电光调制器低频控制对受残余幅度调制影响的频率调制光谱线型优化研究

频率调制(FM)光谱技术中由于激光偏振态变化产生的残余幅度调制(RAM)使其在微量气体检测中的应用受到极大的限制。理论上详细分析了这一过程产生的原因,获得了存在RAM时FM光谱线型的表达式,同时给出N.C.Wong和J.L.Hall(W-H)方案抑制RAM后的FM光谱线型表达式;在实验上通过对乙炔气体的测量获得了存在RAM时的光谱线型,同时采用W-H方案对RAM进行了抑制,并获得了优化的光谱线型;最后基于理论结果对实验线型进行了拟合,两者差值小于信号峰峰值的4%。     

光纤频率调制光谱技术中残余幅度调制特性的研究

频率调制光谱(FMS)技术不仅可以用来同时测量原子和分子的吸收和色散,还是噪声免疫腔增强光外差分子光谱(NICE-OHMS)的关键技术,由于光纤器件的引入或光源输出光的偏振态不稳定等因素会诱发残余幅度调制(RAM),RAM的产生使得FMS技术在痕量气体检测中的应用受到极大的限制,因此研究光纤FMS中RAM的特性具有非常重要的意义。研究首先通过理论分析了无吸收时的FMS信号的线型及RAM的影响因素,实验测量无吸收时输入偏振方向和输出偏振方向及电光调制器(EOM)温度对光纤FMS中RAM的影响,均与RAM存在线型关系,验证了理论分析结果,并为RAM的抑制工作以及基于RAM的其他应用提供了依据。     

电光调制器输入端光纤温度对光纤频率调制光谱影响的研究

激光光谱技术由于其高灵敏、高分辨、可在线检测等优点被广泛的应用与痕量气体探测领域,而频率调制光谱(FMS)技术由于其除了探测灵敏度高的优点外且可同时探测气体样品的吸收和色散,通常还被应用于原子分子物理、量子光学等领域。发展全光纤FMS可以在保持气体探测灵敏度的同时有效简化实验装置,然而FMS是一项偏振态敏感技术,光纤温度变化等引起不适当的偏振态变化会诱发残余幅度调制(RAM),该RAM不仅使FMS线型扭曲,同时对其色散信号产生直流偏置,因此研究光纤温度对RAM特性的影响具有非常重要的意义。研究首先通过理论和实验验证了相位可控波片模型解释保偏光纤特性的可行性,然后实验测量了进入电光调制器(EOM)前保偏光纤温度对RAM的影响,发现由RAM引起的色散光谱直流偏置随温度呈正弦变化,且在24和26.8 ℃时直流偏置为零,即无RAM的状态,然而基于温度的直接RAM消除无法替代Wong-Hall提出的伺服反馈控制来实现其长期抑制,这种温度诱发RAM的变化也是所有FMS色散信号背景漂移的主要原因。     

电光相位调制器中剩余幅度调制变化的抑制

实验研究了电光相位调制中剩余幅度调制以及它的变化引起的碘稳频532 nm光频标的频率漂移。观测了电光晶体温度与剩余幅度调制和光频标锁定后激光频率之间的变化关系。研究了利用主动电压反馈抑制剩余幅度调制的实际效果和存在问题。提出并实现了采用主动温度反馈控制电光晶体温度对剩余幅度调制变化的抑制。实验表明,在主动温度反馈系统闭环后,剩余幅度调制基波成分的抑制程度超过40 dB,同时有效地控制了剩余幅度调制的变化。采用该系统后,没有发现产生附加的激光频率起伏。测量的百秒至万秒取样时间的激光频率稳定度可达到或优于5×10-15,明显地改善了碘稳频532 nm光频标的中长期激光频率稳定度。     

电压调制光谱中的残余幅度噪声的研究

从理论和实验上研究了残余幅度噪声（ＲＡＭ）对谐波探测的影响。通过对Ｈａｒｃｅｙ－Ｍｙａｔｔ外腔式二极管激光器进行低频（１ＫＨｚ）电压调制和高次（２ｆ以上）谐波探测获得了１０＾－６的最小探测吸收率。     

调制转移光谱光频率标准系统中电光参数的优化研究

根据窄带相位调制光在非线性吸收介质中的近简并四波混频的物理机理,分析了采用电光调制器实现调制转移光谱(MTS)技术的电磁场激励及其动态演化过程,建立了MTS中频率色散谱和吸收谱的理论模型. 研究结果表明:以分子吸收谱线色散谱信号作为频率误差鉴别信号时,系统调制频率取0.72倍谱线线宽附近可以得到最佳的色散信号强度;解调相位的变化对吸收谱的影响很大,但对色散谱而言,解调相位在90°附近的小范围波动对频率误差信号解调效果影响不大;调制度在0.5–1区域可以得到较好的综合稳频效果. 关键词： 光频率标准 调制转移光谱 频率稳定 电光参数优化     

碘吸收激光稳频中调制信号的理论计算

激光频率标准是将激光频率锁定于原子或分子的超精细能级间的跃迁频率,从而获得高精密度的激光频率输出。在激光稳频研究工作中,通常将碘分子的吸收谱线采用导数谱、FM光谱和调制转移光谱MTS(ModulationTransferSpectroscopy)进行频率的精密控制。为更好地消除吸收谱线的本底噪声,目前最好的稳频方案是采用调制转移光谱法。它具有高灵敏度、高分辨率和无多普勒背景等特点。从物理学的原理出发,分析了激光对介质的极化机理,导出介质对激光的吸收和色散作用的数学模型,用信号处理的技术从理论上推导了MTS谱线线型,分析了光谱线型的特性,讨论了提高激光频率稳定度的各种情况。     

包层调制的聚合物电光调制器及其理论分析

器件损耗偏高是当前聚合物电光调制器的研究中需要解决的问题之一。在调制器的插损之中,波导传播损耗(包括吸收和散射损耗)的贡献举足轻重。特别是在追求高电光系数的材料同时,传播损耗也将会不可避免地增加。如何改善器件的损耗是聚合物调制器实用化的一个重要课题。为此提出了一种在波导包层中调制光波的设想。理论分析表明,这种方法能够大幅度降低波导传播性能,因而有助于改善器件损耗。由于包层中光波强度比芯层中要弱,因此在包层中调制光波会引起场—模交叠因子的弱化,但是优化计算发现,通过调节波导的尺寸尤其是芯层厚度可以控制交叠因子使其弱化程度降低到最小,在最优的情况下,场一模交叠因子可达0．89。随着波导传播损耗的降低,器件调制区的长度可以做得更长,有助于进一步降低器件的半波电压。     

利用法布里-珀罗腔抑制电光相位调制中的剩余幅度调制

激光经电光相位调制后,由于剩余幅度调制的存在造成调制边带幅度不相等。利用法布里-珀罗腔的透射特性和Pound-Drever-Hall技术对通过法布里-珀罗腔的调制光正、负一级边带的幅度产生不同的衰减,使得调制边带的幅度相等,从而实现对电光相位调制中剩余幅度调制的抑制。采用该方法,理论上计算了调制光经法布里-珀罗腔后的光外差光谱信号,获得锁定法布里-珀罗腔后调制边带幅度的不对称度较腔锁定前减小四个数量级。实验研究了调制光经法布里-珀罗腔透射的光外差光谱,结果表明将法布里-珀罗腔锁定于该透射光外差光谱中心零位时,对剩余幅度调制的抑制程度可达45 dB。     

Y波导调制器残余强度调制研究

为提高Y波导调制器调制性能从而提高光纤陀螺的整体性能,分析了用于光纤陀螺的Y波导相位调制器残余强度调制产生的机理,即存在波导缺陷以及基底杂散光反射;阐述了残余强度调制对光纤陀螺系统特性的影响,残余强度调制主要影响光纤陀螺的标度因素;测试了不同Y波导残余强度调制的波形特性和它的线性分量及干涉分量大小,不同Y波导残余强度调制大小差异较大,性能好的Y波导残余强度调制大小可以控制在1‰以内;测试了温度对残余强度调制波形特性的影响,残余强度调制受温度影响较大,极端温差下残余强度调制大小波动可达20%;根据残余强度调制的产生机理和线性干涉分量比的大小,提出改进Y波导制作工艺的措施,以期提高Y波导的调制性能。     

Absorption line profile recovery based on residual amplitude modulation and first harmonic integration methods in photoacoustic gas sensing

Two methods for recovery of gas absorption line profiles are presented in this paper using photoacoustic spectroscopy and tunable diode laser spectroscopy (TDLS) with wavelength modulation (WM). A theoretical analysis based on Fourier coefficients is given in order to describe the various components that arise under simultaneous intensity and frequency modulation. The first method makes use of the residual amplitude modulation (RAM) signal which is always present in current modulation of distributed feedback (DFB) tunable diode lasers. The second method involves integration of a near-pure first harmonic derivative signal, separated from other distorting components by appropriate choice of the lock-in detection phase in the case of low modulation index. Good agreement is obtained with both methods between the experimental results and the theoretical simulation for the P17 absorption line of acetylene at 1535.39 nm but the second method gives a much improved accuracy and signal-to-noise ratio in lineshape recovery with photoacoustic spectroscopy.     

Compensating for frequency shifts in modulation transfer spectroscopy caused by residual amplitude modulation

Residual amplitude modulation (RAM) distorts saturated absorption signals, limiting the accuracy of optical frequency references based on modulation transfer spectroscopy (MTS). Described here are two independent means by which RAM is produced in these references: (1) by the modulator and (2) when the overlap of the optical fields in the saturable absorber is asymmetric. Methods to vary RAM generated by either mechanism will be outlined and these will be used to show how RAM arising from one effect can be cancelled by the other. A theoretical treatment of MTS signals in references containing RAM is given and used to evaluate the level of signal distortion allowing the conditions for RAM cancellation to be determined. This technique is applied to improve the frequency accuracy of a reference by an order of magnitude.     

噪声免疫腔增强光外差分子饱和光谱线型的理论分析

噪声免疫腔增强光外差分子光谱(NICE-OHMS)作为世界上最灵敏的光谱技术可以被应用到痕量气体检测、频率标准、原子分子光谱以及超灵敏引力波测量等领域中,高精细度谐振腔吸收池的使用在增长激光与腔内物质相互作用路径的同时,极大的提高了腔内激光功率,这就会饱和低气压下的气态样品吸收线从而获得亚多普勒光谱结构,因此NICE-OHMS技术不仅具有高灵敏、还具有超高分辨的优点。该研究基于光与二能级分子相互作用的密度矩阵理论对NICE-OHMS技术中包含亚多普勒的多普勒展宽光谱线型进行了理论推导,获得了光谱线型的表达式,同时以该表达式对光谱线型进行了数值模拟,其中调制频率、饱和参量、频率调制系数分别设置为384 MHz,10和0.2。由模拟结果可见吸收光谱由两个边带的吸收信号构成,在包络上存在四个亚多普勒饱和结构;色散光谱由载频以及边带的色散三者决定,并在包络上存在五个亚多普勒饱和结构,获得了与已有实验一致的结果。最后重点分析了不同探测相位、不同饱和参量下的NICE-OHMS光谱线型尤其是亚多普勒结构的变化,由于饱和参量按照调制系数分配给载频和边带,因此虽然载频饱和参量很大,但NICE-OHMS吸收光谱幅度变化不大,主要是由于该光谱信号只与边带饱和参量有关,可以看出NICE-OHMS多普勒展宽信号具有饱和效应免疫的特性,与已有实验结果也符合较好。为更进一步的实验研究提供了必要的理论基础。     

A 532 nm molecular iodine optical frequency standard based on modulation transfer spectroscopy

We report construction of an iodine-stabilized laser frequency standard at 532 nm based on modulation transfer spectroscopy(MTS) technology with good reproducibility. A frequency stability of 2.5 × 10~(-14) at 1 s averaging time is achieved,and the frequency reproducibility has a relative uncertainty of 3.5×10~(-13), demonstrating the great stability of our setup.The systematic uncertainty of the iodine-stabilized laser frequency standard is evaluated, especially the contribution of the residual amplitude modulation(RAM). The contribution of the RAM in MTS cannot be evaluated directly. To solve this problem, we theoretically deduce the MTS signal with RAM under large modulation depth, and prove that the nonsymmetric shape of the MTS signal is directly related to the MTS effect. The non-symmetric shape factor r can be calibrated with a frequency comb, and in real experiments, this r value can be obtained by least-squares fitting of the MTS signal,from which we can infer the RAMinduced frequency shift. The full frequency uncertainty is evaluated to be 5.3 k Hz(corresponding to a relative frequency uncertainty of 9.4×10~(-12)). The corrected transition frequency has a difference from the BIPM-recommended value of 2 k Hz, which is within 1σ uncertainty, proving the validity of our evaluation.     

激光脉宽对谐波频移和振幅强度的影响

数值研究了激光脉宽对H_2~+和T_2~+谐波辐射的影响.计算结果表明:(i)对于谐波频移现象:在少周期激光场下,H_2~+和T_2~+谐波辐射呈现红移.随着激光脉宽增大,H_2~+谐波辐射呈现蓝移; T_2~+谐波辐射红移减弱.(ii)对于谐波振幅强度:H_2~+和T_2~+谐波辐射强度会随着激光脉宽增大而增强.但是,在少周期激光场下,H_2~+谐波截至能量附近的强度要大于T_2~+.在多周期激光场下,T_2~+谐波截至能量附近的强度要大于H_2~+.     

准连续激光调制吸收谱的多谐波分析

使用准连续二极管激光器进行多重调制光谱检测时,发现吸收光谱信号中存在着丰富的倍频、和频以及差频成分;从激光与气体吸收谱线的非线性作用角度研究了倍频、和频及差频等信号存在的必然性;从实验角度对信号特征进行研究,发现其中有些和频、差频成分的幅度比传统调谐二极管激光吸收光谱技术中的二次谐波信号的幅度更大,有望在准连续调制谱技术中提高检测的灵敏度。