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。     

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.     

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。     

基于飞秒光频梳的双频He-Ne激光器频率测量

利用光纤飞秒光频梳和外腔可调谐半导体激光器, 建立了一套双频He-Ne激光器频率测量系统. 选用铷钟作为系统的频率基准, 通过将外腔半导体激光锁定至光频梳使得其频率溯源至铷钟, 再利用外腔可调谐半导体激光与双频He-Ne激光器输出的正交偏振激光拍频, 同时测量两路正交偏振激光频率. 将可调谐半导体激光器锁定至光频梳第1894449个梳齿, 其绝对频率为473612190000.0±2.7 kHz, 相对不确定度为5.7×10^-12. 对商品双频He-Ne激光器进行频率测量实验, 双频He-Ne激光器水平方向偏振激光频率均值为473612229934 kHz, 竖直方向偏振激光频率均值为473612232111 kHz, 平均时间为1024 s的相对Allan标准差为5.2×10^-11, 频差均值为2.177 MHz, 标准偏差为2 kHz.     

掺Er光纤飞秒激光器中电光晶体对激光器参数的影响

由于受增益介质上能级寿命的影响,掺Er光纤光梳的梳齿线宽一般在百kHz量级.为了实现光梳梳齿线宽的压窄,一种有效的方法是在激光器中增加快速响应的电光晶体,使光纤光梳的伺服锁定带宽提高到百kHz以上,为光纤光梳的快速伺服锁定提供反馈机构.这其中,高品质的飞秒激光器是核心.基于此,本文主要研究了掺Er光纤飞秒激光器中电光晶体对激光器参数的影响.通过计算电光晶体的折射率、色散、相位延迟等参数,分析了电光晶体对激光器参数的影响,并在实验上获得了电光晶体电压对激光器重复频率和载波包络偏移频率的影响,进而通过电光晶体实现了对光纤光梳重复频率和载波包络偏移频率的锁定.通过锁定光纤飞秒激光器与窄线宽激光器的拍频信号,验证了电光晶体的引入使激光器的伺服锁定带宽提高到了236 kHz,为窄线宽飞秒光学频率梳的建立提供了技术基础.     

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。     

频率可调谐光栅反馈式扩展腔二极管激光器的搭建与测试

采用Littrow结构,用半导体激光器加上光栅反馈组成外腔可调谐半导体激光器.利用光栅的1级衍射光,反射至激光管选择激光频率,获得红光或近红外波长的单纵模、窄带宽、连续可调谐的激光输出.光栅平面同时作为激光外谐振腔的一个端面,外腔的模式选择、光栅选频作用,以及激光管本身的模式选择(内腔模式)的共同作用,最终产生可调谐的单纵模激光输出.     

852nm窄带滤光片外腔反馈半导体激光器的优化

外腔半导体激光器是激光光谱学、原子物理学及量子光学领域广泛应用的光源。本文介绍我们研制的利用超窄带宽滤光片作为激光纵模选择元件且反馈量可变的猫眼型852nm外腔半导体激光器(IFECDL)。旋转窄带滤光片的角度,激光波长粗调范围为14nm。利用光纤延时自差拍法测量了窄带滤光片外腔半导体激光器的线宽,单滤光片进行选频的IF-ECDL线宽约为211kHz,双滤光片情形的IF-ECDL线宽约为187kHz。激光频率连续调谐范围大于1.5 GHz,获得了铯原子D2线的两组饱和吸收光谱。所研制的IF-ECDL可应用于精密光谱测量、光通信、激光冷却与俘获铯原子等方面。     

高重复频率、单模纳秒脉冲全光纤激光器

报道了一种基于主振荡放大技术的全光纤脉冲激光器.种子激光器使用直接调制的单纵模半导体激光器,其输出波长为1 063.8 nm,重复频率100 kHz～10 MHz连续可调谐,光纤放大器采用了多级放大器级联的方法.在重复频率100 kHz、脉冲宽度5 ns时,激光器获得了平均功率为1.2 W,峰值功率为2.4 kW的单横模激光脉冲输出.     

A Narrow Line Width Tunable Diode Laser System

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Stabilization and Shift of Frequency in an External Cavity Diode Laser with Solenoid-Assisted Saturated Absorption

A simple method to realize both stabilization and shift of the frequency in an external cavity diode laser （ECDL） is reported. Due to the Zeeman effect, the saturated absorption spectrum of Rb atoms in a magnetic field is shifted. This shift can be used to detune the frequency of the ECDL, which is locked to the saturated absorption spectrum. The frequency shift amount can be controlled by changing the magnetic field for a specific polarization state of the laser beam. The advantages of this tunable frequency lock include low laser power requirement, without additional power loss, cheapness, and so on.     

1560nm激光经PPLN和PPKTP晶体准相位匹配倍频研究

将1560nm光栅反馈复合腔半导体激光器产生的连续激光注入掺铒光纤放大器,放大至约5 W,分别采用周期极化铌酸锂(PPLN)和周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体单次穿过进行准相位匹配倍频,对应获得约336mW和210mW的780nm激光输出,倍频效率约为7%和4.4%。通过监视倍频光纵模,显示其具有良好的单频输出特性。此外,还扫描测得了Rb原子D2线的吸收光谱,表明780nm激光的频率调谐范围大于10GHz。采用无调制偏振光谱技术将1560nm半导体激光器频率锁定至87 Rb 5S1/2(Fg=2)-5P3/2(Fe=3)超精细跃迁线上。相对于自由运转450s内1560nm激光频率起伏约4MHz,锁定后可将残余频率起伏压低至1.5MHz左右。     

Wide and fast-frequency tuning for a stabilized diode laser

External-cavity diode laser (ECDL) has important applications in many fundamental and applied researches. Here we report a method to fast and widely tune the frequency of a stabilized ECDL. The beat frequency between the ECDL and a frequency-locked reference laser is identified by the voltage-controlled oscillator contained in a phase detector, whose output voltage is subtracted from the flexibly controlled PC signal to generate an error signal for stabilizing the ECDL. The output frequency of the stabilized ECDL can be shifted at a short characteristic time of ~ 150 μs within a range of ~ 620 MHz. The wide and fast-frequency tuning achieved by our method is compared with other previous works. We demonstrated the performance of our method by the efficient sub-Doppler cooling of Cs atoms with the temperature as low as 6 μK.     

Frequency-locked tunable LD laser with a broad bandwidth

Using lock-in amplifer and proportional, integral, and derivative (PID) electric circuit, the frequency of diode laser is stabilized on a highly mechanical stable Fabry-Perot (FP) cavity transmission peak. When the frequency locking system is on, the frequency tunable range of the laser is about 4 GHz around the D1 transition of Rb. The laser frequency tuning is implemented by scanning the FP cavity length. The fluctuation of frequency of the output laser is less than 1 MHz, and the drift of the center frequency is less than 1.5 MHz in 1.5 min. This system has great potential of the application in the experimental investigation of the interaction between light and atoms, especially, for the case of far off the atomic resonance.     

Precise frequency measurements of atomic transitions by use of a Rb-stabilized resonator

We demonstrate a technique for frequency measurements of atomic transitions with a precision of 30 kHz. The frequency is measured with a ring-cavity resonator whose length is calibrated against a reference laser locked to the D2 line of 87Rb, the frequency of which is known with 10-kHz accuracy. We have used this method to measure the hyperfine structure in the 5P(3/2) state of 85Rb. We obtain precise values for the hyperfine constants, A = 25.041(6) MHz and B = 26.013(25) MHz, and a value of 77.992(20) MHz for the isotope shift in the D2 line.     

微片Ｎｄ∶ＹＡＧ 双频激光器腔调谐现象研究

 基于微片Ｎｄ∶ＹＡＧ 正交偏振双频激光器,研究了若干重要的双频激光器腔调谐现象, 包括光强调谐、频差调谐、子谐振腔效应及频差闭锁等,给出了实验结果和数据。腔调谐下,正交双频的频差调谐量约为３５０ ｋＨｚ;存在子谐振腔效应时,频差调谐量最大可达到２ ＭＨｚ;未发现明显频差闭锁现象,频差最小值可达到１４ ＭＨｚ。     

基于高精细度光腔锁频激光的分子吸收光谱测量

利用高精细度光腔锁定激光频率,实现了对分子吸收光谱的高精度测量.光腔采用低热膨胀系数的殷钢结构设计和温度控制,实现了腔长度的稳定;通过将激光频率锁定在光腔纵模上,实现了高频率精度和高灵敏度的光腔衰荡光谱测量.利用该装置示范性地测量了二氧化碳分子在6470.42 cm~(-1)附近的光腔衰荡光谱和色散光谱,得到了高精度的谱线参数,并和数据库谱线参数进行了对比.     

利用自相位延迟方法测量单块腔反馈半导体外腔激光器的线宽

提出了采用单块折叠法布里-珀罗(F-P)腔作为外腔反馈元件实现窄线宽半导体激光器,采用单块腔的光学反馈来锁定外腔激光器,使用自相位延迟法测量该窄线宽激光器的线宽。实验结果表明,激光器线宽小于35kHz。实验还观测到由于单块腔耦合面上各耦合点的几何量和物理量误差不一样,随着折叠面兼输入输出耦合面上的耦合点的变化,外腔激光器的线宽发生改变。