基于MI自零差法的窄线宽激光器线宽测量

提出了基于迈克尔逊干涉仪的延时自零差法,讨论了该方法测量激光线宽的原理.搭建了线宽测量系统,对窄线宽激光器的线宽进行了测量.测量系统运用数据采集卡获取拍频信号,通过软件算法分析拍频信号自功率谱半峰值宽度实现激光线宽测量.实验测得RIO公司某型窄线宽激光器的线宽为2.7kHz,与该激光器的标称线宽相符合.同时对另一台激光器不同输出光功率下的线宽进行测量,结果表明其线宽和功率成反比关系,进一步验证了基于迈克尔逊干涉仪的延时自零差法测试的准确性.     

回音壁微腔激光器噪声特性数值模拟研究(特邀)EI北大核心CSCD

通过建立包含朗之万噪声源的三模速率方程模型,模拟研究了回音壁模式微腔激光器的噪声特性和线宽特性,特别是注入电流热效应引起的跳模及其对光功率和实现窄线宽的影响。回音壁微腔激光器单模工作时,在大偏置电流下可由低频处的频率噪声得到百kHz以下的激光器线宽;在微腔双模激射状态下,由于模式竞争作用,微腔激光器的相对强度噪声和频率噪声在低频处都有明显的升高,使得激光器的线宽展宽。此外,还采用快速傅里叶变换的方法由时域信号计算获得激光模式光谱线型,由此得到的激光模式线宽与通过频率噪声谱获得的线宽基本一致。     

渡越加宽对非均匀加宽线型和线宽的影响

本文讨论了流动和化学激光器的非均匀加宽介质吸收或发射谱线中的渡越加宽效应;导出了线型函数的积分表示;并在高速流的条件下得到中心频率处线型函数近似表示式;在等效线宽近似下得到渡越加宽使得线宽的增加随流速加快的关系式;并用激光谐振腔菲涅尔数讨论了渡越加宽有意义的条件。     

基于自外差结构的窄线宽激光器频率漂移及噪声测试北大核心CSCD

窄线宽激光器在光学传感领域取得广泛应用,激光器的频率漂移和噪声大小直接影响光学传感器测量精度,采用自外差拍频方法对窄线宽光纤激光器和半导体激光器的频率漂移和噪声特性进行了初步测量。进行了频率漂移测量理论计算,仿真分析了延时光纤长度与频率漂移大小对应关系,确立了延时外差光纤长度;搭建了基于自外差结构的窄线宽激光器频率漂移测试装置,对测试装置组成进行了叙述;基于该测试装置进行了窄线宽激光器的频率漂移和噪声测试,测试表明光纤激光器和半导体激光器均存在明显的频率漂移,漂移速度大约2MHz/10s,光纤激光器的频率噪声要明显低于半导体激光器,与两型激光器的频率噪声测试结果吻合,提出的激光器频率漂移和噪声测试装置,为激光器频率漂移和噪声优选对比提供了一种方便、快捷的测试方法。     

用于光频传递的通信波段窄线宽激光器研制及应用

通信波段窄线宽激光器在基于光纤的光学频率传递中有着重要应用. 本文报道了1550 nm超窄线宽光纤激光器的研制及其在光学频率传递中的初步应用结果. 利用一台激光光源, 分别锁定到两个参考腔上(精细度分别为344000和296000), 锁定后经拍频比对测得单台激光线宽优于1.9 Hz, 秒级频率稳定度为1.7×10^-14, 优于国内同类报道. 将研制的超窄线宽激光器用于光纤光学频率传递, 在50 km光纤盘上实现了 7.5×10^-17/s的传递稳定度, 较采用商用光纤激光器提高了3.2倍.     

纳米流体激光自混频功率谱及其计算

激光自混频技术可用于纳米颗粒和纳米流体的探测。在纳米流体自混频信号自相关函数的基础上,理论推导了功率谱函数的表达式。结果表明,纳米流体的激光自混频信号功率谱是洛伦兹线型和高斯线型的卷积,即佛赫特(Voigt)线型。通过数值计算研究了各种典型情况下激光自混频信号功率谱的频谱特征,颗粒定向运动速度决定了多普勒频移和高斯线宽,颗粒粒度决定了洛伦兹线型的宽度,颗粒粒度和速度与功率谱之间的对应关系为纳米流体的测量提供了理论基础。     

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.     

基于波长调制光谱技术的线宽测量理论及其应用研究

气体吸收谱线的线宽主要包括碰撞作用引起的洛伦兹线宽和分子热运动引起的高斯线宽, 是可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的重要参数. 本项研究在弱吸收条件下, 通过对波长调制法中二次与四次谐波峰值比进行理论分析和仿真计算, 发现无论洛伦兹和高斯线宽如何变化, 二次和四次谐波峰值比具有恒过不动点的特征. 本文基于该不动点提出了一种线宽在线测量的方法, 并以CO₂分子6982.0678 cm^-1 吸收谱线为例进行实验验证. 实验结果表明, 该方法可以精确测量线宽, 进而根据测量得到的线宽确定气体分压和总压, 可有效地提高TDLAS技术在工业现场中的测量精度.     

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。     

光纤受激布里渊增益谱线型特性分析

光纤受激布里渊效应是一种非常重要的光纤非线性效应,受激布里渊增益谱的线型特性,对于光谱分析、微波光子学、光纤传感等领域的应用,至关重要。针对增益谱线型特性研究,现有方法难以获取高信噪比的增益谱数据,介绍了一种采用两个窄线宽激光器的增益谱测量方法,其中一个激光器作为探针信号,另一个可调谐激光器作为泵浦信号在宽波段范围内进行推扫。得益于激光器的高信噪比单谱线特性,并利用偏振跟随特性,实现了高信噪比的受激布里渊增益谱测量。测量并分析了不同泵浦功率,对于谱型和线宽等受激布里渊增益特性的影响,特别是,直接实验测量了增益谱型从洛伦兹线型到高斯线型的演化,揭示了泵浦功率等影响受激布里渊增益水平的因素,对于增益谱线型的影响。实验发现,当泵浦功率超过15 dBm时,增益谱出现饱和效应,导致测量增益谱线宽开始随泵浦功率提高而展宽,难以直接测量得到高泵浦功率时的高斯线型的增益谱。提出通过归一化等校正处理,以获取受激布里渊增益谱与待测信号光谱的有效卷积信息,从而得到了近似为高斯线型的增益谱型;针对中间增益区域增益谱型较为复杂,缺少合适增益谱线型演化数学模型的难题,给出了一种基于k次洛伦兹函数拟合的谱型模型,描述从洛伦兹线型到高斯线型的完整演进过程。实验表明拟合效果良好,是一种行之有效的受激布里渊增益谱线型数学模型,可完整描述增益谱在不同增益时的线型。最后,探索了受激布里渊效应在光谱分析方面的应用,通过合理选择泵浦功率等手段,增益谱型为高斯线型时的光谱分光效果最佳,获取了0.2 pm分辨率的6314CA稳定光源的光谱,显示了光纤受激布里渊效应在超高分辨率光谱分析领域的巨大技术优势,而这对于新一代光网络的验证评估至关重要。     

可调谐半导体激光器的瞬时光谱测量方法研究

可调谐半导体激光器在调谐过程中的瞬时光谱特性,如瞬时的波长、调谐率、功率、线型和线宽等参数影响着以激光器为光源的光学测量和光相干通信系统的精度。然而,能够同时测量这些瞬变参数的技术至今未见报道。提出了一个基于时频分析的测量半导体激光器在调谐过程中瞬时光谱参数的方法,利用一个短时延外差测量系统,利用激光器瞬时光谱参数与差拍信号瞬时参数的关系,最终获得了半导体激光器在连续电流调谐过程中的瞬时光谱。测量系统采用了10 cm光程差的Mach-Zehnder干涉仪,调谐电流是幅度为20~120 mA、频率是1 kHz的锯齿波,差拍信号可视为直流信号、载波信号与噪声的叠加,按照短时延相干光测量原理,差拍信号中的直流分量幅度的大小反映了激光器输出光信号的功率;载波信号是一种多项式相位信号,由其频率可以推算激光器输出光谱的中心频率或波长;噪声信号则与激光器输出光谱的线型和线宽相关,通过对噪声信号进行时频分析,可以获知激光器在连续电流调谐过程中每一时刻或每个电流下的瞬时线型、线宽。采用了趋势局部均值分解方法对差拍信号进行了准确分离,并对分离信号分别进行处理,同时获知了半导体激光器在调谐过程中的瞬时输出光功率、光波长、调谐率及线型、线宽。在去掉弛豫部分后截取的整周期差拍信号对应的调谐电流60~115 mA变化范围内,半导体激光器(FRL15DDR0A31-18950, Furukawa)瞬时输出光功率变化范围是5.16~10.6 mW,瞬时光波长变化范围为1 579.2~1 579.6 nm;激光器的瞬时调谐率在0.004 8~0.011 5 nm·mA-1范围内单调变化;线宽是852.55~954.95 kHz,呈非线性随机分布。基于短时延、局部均值分解和时频分析方法的瞬时光谱参数测量系统可以准确得到各瞬时光谱参数,测量结果与激光器的静特性相符,且测量系统结构简单,使我们更深入地理解激光器的工作原理,具有广阔的应用前景。     

Frequency comb linewidth of an actively mode-locked fiber laser

We report what is to our knowledge the first measurement of the linewidth of the frequency comb lines of a mode-locked Er-doped fiber laser. By propagating the output pulses through fiber as long as 1000 km in a modified self-heterodyne arrangement, we have measured the effective linewidth of the comb lines to be less than 12 kHz on a 5-ms time scale; the width is due primarily to frequency jitter from environmental fluctuations. Deconvolution of the spectral line shapes by use of Voigt analysis yields an upper limit of the intrinsic Lorentzian width of 3 kHz.     

Linewidth measurement of Littrow structure semiconductor laser with improved methods

In this Letter, the frequency noise spectrum is analyzed in the experiment of the laser linewidth measurement. The power spectrum of three most widely used laser linewidth measurement methods, i.e., the heterodyne measurement, the self-homodyne measurement and the self-heterodyne measurement, are restudied both theoretically and experimentally. A scheme adopting an avalanche photodetector (APD) in the delayed self-heterodyne (DSHT) method is proposed, and an indirect determined result is given.     

10 GHz regeneratively mode-locked semiconductor optical amplifier fiber ring laser and its linewidth characteristics

A 10 GHz regeneratively mode-locked semiconductor optical amplifier fiber ring laser with a picosecond pulse duration was newly constructed, and the linewidth change of a longitudinal mode was measured for various laser cavity lengths using a delayed self-heterodyne detection method. The detected line shape was approximately Gaussian for cavity lengths of 3.4-171 m. This result indicates that the laser linewidth depends strongly on thermal or acoustic cavity length fluctuations. The linewidth was proportional to the inverse square root of the cavity length, and a linewidth of 1.7 kHz was obtained for a cavity length of 171 m.     

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。     

Long-external-cavity distributed Bragg reflector laser with subkilohertz intrinsic linewidth

We report on a simple, compact, and robust 780 nm distributed Bragg reflector laser with subkilohertz intrinsic linewidth. An external cavity with optical path length of 3.6 m, implemented with an optical fiber, reduces the laser frequency noise by several orders of magnitude. At frequencies above 100 kHz the frequency noise spectral density is reduced by over 33 dB, resulting in an intrinsic Lorentzian linewidth of 300 Hz. The remaining low-frequency noise is easily removed by stabilization to an external reference cavity. We further characterize the influence of feedback power and current variation on the intrinsic linewidth. The system is suitable for experiments requiring a tunable laser with narrow linewidth and low high-frequency noise, such as coherent optical communication, optical clocks, and cavity QED experiments.     

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。     

Spectral filtering of dual lasers with a high-finesse length-tunable cavity for rubidium atom Rydberg excitation

We propose and demonstrate an alternative method for spectral filtering and frequency stabilization of both 780-nm and 960-nm lasers using a high-finesse length-tunable cavity(HFLTC). Firstly, the length of HFLTC is stabilized to a commercial frequency reference. Then, the two lasers are locked to this HFLTC using the Pound–Drever–Hall(PDH) method which can narrow the linewidths and stabilize the frequencies of both lasers simultaneously. Finally, the transmitted lasers of HFLTC with each power up to about 100 μW, which act as seed lasers, are amplified using the injection locking method for single-atom Rydberg excitation. The linewidths of obtained lasers are narrowed to be less than 1 k Hz, meanwhile the obtained lasers' phase noise around 750 k Hz are suppressed about 30 d B. With the spectrally filtered lasers, we demonstrate a Rabi oscillation between the ground state and Rydberg state of single-atoms in an optical trap tweezer with a decay time of(67 ± 37) μs, which is almost not affected by laser phase noise. We found that the maximum short-term laser frequency fluctuation of a single excitation lasers is at ～ 3.3 k Hz and the maximum long-term laser frequency drift of a single laser is ～ 46 k Hz during one month. Our work develops a stable and repeatable method to provide multiple laser sources of ultra-low phase noise, narrow linewidth, and excellent frequency stability, which is essential for high precision atomic experiments, such as neutral atom quantum computing, quantum simulation, quantum metrology, and so on.     

利用自差法研究激光二极管泵浦Nd:YVO_4激光器的线宽

用光纤延时自差法测量二极管激光纵向泵浦单频运转的Nd：YVO4激光器的线宽。在1秒时间内，激光线宽为25kHz。还测量了线宽与激光器腔长和输出功率的关系。     

高斯白噪声相位调制的激光光谱展宽

激光器是现代光学中一种常用的光源,分析其谱宽特性对于激光的研究具有重要意义.由于高性能窄线宽激光的半高全宽通常在几十M Hz以内,难以直接满足宽光谱领域的应用需求,因而无法发挥其在成本和性能方面的优势,这在一定程度上限制了激光的发展.如果在激光内部直接进行调制实现线宽展宽,又会导致频率的严重漂移,破坏稳频特性.为了在激...