基于光纤激光放大倍频的冷原子钟光源

用于激光冷却与原子布居数探测的激光光源是冷原子钟的重要组成部分,选用工业技术成熟的1560 nm光纤激光器和光纤放大器分别作为种子源和光放大器,经非线性倍频晶体对放大后的激光进行倍频,得到较大功率的780 nm的激光,通过饱和吸收稳频得到冷却激光,一部分冷却激光利用电光调制器和声光调制器移频6.8 GHz得到重泵浦激光,对上述激光进行适当的功率分配后提供给冷原子钟。对该套激光装置关键器件进行了特性测试,将稳频后的倍频激光与锁定在超稳激光上的光学频率梳进行拍频,得到的激光的线宽在74 kHz左右,其短期稳定度比外腔半导体激光器提高半个多数量级。将这样的激光光源应用于冷原子钟,可以减小探测激光频率噪声对喷泉钟稳定度的限制。     

用于原子钟的半导体激光器功率稳定研究

基于声光调制器作为反馈器件设计了原子钟常用波段780 nm激光器的功率锁定构型。通过低噪声设计和参数优化实现了关键噪声源的抑制和激光器功率锁定。实验结果表明,在20～10 000 Hz频偏范围内,激光的相对强度噪声得到有效抑制。尤其在1 300 Hz频率处,RIN抑制达到20 dB。同时,中期(9 000 s)功率相对稳定性由±0.754%提升78倍至±0.009 68%。根据CPT原子钟的典型参数,激光相对强度噪声对原子钟频率稳定度影响仅为2.1×10~(–14)@1 s。另外,中期稳定度由无锁定情况下的4.67×10~(-2)提高到锁定状态下的8.67×10~(-5),得到了较好的改进,有利于改善原子钟中期频率稳定度。     

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.     

基于DSP技术的外腔半导体激光器自动稳频系统

实现了一种基于数字信号处理(DSP)技术的外腔半导体激光器的自动稳频装置。该自动稳频装置以铷原子的饱和吸收谱线作为频率参考,采用调制解调技术得到稳频所需的鉴频信号。激光自动稳频装置通过模数转换器以固定的速率不间断地采集饱和吸收信号和鉴频信号,由DSP芯片对采集到的数字信号进行处理和分析。DSP芯片利用通用输入输出端口控制调制信号的开关状态,通过数模转换器控制激光频率扫描以及输出数字反馈。利用所述的激光稳频技术不仅实现了外腔半导体激光器自动稳频,而且能够实时评估激光器的锁定情况,在激光器失锁后及时重新锁定,提高了激光器的长期运行能力。最后,将使用自动稳频技术的激光器应用于空间冷原子钟原理样机地面实验中,该稳频激光可以满足相关科学实验的需求。     

脉冲激光引信用PFM和PWM式LD驱动电路的研究

 在激光引信的通讯系统中，针对引信用脉冲式半导体激光器驱动电路的脉冲宽度、频率、功率可调的需要，根据LD驱动电路的工作原理，建立了LD驱动电路的一般模型。然后用电子多频振荡器提供驱动信号，用双MOS驱动器来驱动半导体激光器，通过大量的实验、仿真、分析、比较，设计出了方便可调的大功率LD的驱动电路，该电路的脉冲频率和脉冲宽度可方便调整。并且该驱动电路的频率调节范围大（10Hz~20kHz）；脉冲宽度可以从几ns到几百ns进行调节，大大提高了激光引信通讯系统的性能与可靠性。     

积分球冷原子钟探测光功率自动稳定实验研究

建立了微瓦量级的激光功率自动稳定实验装置,通过自动反馈控制声光调制器的衍射效率,实现了激光功率的自动稳定。激光功率稳定后,激光相对强度噪声得到有效抑制,接近散弹噪声极限,激光功率的长期稳定度优于2×10-5(1000s)。推导了功率自动稳定系统的环路方程,分析了激光功率稳定环路对相对强度噪声的抑制作用。稳定后的激光应用于积分球冷原子钟的钟跃迁探测,对原子钟稳定度的影响小于1×10~(-13)τ-~(1/2),积分球原子钟的频率稳定度优于5×10~(-13)τ~(-1/2)(τ为取样时间)。     

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。     

调Q二极管泵浦固体激光器激光脉冲高频噪声的检测

为了研究调Q二极管泵浦固体激光器（DPL）激光脉冲输出的稳定性,利用电路网孔法对传统硅光电二极管探测电路进行了分析,发现传统的探测电路无法检测到激光脉冲中多纵模所引起的高频噪声信号(在腔长小于10cm的短谐振腔中其频率通常为1～2GHz)。根据分析结果,改良了硅光电二极管探测电路,利用高速采样示波器采集到了调Q DPL激光脉冲中(1～2)GHz的高频噪声信号。     

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.     

一种内腔式He-Ne激光器频率稳定方法的实验研究

实现了用微型风扇冷却的方法替代常见的加热方式完成对He-Ne内腔激光器的频率稳定.研究了微型风扇驱动电压与转速的响应特性和内腔式He-Ne激光器的热膨胀特性.采用风冷方式对激光器的腔长进行调节和控制,并通过双纵模功率平衡原理完成了激光频率的稳定.稳定后的激光器管壁平均温度低于50℃.与高精度碘稳定激光的拍频实验结果表明,其频率在20h内的波动范围小于1.4 MHz (τ=1 s),4个月内激光频率的相对标准不确定度为U=4.7×10-9.     

894nm高温垂直腔面发射激光器及其芯片级铯原子钟系统的应用

报道了自行研制的894 nm高温垂直腔面发射激光器(VCSEL)以及基于此类器件的芯片级铯原子钟系统的应用实验结果.根据芯片级铯原子钟对VCSEL在特定高温环境下产生894.6 nm线偏振激光的要求,对器件的量子阱增益及腔模位置等材料结构参数进行了优化,确定增益-腔模失谐量为-15 nm,使器件的基本性能在高温环境下保持稳定.研制的VCSEL器件指标为:20—90?C温度范围内阈值电流保持在0.20—0.23 m A,0.5 m A工作电流下输出功率0.1 mW;85.6?C温度环境下激光波长894.6 nm,偏振选择比59.8:1;采用所研制的VCSEL与铯原子作用,获得了芯片级铯原子钟实施激光频率稳频的吸收谱线和实施微波频率稳频的相干布居囚禁谱线.     

双纵模稳频氦氖激光器的光谱与频率复现性分析

对双纵模稳频氦氖激光器的光谱及其频率复现性进行了理论估计,进行了633 nm碘稳定氦氖激光器的拍频实验,实验采用内腔激光器,并采用双纵模稳频的方法,通过观测激光器的两个偏振态互相垂直的相邻纵模的输出,并使二者稳定到功率相等的参考点处,获得激光稳定输出。实验通过观察双纵模稳定激光的模式输出,分析了影响激光频率复现性与频率稳定度的因素,测量了稳定激光的功率和频率稳定度。通过拍频测量,对激光器的频率复现性进行了分析,复现性用频差可以达到(1～2)×10-8量级。通过实验表明,双纵模稳频氦氖激光器的频率复现性完全符合用于长度精密测量的稳频激光器的要求,激光器可以很稳定地工作,稳定度用阿伦偏差表示可以达到10-10量级,可以作为实用的稳频激光标准。     

积分球冷原子钟冷原子数稳定的新方法EI北大核心CSCD

提出了一种积分球冷原子钟冷原子数稳定的新方法。该方法通过周期性地监测冷原子的吸收信号,利用反馈控制冷却激光内声光调制器的衍射效率并改变冷却光功率,实现冷原子数的稳定。推导了冷原子数稳定系统的环路方程,分析了稳定环路对冷原子数涨落的抑制作用。稳定后冷原子数的归一化涨落为1±0.001(3h),其功率谱密度在0.001~0.2Hz频率范围内的最大抑制量约为30dB。该涨落被抑制的原因主要是稳定环路除了直接补偿冷却光激光器输出的光功率变化外,还纠正了外界环境引起的冷原子数漂移。冷原子数稳定之后,由冷原子数涨落引起的原子钟频率稳定度可降低至7×10^(-14)τ^(-1/2)(τ为积分时间)。     

积分球冷原子钟冷原子数稳定的新方法

提出了一种积分球冷原子钟冷原子数稳定的新方法。该方法通过周期性地监测冷原子的吸收信号,利用反馈控制冷却激光内声光调制器的衍射效率并改变冷却光功率,实现冷原子数的稳定。推导了冷原子数稳定系统的环路方程,分析了稳定环路对冷原子数涨落的抑制作用。稳定后冷原子数的归一化涨落为1±0.001(3h),其功率谱密度在0.001~0.2Hz频率范围内的最大抑制量约为30dB。该涨落被抑制的原因主要是稳定环路除了直接补偿冷却光激光器输出的光功率变化外,还纠正了外界环境引起的冷原子数漂移。冷原子数稳定之后,由冷原子数涨落引起的原子钟频率稳定度可降低至7×10~(-14)τ~(-1/2)(τ为积分时间)。     

长寿命电晕预电离XeCl准分子激光器

快放电泵浦的准分子激光器以其简单、易于实现高重复频率运转等优良特性而成为紫外波段中、小型的主要实用器件之一.本文报道了一种有效的电晕预电离设计,增加了激光输出能量并延长了激光器运转寿命. 图1是本试验使用的激光器装置图.激光器放电电极长仅10cm,宽0.32cm,激励体积1-2mL.由于准分子激光器原则上可以按比例放大,故使用小尺寸的激光器装置可以更经济地进行拭验.此外,小尺寸激光器比同样类型大尺寸激光器有较大的面积/体积比,从而可以在更苛刻的条件下进行寿命研究的试验.放电采用Blumlein快放电电路,电路两端电容由环氧印刷线路板…     

干涉测量用半导体激光器驱动电源

设计了一种可调制的高稳定度半导体激光器驱动电路。该电路的直流稳定度高达1.5×10-5，输出电流在0～200mA内连续可调，长时间工作（12h以上）电流变化小于1μA；在直流基础上注入100kHz～300kHz的调制电流，其调制深度为0～100mA连续可调，可实现在激光干涉测量中对光波频率和光波强度的调制。将该电路驱动的光栅外腔半导体激光器和辅助温度控制电路应用于光干涉测量技术中，得到了功率稳定、波长单一的激光输出，解决了激光器的跳模现象，完成了对远距离微小振动（纳米量级）的测量。     

脉冲LD泵浦电光调Q深紫外激光器

研制了千赫兹213 nm深紫外全固态激光器。激光器采用脉冲LD侧面泵浦方式和电光调Q技术,实现了10瓦级基频光的稳定输出。利用多次倍频技术,实现了稳定的213 nm深紫外激光输出。当LD泵浦电流为80 A时,213 nm激光输出的最大平均功率达到了151 m W,激光器重复频率为1 k Hz,激光脉冲宽度为10ns,功率不稳定度为3%。同时,对激光在非线性晶体中的偏振匹配和不同重复频率条件下的激光器运转特性进行了分析。     

小型化铷原子钟高精度频率调节电路设计

在GPS驯服铷钟等相关应用领域中，小型化铷原子钟的频率调节精度是一项重要性能指标．该性能一般由铷钟整机系统中倍频综合器的数字锁相环（PLL）分辨率决定．目前作者所在的课题组研制了一款小型化高性能铷原子钟，具有良好的稳定度指标，但其频率调节无法满足高精度的需求．针对这一问题，本文对原小型化铷原子钟的倍频综合电路进行了分析研究和改进设计，基于一款高精度直接数字频率合成器（DDS）芯片设计了一种小数倍频综合电路，在保证小型化铷原子钟仍具有高稳定度指标的同时，实现了其高精度频率调节的功能．     

一种小型化铷原子钟锁相倍频窄带VCO设计

设计了一款用于小型化铷原子钟锁相倍频器的窄带VCO(压控振荡器)电路.振荡电路采用了稳定性好的克拉泼电路方案.应用仿真软件对该电路进行仿真分析和优化设计.最终设计出的VCO电路主要性能指标为:输出频率范围为440 MHz~470 MHz,频率调谐灵敏度为18 MHz/V,二次谐波抑制度为-15 d Bc,由其构成的锁相倍频器实现了低相噪设计要求,使小型化铷原子钟具备了实现高的频率稳定度潜力.     

双纵模He-Ne激光器的拍频稳定度分析

对He-Ne双纵模激光器中两纵模的拍频稳定度进行了讨论.理论上分析了影响双纵模激光拍频稳定度的因素,推导出在考虑了频率牵引效应后双纵模的拍频稳定度和单模频率稳定度之间的关系.计算结果表明对于632.8 nm波长的He-Ne激光器,当频率牵引参量σ1为10-3时,双纵模的拍频稳定度约为其中任一单纵模频率稳定度的1000倍.实验证明当单纵模频率稳定度为1×10-9时,其拍频稳定度为3.3X10-6.