激光器 1的頻率鎖定在待測(cè)法珀干涉儀8的共振頻率上。第二激光器13的輸出光束的光軸上依次是第二分束片14，第三分束片15，原 子(分子)氣體池16，第二高速光電二極管17。第二分束片14將光束分成兩部分， 一部分用做拍頻，另一部分用做穩(wěn)頻。第三分束片15將光束分為兩部分， 一部分入 射到第三高速光電二極管21，用做差分，消除光強(qiáng)變化帶來(lái)的影響。透射光束入射 到原子(分子)氣體池16，透射光強(qiáng)由第二高速光電二極管17探測(cè)，信號(hào)輸入到 減法器18，該電信號(hào)減去第三高速光電二極管21的電信號(hào)，產(chǎn)生鑒頻信號(hào)，經(jīng)第 二低通濾波器28進(jìn)行低通濾波濾除高頻信號(hào)，濾波后的直流信號(hào)經(jīng)第二放大器29 放大，然后反饋到壓電陶瓷將第二激光器13的頻率鎖定在原子(分子)對(duì)應(yīng)吸收譜 線上。第一 1/2波片19用于調(diào)整第一分束片2的反射光的偏振方向，全反鏡22將該 光束發(fā)射到與其成45"的第二偏振分束片23，并完全透過(guò)。第二l/2波片20用于調(diào) 整第二分束片14反射光的偏振方向，使該光束被與其成45"放置的第二偏振分束片 23完全反射，并與全反鏡22的反射光束共線，垂直入射到第四高速光電二極管24 上，產(chǎn)生拍頻信號(hào)，頻率計(jì)25用來(lái)探測(cè)拍頻信號(hào)頻率。該頻率隨時(shí)間的變化即為待 測(cè)法珀干涉儀8的頻率變化，由此測(cè)得待測(cè)法珀干涉儀8的頻率穩(wěn)定性。本實(shí)施例采用的具體器件為所述激光器1和激光器13為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的單縱模激 光器，波長(zhǎng)均為532nm，輸出光束為線偏振光，并且激光腔鏡上粘有壓電陶瓷，可 通過(guò)外加電壓于壓電陶瓷調(diào)節(jié)激光頻率。所述的待測(cè)法珀干涉儀8，主要應(yīng)用波長(zhǎng) 為532nm，透射譜線寬為2MHz。所述的電光相位調(diào)制器3調(diào)制頻率為30MHz。所 述的氣體池16內(nèi)充滿碘分子氣體。所述的第一分束片2、第二分束片14和第三分 束片15均與光束成45。放置，透射比與反射比為1:1。所述的移相器10在0'—360" 可調(diào)，用于補(bǔ)償本振信號(hào)與光電信號(hào)的相位差。所述的第一偏振分束片6和第二偏 振片23均對(duì)p偏振光增透，對(duì)s偏振光全反。本發(fā)明實(shí)施例法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性測(cè)量裝置具體過(guò)程是①第一激光器1輸出的光束經(jīng)第一分束片2被分為兩部分，透射光用于穩(wěn)頻， 反射光用于拍頻。透射光經(jīng)過(guò)電光相位調(diào)制器3進(jìn)行頻率調(diào)制后入射到待測(cè)法珀干 涉儀8，其反射信號(hào)經(jīng)第一偏振分束片6，入射到第一高速光電二極管12轉(zhuǎn)換為電 信號(hào)，該電信號(hào)與本振信號(hào)混頻后產(chǎn)生鑒頻信號(hào)，經(jīng)第一低通濾波器26進(jìn)行低通濾波然后經(jīng)第一放大器27放大后，反饋到第一激光器1的壓電陶瓷將第一激光器1的 頻率鎖定在待測(cè)法珀干涉儀的共振頻率上。② 第二激光器13輸出的第二單頻激光光束經(jīng)第二分束片14被分為兩部分，透 射光用于穩(wěn)頻，反射光用于拍頻。透射光經(jīng)過(guò)第三分束片15被分為兩部分， 一部分 入射到第三高速光電二極管21， 一部分入射到氣體池16，透射光入射到第二高速光 電二極管17,第三高速光電二極管21的電信號(hào)與第二高速光電二極管17的電信號(hào) 輸入到減法器18，產(chǎn)生鑒頻信號(hào)，經(jīng)第二低通濾波器28進(jìn)行低通濾波然后經(jīng)第二 放大器29放大后，反饋到第二激光器13的壓電陶瓷將第二激光器13的頻率鎖定在 碘分子氣體的吸收譜線上。③ 第一分束片2的反射光束經(jīng)第一 1/2波片19調(diào)節(jié)偏振方向后，在第二偏振分 束片23處完全透射。第二分束片14的反射信號(hào)經(jīng)第二 1/2波片20調(diào)節(jié)偏振方向后， 在第二偏振分束片23處完全反射。第二偏振分束片23的透射光與反射光完全共線 入射到第四高速光電二極管24產(chǎn)生拍頻信號(hào)，直接由頻率計(jì)25讀出拍頻頻率，該 頻率的變化是由待測(cè)法珀干涉儀8頻率漂移引起的，由此測(cè)得待測(cè)法珀干涉儀8的 頻率穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1、一種法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性測(cè)量方法，其特征在于該方法是將一單頻激光頻率鎖定在待測(cè)的法珀干涉儀上，將另一單頻激光頻率鎖定在某一原子或分子的吸收譜線上，將該兩束激光進(jìn)行拍頻，測(cè)量二者的頻差隨時(shí)間的變化，由于原子或分子吸收譜線的中心頻率是不變的，所以頻差變化完全是由待測(cè)法珀干涉儀的漂移引起的，由此測(cè)量法珀干涉儀的頻率穩(wěn)定性。
2、 一種法珀千涉儀頻率穩(wěn)定性的測(cè)量裝置，其特征在于由第一激光器(1)、第 一分束片(2)、電光相位調(diào)制器(3)、第一透鏡(4)、第二透鏡(5)、第一偏振分 束片(6)、 1/4波片(7)、電光相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)源(9)、移相器(10)、混頻器(11)、 第一高速光電二極管(12)、第二激光器(13)、第二分束片(14)、第三分束片(15)、 氣體池(16)、第二高速光電二極管(17)、減法器(18)、第一 1/2波片(19)、第 二 1/2波片(20)、第三高速光電二極管(21)、全反鏡(22)、第二偏振分束片(23)、 第四高速光電二極管(24)、頻率計(jì)(25)、第一低通濾波器(26)、第一放大器(27)、 第二低通濾波器(28)和第二放大器(29)組成，其位置關(guān)系是第一激光器(1)輸出的第一單頻激光光束通過(guò)第一分束片(2)被分為透射光 束和反射光束，該透射光束通過(guò)電光相位調(diào)制器(3)被相位調(diào)制，然后經(jīng)過(guò)與光束 垂直放置的第一透鏡(4)、第二透鏡(5)，實(shí)現(xiàn)與待測(cè)法珀干涉儀(8)模式匹配， 經(jīng)與光束成45"放置的第一偏振分束片(6)后完全透射，然后垂直入射到l/4波片 (7)和待測(cè)法珀干涉儀(8)，經(jīng)待測(cè)法珀干涉儀(8)反射的光信號(hào)經(jīng)過(guò)1/4波片 (7)后，偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，被第一偏振分束片(6)反射后入射到第一高速光電 二極管(12)，光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后進(jìn)入混頻器(11)，電光相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)源(9) 用來(lái)驅(qū)動(dòng)電光相位調(diào)制器(3)，其輸出信號(hào)的一部分用做本振信號(hào)，該本振信號(hào)經(jīng) 移相器(10)移相后進(jìn)入混頻器(11)并與來(lái)自第一高速光電二極管(12)的電信 號(hào)進(jìn)行混頻，由此產(chǎn)生的電信號(hào)作為鑒頻信號(hào)，經(jīng)第一低通濾波器(26)濾除高頻 信號(hào)后的直流信號(hào)經(jīng)第一放大器(27)放大后反饋到第一激光器(1)，將第一激光 器(1)的頻率鎖定在待測(cè)的法珀干涉儀(8)的共振頻率上；第二激光器(13)輸出的第二單頻光束的光軸上依次是第二分束片(14)、第三 分束片(15)、氣體池(16)和第二高速光電二極管(17)，所述的第二分束片(14) 將第二單頻光束分成透射光束和反射光束兩部分，該透射光束又被第三分束片(15) 分為透射光束和反射光束兩部分，該反射光束入射到第三高速光電二極管(21)，用 做差分，消除光強(qiáng)變化帶來(lái)的影響，透射光束入射到氣體池(16)，氣體池(16)的 透射光強(qiáng)由第二高速光電二極管(17)探測(cè)，信號(hào)輸入到減法器(18)，該電信號(hào)減去第三高速光電二極管(21)的電信號(hào)，產(chǎn)生鑒頻信號(hào)，經(jīng)第二低通濾波器(28) 低通濾波后的直流信號(hào)經(jīng)第二放大器(29)放大后反饋到第二激光器(13)的壓電 陶瓷將第二激光器(13)的頻率鎖定在氣體池(16)內(nèi)的原子或分子對(duì)應(yīng)的吸收譜 線上；第一l/2波片(19)用于調(diào)整第一分束片(2)反射的第一單頻激光的反射光束 的偏振方向，全反鏡(22)將該光束反射到與該光束反射成45"的第二偏振分束片(23)，并完全透過(guò)，第二l/2波片(20)用于調(diào)整第二分束片(14)反射的第二單 頻激光束的反射光的偏振方向，使該光束被與該光束成45"放置的第二偏振分束片(23)完全反射，并與由全反鏡(22)的反射光束共線，垂直入射到第四高速光電 二極管(24)上，產(chǎn)生拍頻信號(hào)，頻率計(jì)(25)用來(lái)探測(cè)該拍頻信號(hào)頻率變化，即 為待測(cè)法珀干涉儀(8)的頻率變化，由此測(cè)得待測(cè)法珀干涉儀(8)的頻率穩(wěn)定性。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性測(cè)量裝置，其特征在于所述的 第一激光器(1)和第二激光器(13)均為單頻激光器，并且激光腔鏡上粘有壓電陶 瓷，通過(guò)外加電壓于所述的壓電陶瓷調(diào)節(jié)激光頻率。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性測(cè)量裝置，其特征在于所述的 電光相位調(diào)制器(3)調(diào)制頻率應(yīng)大于待測(cè)的法珀干涉儀的線寬。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性測(cè)量裝置，其特征在于所述的 第一分束片(2)、第二分束片(14)和第三分束片(15)均與光束成45"放置，透射 光束與反射光束的強(qiáng)度比為1:1。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性測(cè)量裝置，其特征在于所述的 移相器(10)在0°—360"可調(diào)，用于補(bǔ)償本振信號(hào)與光電信號(hào)的相位差。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性測(cè)量裝置，其特征在于所述的 第一激光器(1)的頻率與待測(cè)法珀干涉儀(8)的共振頻率相對(duì)應(yīng)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2至7任一項(xiàng)所述的法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性測(cè)量裝置，其特征 在于所述的第二激光器(13)的頻率與所述的氣體池(16)內(nèi)的原子或分子某條吸 收譜線的頻率相對(duì)應(yīng)。
全文摘要
一種法珀干涉儀頻率穩(wěn)定性的測(cè)量方法和測(cè)量裝置，該方法是將一單頻激光頻率鎖定在待測(cè)的法珀干涉儀上，將另一單頻激光頻率鎖定在某一原子或分子的吸收譜線上，將該兩束激光進(jìn)行拍頻，測(cè)量二者的頻差隨時(shí)間的變化，由于原子或分子吸收譜線的中心頻率是不變的，所以頻差變化完全是由待測(cè)法珀干涉儀的漂移引起的，由此測(cè)量法珀干涉儀的頻率穩(wěn)定性。本發(fā)明具有測(cè)量穩(wěn)定度高，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02F1/03GK101261179SQ20081003610
公開(kāi)日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
發(fā)明者劉繼橋, 軍 周, 孫旭濤, 陳衛(wèi)標(biāo) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所