用于全光铯原子磁力仪的激光器稳频技术研究

全光铯原子磁力仪是采用光学的方法实现微弱磁场检测,激光频率稳定性直接影响磁力仪的灵敏度。分析了二向色性原子蒸气激光频率锁定(Dichroic atomic vapor laser lock DAVLL)技术用于稳定激光器频率的原理,及其在全光原子磁力仪中的应用优势,发现通常的二能级原子模型不适用于分析铯原子D2线的稳频。实验测量了不同磁场下铯原子D2线基态Fg=4和Fg=3跃迁的DAVLL光谱,发现16mT是实现DAVLL稳频的最佳磁场;在此磁场附近,基态Fg=4跃迁鉴频曲线零点相对于Fg=4→Fe=5跃迁会产生6MHz/mT的线性频移,基态Fg=3跃迁鉴频曲线零点相对于Fg=3→Fe=4线会产生-9MHz/mT的线性频移。     

利用钟跃迁谱线测量超稳光学参考腔的零温漂点

在87Sr光晶格钟实验系统中,通过将自由运转的698 nm激光频率锁定在由超低膨胀系数的玻璃材料构成的超稳光学参考腔上,从而获得短期频率稳定性较好的超稳窄线宽激光.超稳光学参考腔的腔长稳定性决定了最终激光频率的稳定度.为了降低腔长对温度的敏感性,使激光频率具有更好的稳定度和更小的频率漂移,利用锶原子光晶格钟的钟跃迁谱线,测量了698 nm超稳窄线宽激光系统中超稳光学参考腔的零温漂点.通过对钟跃迁谱线中心频率随温度的变化曲线进行二阶多项式拟合,得到698 nm超稳窄线宽激光系统的零温漂点为30.63℃.利用锶原子光晶格钟的闭环锁定,测得零温漂点处698 nm超稳窄线宽激光系统的线性频率漂移率为0.15 Hz/s,频率不稳定度为1.6×10^–15@3.744 s.     

激光稳频技术的研究及进展

激光稳频技术广泛应用在量子光学和量子通讯的实验系统中,用于提高激光频率的稳定度或改善光学谐振腔的输出稳定性等。本文综述了基于光学谐振腔共振频率的稳频技术如PDH(Pound-Drever-Hall)稳频技术、Lock-in鉴相稳频技术、Tilt-locking稳频技术的研究进展,并在这些稳频技术的基础上,阐述了新型改进和发展的自动激光稳频技术。     

铷原子饱和吸收光谱与偏振光谱对780nm半导体激光器稳频的比较

将激光频率锁定于合适的参考频率,可以有效地抑制激光器的频率起伏。本文采用铷原子D2线超精细跃迁线的饱和吸收光谱和偏振光谱分别获得鉴频曲线,通过电子伺服系统将频率校正信号负反馈到780 nm光栅外腔反馈半导体激光器外腔的压电陶瓷上的方法对激光器进行稳频。介绍了两种方法的基本原理和实验方案。与激光器自由运转300s时激光器典型的频率起伏约6.6 MHz相比,采用饱和吸收光谱和偏振光谱进行稳频,运转300 s时激光器典型的残余频率起伏分别约为1.5 MHz和0.6 MHz。分析表明,饱和吸收光谱稳频采用了相敏检波技术,需要对激光器进行频率调制,带来了额外的频率噪声,而偏振光谱稳频则是一种完全无频率调制的稳频方案。     

铷原子饱和吸收光谱与偏振光谱对780nm半导体激光器稳频的比较

将激光频率锁定于合适的参考频率,可以有效地抑制激光器的频率起伏。本文采用铷原子D2线超精细跃迁线的饱和吸收光谱和偏振光谱分别获得鉴频曲线,通过电子伺服系统将频率校正信号负反馈到780 nm光栅外腔反馈半导体激光器外腔的压电陶瓷上的方法对激光器进行稳频。介绍了两种方法的基本原理和实验方案。与激光器自由运转300s时激光器典型的频率起伏约6.6 MHz相比,采用饱和吸收光谱和偏振光谱进行稳频,运转300 s时激光器典型的残余频率起伏分别约为1.5 MHz和0.6 MHz。分析表明,饱和吸收光谱稳频采用了相敏检波技术,需要对激光器进行频率调制,带来了额外的频率噪声,而偏振光谱稳频则是一种完全无频率调制的稳频方案。     

原子沉积台控制系统实验研究

研究了以稳定F-P腔腔长来控制原子沉积台与驻波光场之间相对位置的稳定性。在简要分析F-P腔工作原理的基础上,设计了F-P腔腔长锁定反馈控制系统。该系统以633nm稳频激光作为基准光源,通过光电转换、调制与解调、比例积分等控制环节,实现了将F-P腔的谐振频率锁定到基准光源的频率上。实验结果表明,锁定后的F-P腔腔长的稳定度达到了10-8以上,可满足原子光刻技术中对沉积台与驻波光场相对位置稳定的应用要求。     

基于二次谐波特性的DFB激光器稳频新方法研究

窄线宽稳频激光器在工业生产控制中具有广泛的应用,但自由运转的半导体激光器的频率漂移限制了激光器的使用。为稳定半导体激光器的频率,提出了一种基于二次谐波吸收特性来实现窄线宽二极管激光器的稳频新方法,利用1.396 μm的DFB二极管激光器测量水汽的二次谐波信号来实现激光的稳频,实验结果表明在100 h内激光器输出波长漂移有效的抑制在±0.16 pm范围内,激光稳频后,其吸收峰的位置不随环境温度的变化而漂移。该方法具有简单、可靠等优点,对二极管激光频率的稳定具有广阔的应用前景。     

用于互组跃迁谱测量的窄线宽激光系统

采用Pound-Drerer-Hall稳频技术将689 nm激光锁定在高精细度超稳极低膨胀系数材料腔上,实现用于探测锶原子互组跃迁谱的窄线宽激光.利用光腔衰荡光谱技术,测量了不同阶次多横模情况下腔的精细度,并在理论上分析了平凹型Fabry-Perot腔的损耗与多横模阶次的关系.考虑了光开关延时及探测器响应时间在测量中的影响,对腔衰荡时间的实验测量值进行了修正.利用光纤飞秒光频梳测量了激光器的频率漂移,测出窄线宽激光频率稳定度的秒稳优于2.8×10-13.利用窄线宽激光在锶原子束上观测到具有高信噪比的窄线宽原子跃迁谱线,实验测得谱线的线宽为55 kHz,该窄线宽原子谱线可应用于锶原子二级冷却激光绝对频率的精确测量及锶原子互组跃迁谱的四种同位素位移测量.     

利用稳频激光稳定F-P腔腔长的研究

为实现对F-P腔腔长的控制,设计了F-P腔腔长锁定控制系统。该系统以633nm稳频激光作为基准光源,通过控制系统驱动压电陶瓷调节F-P腔的腔长,以实现将F-P腔的谐振频率锁定到基准光源的频率上。实验结果表明,该方案切实可行,锁定后的F-P腔腔长的不确定度可达10-10量级。该方法在原子沉积技术中对于实现沉积台的稳定具有重要的指导意义。     

CPT原子频标实验研究

介绍了相干布居囚禁（CPT）原子频标的小型、低功耗物理系统,并应用它开展实现了CPT原子频标的激光锁定、微波锁定方案的实验室研究.通过采用电流负反馈将激光频率锁定在原子对激光的吸收峰上,电压负反馈将微波频率锁定在电磁感应透明共振峰上,用该物理系统实现了闭环锁定的实验室桌面CPT频标实验系统.对该实验系统的频率稳定度测量获得200 s内优于5×10^-11τ^-1/2的结果. 关键词： CPT原子频标 频率稳定度 激光稳频