铯原子调制转移光谱在激光稳频中的应用

利用铯原子D₂线的调制转移光谱的鉴频特性,实现了光栅外腔式主振荡器-功率放大型(MOPA)半导体激光器相对于铯原子6²S_1/2F=4→6²P_3/2 F’=5超精细跃迁的偏频锁定,在100 ms内激光频率的相对起伏小于±280 kHz.相对于一般的饱和吸收锁频方法而言,调制转移光谱在锁频中的应用不仅彻底消除了Doppler背景对锁频的影响,而且还避免了对激光器直接进行频率扰动而带来的附加频率噪音.     

声光偏频亚多普勒光谱无调制激光频率锁定

将激光器锁定到合适的参考频率标准上 ,可以有效地改善激光器的频率稳定性。采用两个声光调制器(AOM) ,使铯原子D2 线饱和吸收光谱分别发生Ω±Δ绝对频移 ;通过改变射频压控振荡器 (RFVCO)的Vf 端口直流电压调节相对频移间隔Δ ,当相对频率间隔选择合适时两信号相减得到了类色散型鉴频曲线。实验中实现了85 2nm光栅外腔半导体激光器相对于铯原子D2 线6S1/2 F =4 6P3 /2 F′ =5超精细跃迁线 (中心频率ν0 )的无调制偏频锁定 (锁定后中心频率ν0 +Ω ,偏频量为Ω)。由闭环锁定后的误差信号估计 ,5 0s内典型的频率起伏小于± 2 70kHz ,较相同时间段内激光器自由运转时的频率起伏 14MHz有显著的改善。该方法可避免对激光器直接进行频率调制的常规饱和吸收锁频方案所引入的额外频率噪声和强度噪声。     

应用于光抽运铯原子钟的小型稳频激光器（英文）

设计了一种应用于光抽运铯原子钟的稳频激光器,用小型化的饱和吸收装置对激光进行稳频,用于产生饱和吸收谱的泵浦光的偏振方向与检测光的偏振方向相互垂直,通过调节激光的偏振方向增大铯原子的跃迁几率.相对于一般简化的饱和吸收装置,小型化的饱和吸收装置产生的用于锁频的参考信号的幅度更大.当激光频率被锁定在铯原子的6S_(1/2),F=4→6P_(3/2),F=5能级跃迁线上时,对激光器的稳定度进行了测量,百秒稳定度为1.88×10~(-11).该稳频激光器的体积较小,有利于光抽运铯原子钟的小型化和工程化应用.     

采用偏振光谱对外腔半导体激光器稳频时反馈环路带宽的影响

在采用磁光阱实现单个铯原子俘获的实验中, 运用无调制偏振光谱方法将光栅外腔半导体激光器(提供冷却/俘获光)的频率锁定在铯原子6S1/2 F=4→6P3/2 F′=5的超精细跃迁线上.采用偏振光谱技术得到的类色散曲线作为鉴频信号, 并同时对光栅外腔半导体激光器的电流调制端口和光栅外腔的压电陶瓷电压调制端口进行反馈, 以拓展反馈环路的带宽, 实现激光器的频率锁定.与通常的饱和吸收光谱稳频技术相比, 激光频率锁定之后的频率稳定度得到了明显改善.在取样时间τ=300 s时, 阿仑方差σy(τ)=4.6×10-12.     

半导体激光器塞曼调制稳频的实验对比研究

首先阐述了实现半导体激光器外调制锁频方案的必要性,并针对一种利用塞曼效应进行外调制稳频的实验方案,详细地阐述了其基本思想和实验原理,以及这种稳频方案相对于一般的内调制饱和吸收稳频技术在实验上的差异.本文给出的具体实验参数和实验结果表明,这种方案相对于其他方案可以获得同等好的锁频质量.不仅如此,本文还给出了塞曼调制稳频和电流调制稳频的锁定频率输出的监视对比情况,从对比结果中,我们可以清楚地看到塞曼调制稳频使得激光器锁定频率无调制输出的优越特性.     

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。     

F-P腔不同扫频段透射谱锁频精度实验

针对窄线宽激光器输出谱线窄,难以被锁定的情况,利用F-P腔特有极窄线宽、高精细度特性对激光器谱线线宽实施压窄及频率锁定。通过设计实验方案并搭建锁频测试平台,利用F-P腔外部光反馈将窄线宽半导体激光器线宽压窄来提高锁频精度。通过监测正弦波调制下F-P腔对于4种不同直流电压下激光PZT扫频段的透射谱线,并对其分别进行解调和锁频精度测试,得到直流高压放大器电压为73 V时对窄线宽激光器进行扫频,激光器反馈锁频精度最高可达1.5 MHz。     

基于Rydberg原子EIT光谱的激光频率锁定

本文利用Rydberg阶梯型三能级系统的电磁诱导透明光谱实现了509nm倍频激光器的无调制频率锁定。我们在实验中使用852nm激光和509nm激光在铯原子蒸汽池中构成阶梯型三能级体系,852nm激光器的频率锁定在铯原子6S1/2→6 P3/2共振跃迁线上,509nm激光在铯原子激发态6 P3/2→62 D5/2Rydberg态的跃迁频率附近扫描获得了Rydberg态的电磁诱导透明光谱。利用852nm半导体激光器的频率调制作为参考信号,对探测的电磁诱导透明光谱信号进行解调得到误差信号,实现了509nm激光器的频率锁定。通过分析误差信号的频谱,对伺服电路的低频和高频反馈参数进行优化,获得的最佳锁定线宽约为533kHz,最小阿伦方差达到1.5×10-11。     

原子饱和吸收谱谐波稳频短期稳定度研究

介绍了利用腔外饱和吸收谱的三次谐波和五次谐波稳频方法对半导体激光器进行稳频的原理,分析了使用这两种稳频方法对半导体激光器进行稳频时所得到的激光频率短期稳定度的理论估算方法,提出了通过选取最佳调制深度来优化短期稳定度的方法和原理,并在理论上比较了两种稳频方法得到的短期稳定度的差异。然后讨论了半导体激光稳频电路系统的设计,并利用该电路系统,分别用三次谐波和五次谐波稳频的方法将半导体激光器的频率锁定在的^87Rb饱和吸收的F=2→F′=3,1线上,并使用我们提出的短期稳定度优化方案进行稳定度优化,通过对误差信号的分析,估算出的频率稳定度达到10^-12的量级,使用采集到的误差信号在实验上比较了两种稳频方法所得的稳定度的,其结果和理论基本吻合。     

可调谐振幅压缩光的产生及其在频率调制光谱中的应用

通过半导体激光器的注入锁定,产生了频率可在铯原子D2线附近（852。356nm)连续调谐约1GHz以上、压缩度约为0．8dB的振幅压缩光;将其应用在铯饱和蒸气样品的频率调制光谱的演示测量中,信噪比较散粒噪声极限提高了约0．7dB。     

1560 nm连续光半导体激光器经PPLN倍频及经铷吸收光谱稳频

将激光器锁定到合适的参考频率上,可以有效地改变激光器的频率稳定性。1560 nm的分布反馈式半导体激光器,可以通过倍频锁定于铷原子吸收线上。实验中我们利用PPLN准位相匹配晶体进行倍频,当输入光为1.6 W时可以获得25 mW的倍频光,非线性转换系数为0.96%/W。我们还将激光器的频率锁定于Rb原子的吸收线上,30 s内剩余频率起伏约为±3.5 MHz。     

Laser frequency locking based on Rydberg electromagnetically induced transparency

We present a laser frequency locking to Rydberg transition with electromagnetically induced transparency(EIT)spectra in a room-temperature cesium vapor cell. Cesium levels 6S_(1/2), 6P_(3/2), and the n D_(5/2) state, compose a cascade three-level system, where a coupling laser drives Rydberg transition, and probe laser detects the EIT signal. The error signal, obtained by demodulating the EIT signal, is used to lock the coupling laser frequency to Rydberg transition. The laser frequency fluctuation, ~0.7 MHz, is obtained after locking on, with the minimum Allan variance to be 8.9 × 10~(-11).This kind of locking method can be used to stabilize the laser frequency to the excited transition.     

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).     

腔外多普勒频率调制激光稳频方法的研究

利用腔外气体吸收池内的SF_6分子饱和吸收线作为参考频率,并通过振动腔外反射镜使进入吸收池的激光的频率受到多普勒调制,实现了对CO_2激光10P(16)和10P(18)支线频率的闭环锁定,最大频率漂移约为7kHz.该法得到的稳频激光输出不仅无寄生频率调制和幅度调制,并且可将激光频率锁定在独立的分子吸收线中心.     

光学相位锁定激光在原子玻色-爱因斯坦凝聚中实现拉曼耦合

采用光学相位锁定环路技术将外腔反馈式半导体激光器锁定到与钛宝石激光器输出激光频率上. 锁定后两束激光的差频线宽从MHz降低到Hz量级, 同时两束激光的频率差可实现几百兆赫兹到7 GHz的精密调节. 锁定的两束激光作用在铷原子玻色-爱因斯坦凝聚的两个基态超精细态F=2, 1, 观测到在两个超精细态之间的拉曼跃迁. 该技术可用于超冷原子两个超精细态之间自旋轨道耦合.     

Cs 5D_(5/2)-6F 728 nm Laser Spectroscopy with Single Pumping Laser

The sub-Doppler absorption laser spectroscopy at 728 nm transition from the 5D5/2 state to the 6 F state of cesium with linewidth near 10 MHz is first experimentally performed with indirect pumping from the ground state 6S_(1/2)to the state 7P_(3/2)by a 455.5 nm diode laser.Using a 455.5 nm diode laser as an indirect pump laser,several excited states will be populated due to spontaneous decay from the 7P state.We first implement the sub-Doppler absorption laser spectroscopy at 728 nm from the 5D_(5/2)state to the 6F state when Cs atoms within thermal glass cell decay to the 5D_(5/2) state.Due to velocity transfer effect,the hyperfine structure of 5D_(5/2)shows a mixed and complicated pattern but very clear structure when the 455.5 nm pumping laser is counter-propagating(or co-propagating)with the 728 nm probing laser.     

Improving Locking Accuracy of Resonant Optical Gyroscope by Laser and Acoustooptic Frequency Shifter Jointed Pound-Drever-Hall Technique

ABSTRACT

A laser and acoustooptic frequency shifter jointed Pound-Drever-Hall technique is designed to lock the resonant optical gyroscope. Utilizing direct digital synthesizer (DDS) technology and temperature control in the driver, the frequency-shift precision of the acoustooptic frequency shifter higher than 1 Hz is obtained. Experiments show that compared with locking by tuning the laser only, the zero-bias stability of the gyroscope is improved. In this locking scheme, there are few additional devices, the tuning of the laser and the acoustooptic frequency shifter share a common Pound-Drever-Hall locking system, and the demodulation and the locking algorithms are simple.