激光锁定F-P腔频率的有差锁定研究

基于有差伺服调节技术,实现了外置光学谐振腔的共振频率与钛宝石激光器工作频率的锁定.该技术采用压电陶瓷作为执行元件,通过对压电陶瓷的调制,实现了对透射激光功率的调制,并由锁相放大器解调获得伺服信号,该伺服信号经过高压放大器放大后控制压电陶瓷的伸缩来调控谐振腔的腔长,从而使腔的共振频率锁定在激光频率上.当激光上作于单一频毕时,谐振腔的谐振频率可以长时间地与激光频率保持锁定,锁定后腔的透射光功率相对起伏的稳定性为2%.当激光频率扫描时.谐振腔的谐振频率可以在2 GHz范围内不间断地与激光频率保持锁定.     

双调制深度大线性动态范围自适应PDH稳频方法

针对Pound-Drever-Hall(PDH)技术存在的线性动态范围窄、抗干扰能力弱的问题,提出一种基于双调制深度+双误差信号的PDH稳频方法。首先采用数字正交解调技术精确提取干涉信号相位以实现本振信号相位和干涉信号相位的自动匹配;然后利用透射功率信号P_tran和传统误差信号S_PDH构建一个新误差信号S_pre,以扩大PDH稳频系统的线性动态范围;接着,采用大调制深度对应的新误差信号S_pre实现快速捕获和预锁定;最后,采用小调制深度对应的误差信号S_PDH实现精确锁定。锁定后,可根据P_tran幅值变化自动切换调制深度和误差信号,实现大线性动态范围和高灵敏度的PDH稳频。研制了基于现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)的稳频控制系统,对法布里-珀罗腔进行了锁定测试。实验结果表明,双调制深度+双误差信号的自适应锁定机制可极大地提高锁定系统的抗干扰能力,且锁定精度高,3小时腔长相对稳定度达5.72×10^-9,所提方法可以广泛应用于激光频率/谐振腔锁...     

基于tilt locking(倾斜锁定)技术的一种锁腔方法

基于空间模式的干涉,tilt-locking技术为稳定激光频率或锁定光学谐振腔提供了一种灵活便捷的方法。在本文中,对tilt-locking技术进行了修改并进行了实验演示。该方法使用非谐振的一阶空间模式TEM_(01)模作为相位参考,并利用TEM_(01)模式和TEM_(00)模式的干涉进行光学腔的锁定。在光学腔的反射光路中添加障碍物以阻挡反射光束的一半。反射光束的通过的一半由单像素光电探测器而不是分离探测器来检测,以导出用于将光学腔的TEM_(00)模式谐振频率锁定到激光频率的误差信号。利用此方法可以将光学腔稳定锁定4 h。     

高Q光纤环谐振腔陀螺角速度传感研究

模拟仿真了谐振式光纤环腔的透射谱线以及鉴频曲线,得透射谱线最低谷值对应为调制谐振点,鉴频曲线的线性区为陀螺的工作范围区,线性区中点对应谐振点,可作为标度因数最大值.为了实现谐振点的高精度锁频和稳频,设计了谐振式光纤陀螺角速率测定方案,使用比例积分反馈电路实施锁频,利用正弦波扫描窄线宽激光器(线宽小于1kHz)的压电转化模块,使激光器谐振腔长发生变化,从而改变其输出频率,对谐振光纤环腔随外界环境变化同时进行跟踪和锁定.利用线宽法测试并计算出光纤环形谐振腔的品质因数值为107,对比分析了光纤环腔在谐振点和非谐振点锁定情况下的光电探测实时输出,并通过转动测试,得到两种情况下锁定后陀螺的连续转动效果.计算了光纤陀螺系统理论检测灵敏度,结果表明:谐振点锁定后转动效果对应的陀螺输出电平值为锁定非谐振点转速电平值的3倍,验证了谐振式光学陀螺谐振点锁频的重要性.     

CO2的腔增强吸收与高灵敏吸收光谱研究

腔增强吸收光谱(CEAS)是在衰荡吸收光谱的基础上发展起来的一种新型的直接吸收光谱技术.文章报道了用中心输出波长为1.573μm的窄线宽连续可调谐半导体激光器(DFB封装)作光源,用两块高反射率平凹透镜(在1.573μm附近,凹面反射率R～99.4%,曲率半径r～1 m)组成对称共焦腔作吸收池的腔增强吸收光谱系统.采用扫描腔长的方法改变谐振腔的模式,当激光器的输出频率与谐振腔的某一腔模之间满足共振匹配关系时,激光被耦合到谐振腔内,用探测器接收透过谐振腔的光信号,同时用波长计精确测量激光器的输出波长.在33.5 cm长的吸收池内测量了吸收强度为1.816×10-23cm-1·(molecule·cm-2)-1的二氧化碳分子的弱吸收谱线,探测灵敏度达到了6.78×10-7 cm-1.实验结果表明,腔增强吸收光谱具有灵敏度高,装置简单,易于操作等优点.     

N_2O的离轴腔增强吸收光谱检测技术

基于离轴腔增强光谱检测技术,以可调谐近红外半导体激光器作激光光源,以反射率为99.97%平凹镜组成的光学谐振腔作吸收池,建立了高灵敏度离轴腔增强光谱污染气体检测系统,获得了N2O气体在6 561.39cm-1的吸收光谱.通过对不同浓度N2O样品气体吸收光谱测量,建立了气体浓度与光谱线强度的关系,讨论了气体压强与光谱线宽、检测灵敏度等问题.研究结果表明,离轴腔增强光谱检测技术的检测极限达到了86ppm,是一种设备成本低、操作方便、灵敏度较高、稳定性良好的吸收光谱技术,可以很好地实现微量气体的快速检测.     

双重频率锁定的腔衰荡吸收光谱技术及信号处理

针对传统腔衰荡光谱技术浓度获取率低,提出基于双重锁定的连续波腔衰荡吸收光谱技术.通过波长调制一次谐波信号将激光器的频率锁定到C_2H_2吸收线上,同时使用PDH锁频技术将衰荡腔锁定到激光器上,从而避免了测量过程中激光器的频率漂移和腔长的抖动,使测量结果更加精确;并且,由于双重锁定,单次衰荡事件的发生率,也就是浓度信息的获取率只受衰荡时间以及重新锁定时间限制,在本试验系统中采集速率可以达到30 k Hz,可以实现对气体浓度的快速测量.为了提高信噪比,采用Kalman滤波技术,对浓度信息进行实时处理,有效抑制了噪声,根据阿伦方差分析,探测灵敏度可以达到4×10~(-9)cm~(-1)(2 s平均).     

基于扫描激光的腔增强吸收光谱研究

介绍了一种建立在半导体激光扫描基础上的腔增强吸收光谱技术。简要介绍了从衰荡吸收光谱技术向腔增强吸收光谱的发展及腔增强吸收光谱的实验装置,实验证明能够将 DFB 型半导体激光与高精密光学谐振腔相结合,用简单的实验装置进行高灵敏、高分辨直接吸收光谱测量。实验中,激光器的输出波长用一台波长计精确测量,当激光器的输出频率与某一腔模的频率共振时,激光被耦合到一个用两块高反射率平凹透镜(在 1.572μm 附近,R~0.994)组成的 34cm 长的高精密光学谐振腔,通过测量激光透过谐振腔后的光强,得到了二氧化碳分子在6358.654cm-1附近的吸收光谱,探测灵敏度达到了 1.2×10-5cm-1。     

一个新型的T形耦合谐振光声腔

本文介绍一种工作于耦合谐振频率上的新型谐振式光声腔(T形腔)的设计及其性能.从腔内声压的积分表达式出发,用格林函数对耦合谐振腔的谐振频率作了理论计算,并对实际的T形腔的谐振频率作了数值计算和实验测定,结果表明两者良好吻合.在CO_2激光光声谱仪上,对T形腔性能的测量结果表明,耦合谐振光声腔有高达900左右的Ω值;并在T形腔的小腔的3λ/4开管谐振频率上,背景信号与光声信号是反相的,从而有可能简便而实时地记录下扣除了背景信号的光声谱。对甲醇及苯蒸气的浓度检测灵敏度分别为和     

不同波长的激光器通过法布里-珀罗腔相对于铯原子谱线的锁定

采用共焦法布里珀罗腔(CFP)作为桥梁,可以实现不在原子、分子跃迁线附近的单频激光器相对于原子、分子跃迁线的锁定,从而可以有效地抑制激光频率的漂移。在实验中通过射频频率调制光谱技术结合饱和吸收光谱(SAS)将自制852nm光栅外腔反馈半导体激光器锁定到铯6S1/2Fg=4-6P3/2Fe=4、5交叉线上,通过Pound-Drever-Hall(PDH)射频边带技术将作为桥梁的共焦法布里珀罗腔锁定在852nm激光频率上。再通过PDH方法将830nm和908nm两台远离铯原子D2线的外腔半导体激光器同时锁定在作为桥梁的共焦法布里珀罗腔上,实现了830nm和908nm两台激光器相对于铯原子跃迁线的锁定。由锁定后的误差信号估算,20s内852nm激光器相对于铯原子Fg=4-Fe=4、5交叉线的频率起伏小于±540kHz,830nm、908nm激光器相对于共焦法布里珀罗腔的频率起伏分别小于±340kHz和±60kHz,共焦法布里珀罗腔相对于852nm激光的频率起伏小于±550kHz。     

基于噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术实现光纤激光器到1530.58 nmNH_3亚多普勒饱和光谱的频率锁定

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)由于结合了频率调制光谱与腔增强光谱两种技术,不仅可以将激光耦合到高精细度谐振腔大幅提高腔内功率,还可以实现低气压样品气体的高灵敏测量,因此基于该技术可以实现分子吸收线的饱和,获得亚多普勒光谱,从而能作为激光频率锁定的参考.本文基于光纤激光器的NICE-OHMS技术,将光纤激光器频率锁定到NH3的亚多普勒吸收线上.首先分析了基于Pound-Drever-Hall和DeVoe-Brewer技术实现激光到腔模和调制频率到腔自由光谱区频率锁定的性能,之后在腔内气压为70 mTorr条件下,测量了半高全宽为2.05 MHz的NH3亚多普勒信号,最后将1.53μm的光纤激光器频率锁定到该亚多普勒吸收线上,相对频率偏差为16.3 kHz,阿伦方差结果显示,136 s积分时间下频率稳定度达到1.6×10~(-12).     

基于NICE-OHMS技术进行大气压气样直接检测的理论分析

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)是目前世界上最灵敏的激光吸收光谱技术,其在低压环境中具有极高的探测灵敏度。然而当测量样品处于大气压时,NICE-OHMS系统的探测灵敏度会大幅下降。主要原因之一是大气压下获取最大NICE-OHMS信号幅度的条件与低气压下不同。通过对大气压NICE-OHMS理论进行分析,分析了影响信号幅度的参数,并通过数值模拟来寻找最佳的实验条件。本文着重讨论影响信号的主要参数包括光学腔腔长L,调制系数β,探测相位θ。其中,由于在NICE-OHMS中使用DeVoe-Brewer技术将调制频率ν_m锁定到Fabry-Parot(FP)腔的自由光谱区(FSR)。因此FP腔的腔长决定了ν_m,同时还作用于信号幅度S■。模拟结果显示,当腔长增大时,由于ν_m随之减小,载波和边带的光谱成分相互重叠部分增大,因此线型函数的幅度逐渐减小。而吸收信号幅度随着腔长的增加而逐渐增加,色散信号幅度先增大后减小,并且在腔长等于8 cm时达到最大值。调制系数β会影响频率调制后激光载波和边带的幅度大小,并且影响信号线型。随着腔长的增加,最大信号幅度对应的β值也随之增加。在相同腔长下,色散信号的最佳β值小于吸收信号,更容易使用电光调制器实现。最后分析了参数的可实现性,分析了不同种类激光器的频率调谐能力,压电陶瓷的扫描宽度等。以乙炔气体为例,大气压下NICE-OHMS的谱线半宽达到~3 GHz,而光谱覆盖范围大于10 GHz。分布反馈式半导体激光器(DFB)与外腔二极管激光器(ECDL)的频率调谐范围可以达到30 GHz以上,但是由于激光线宽宽,得到的PDH锁定性能欠佳。回音壁模式激光器(WGM)和掺饵光纤激光器(EDFL)线宽为百Hz量级,是目前高灵敏NICE-OHMS系统中常用的光源。但是WGM目前可以实现了5 GHz的激光频率调谐范围,而EDFL的外部电压可控制的调谐范围仅为3 GHz。使用精细度为55000的腔进行模拟,调制系数β=1,腔长大于8 cm时,可使用WGM激光器实现,腔长大于25 cm时,可以使用EDFL激光器实现。而对于在设计光学腔中常用的伸缩长度为25μm的PZT,随着腔长的增加,对应的腔模频移范围逐渐减小,在腔长为典型的40 cm时,扫描范围大于12 GHz。     

基于中红外量子级联激光器和石英增强光声光谱的CO超高灵敏度检测研究

采用石英增强光声光谱(QEPAS)技术对CO痕量气体展开检测研究. 为了实现超高灵敏度探测, 采用输出波长为4.6 μm的新颖中红外高功率分布反馈量子级联激光器为光源, 实现了对CO气体基频吸收带的激发与测量. 在优化了调制深度、气体压强和提高了CO分子的振动-转动弛豫速率后, 获得了1.95 ppbv的优异探测极限. 在分析检测结果的过程中, 讨论了能级寿命对信号强度的影响, 并对QEPAS信号强度的表达式进行了修正.     

Demonstration of a passive subpicostrain fiber strain sensor

We demonstrate a fiber Fabry-Perot (FFP) sensor that is capable of detecting subpicostrain signals, from 100 Hz and extending beyond 100 kHz, using the Pound-Drever-Hall (PDH) frequency locking technique. A low-power diode laser at 1550 nm is locked to a free-space reference cavity to suppress its free-running frequency noise, thereby stabilizing the laser. The stabilized laser is then used to interrogate a FFP sensor whose PDH error signal yields the instantaneous fiber strain.     

基于自制超稳定F-P腔压窄632.8nm外腔半导体激光线宽的实验研究

窄线宽激光由于其具有单色性好、稳定度高、相干长度长等优点,广泛应用于光电检测领域,包括相干通信、精密测量、光学频率标准、吸收光谱计量以及光与物质相互作用研究等。目前频率稳定的氦氖激光器线宽可以达到MHz量级,分布反馈式（DFB）光纤激光器线宽可达kHz量级,DFB半导体激光器线宽可以达到MHz量级,然而光栅反馈半导体激光器可以实现百kHz量级线宽的输出。为了进一步压窄各类激光器线宽,需要通过反馈控制技术来锁定激光到某一频率参考。该研究将自行设计的超稳腔作为频率参考,实现了632.8 nm外腔半导体激光器（ECDL）线宽的有效压窄。本窄线宽激光产生系统的研制包括超稳腔设计、光路设计、ECDL频率控制以及系统集成。超稳腔采用两镜法布里-珀罗腔（F-P腔）结构,腔体是膨胀系数约为10-6 K-1的微晶玻璃,腔镜为一对反射率达99.988 5%(±0.003 5%）的平面镜和凹面镜。为进一步减小外界环境对F-P腔腔长的影响,需要对腔体进行温度控制,本系统采用四片总功率为96 W的半导体制冷片以及水冷散热设计。同时为了降低声音和空气流动对腔模频率的影响,将F-P腔置于真空度为10-5 torr的真空室中;另外为了有效隔振,腔体与真空室用硅橡胶材料隔离。该系统采用的ECDL为德国Toptica公司的DL pro系列激光器,其具有压电陶瓷（PZT）和电流调制两个频率控制端,响应带宽分别为1 kHz和100 MHz。激光器的频率控制采用了Pound-Drever-Hall （PDH）锁频技术,18 MHz的调制频率加载到激光器的电流调制端,通过对F-P腔的反射信号进行解调获得误差信号,通过两路反馈控制,实现了近1 MHz的锁定带宽。通过对系统的不断优化,最后将自由运转状态下约300 kHz的激光线宽压窄到了10 kHz量级,并且系统运行稳定,连续12小时锁定的频率漂移量约为30 MHz。该研究研制的632.8 nm窄线宽激光源不仅可以应用到吸收光谱计量领域,同时也可以在光学面型精密测量领域发挥重要作用。     

Optical-feedback cavity-enhanced absorption spectroscopy with a quantum cascade laser

Optical-feedback cavity-enhanced absorption spectroscopy is demonstrated in the mid-IR by using a quantum cascade laser (emitting at 4.46 μm). The laser linewidth reduction and frequency locking by selective optical feedback from the resonant cavity field turns out to be particularly advantageous in this spectral range: It allows strong cavity transmission, which compensates for low light sensitivity, especially when using room-temperature detectors. We obtain a noise equivalent absorption coefficient of 3 × 10(-9)/cm for 1 s averaging of spectra composed by 100 independent points. At 4.46 μm, this yields a detection limit of 35 parts in 10(12) by volume for N(2)O at 50 mbar, corresponding to 4 × 10(7) molecules/cm(3), or still to 1 fmol in the sample volume.     

Frequency stabilization of a diode laser on the Cs D2 resonance line by the Zeeman effect in a vapor cell

Hyperfine optical pumping of a Cs-vapor cell through a diode laser in frequency standards requires a high purity of the laser emission spectrum, and a high stability of the emission frequency. We present here a frequency-locking scheme that is able to produce a discrimination signal without any modulation, by using the dichroism induced by a magnetic field on the atomic vapor. The larger line-width of the reference signal (Doppler-broadened) is compensated by its larger amplitude, when compared with the saturated absorption signal. As a final result, the slope is similar, and the large line-width warrants a large locking range, making robust the lock against external perturbations. This error signal is used to lock the frequency of an external cavity diode laser, with a grating reflector in Littman configuration. A fast correction band is obtained by changing the cavity length through an intra-cavity electro-optic modulator. The possible sources of instabilities of the locking point are discussed and estimated through a simulation computer program. Received: 28 November 2000 / Revised version: 21 May 2001 / Published online: 18 July 2001     

Dye laser pumped, continuous-wave KTP optical parametric oscillators

4 (KTP) optical parametric oscillators (OPOs) with pump and idler resonant cavities. With a linear two-mirror cavity the pump power at threshold was 70 mW. The single-frequency signal and idler output wavelengths were tuned in the range of 1025 to 1040 nm and 1250 to 1380 nm by tuning the dye laser in the range of 565 to 588 nm. With a dual three-mirror cavity the threshold was 135 mW. Pumped by 500 mW of 578 nm radiation the 1040 nm single-frequency signal wave output power was 84 mW. Power and frequency stable operation with a spectral bandwidth of less than 9 MHz was obtained by piezo-electrically locking the length of the pump resonant cavity to the dye laser wavelength. Similar performance was achieved by placing the idler resonant OPO inside the resonator of the dye laser. With this system power stable and single-frequency operation was achieved with a spectral bandwidth of less than 11 MHz for the idler wave. Received: 3 February 1998/Revised version: 9 March 1998     

A compact resonant Π-shaped photoacoustic cell with low window background for gas sensing

A resonant photoacoustic cell capable of detecting the traces of gases at an amplitude-modulation regime is represented. The cell is designed so as to minimize the window background for the cell operation at a selected acoustic resonance. A compact prototype cell (the volume of acoustic cavity of ~0.2 cm³, total cell weight of 3.5 g) adapted to the narrow diffraction-limited beam of near-infrared laser is produced and examined experimentally. The noise-associated measurement error and laser-initiated signals are studied as functions of modulation frequency. The background signal and useful response to light absorption by the gas are analyzed in measurements of absorption for ammonia traces in nitrogen flow with the help of a pigtailed DFB laser diode operated near a wavelength of 1.53 µm. The performance of absorption detection and gas-leak sensing for the prototype operated at the second longitudinal acoustic resonance (the resonance frequency of ~4.38 kHz, Q-factor of ~13.9) is estimated. The noise-equivalent absorption normalized to laser-beam power, and detection bandwidth is ~1.44 × 10^?9 cm^?1 W Hz^?1/2. The amplitude of the window-background signal is equivalent to an absorption coefficient of ~2.82 × 10^?7 cm^?1.