利用稳频激光稳定F-P腔腔长的研究

为实现对F-P腔腔长的控制,设计了F-P腔腔长锁定控制系统。该系统以633nm稳频激光作为基准光源,通过控制系统驱动压电陶瓷调节F-P腔的腔长,以实现将F-P腔的谐振频率锁定到基准光源的频率上。实验结果表明,该方案切实可行,锁定后的F-P腔腔长的不确定度可达10-10量级。该方法在原子沉积技术中对于实现沉积台的稳定具有重要的指导意义。     

基于F-P腔强度解调的微位移传感器

基于一次谐波腔长锁定技术,设计了一种基于法布里-珀罗(F-P)腔干涉的强度解调型微位移传感器。系统对F-P腔的初始腔长进行动态锁定,通过将F-P腔腔长的微小变化转化为强度信号,实现直接快速地对待测目标的微位移进行测量。详细地阐述了位移传感器的理论模型及一次谐波锁定F-P腔腔长的技术方案,实验中采用商用的高精度压电陶瓷平移台(PZT)模拟了实际物体的运动状态,实验结果表明,该系统对峰峰值在λ/4(λ为光波波长)以内、频率不高于400Hz的微位移有很好的测量结果,频率误差小于0.5Hz,测量精度小于1nm。     

基于光学反馈频率锁定的窄线宽稳定中红外激光产生技术研究

中红外精密激光光谱技术在痕量气体检测、基本物理常数测定等领域都有重要应用,然而由于缺乏窄线宽、稳定的中红外光源,很难实现中红外精密光谱测量.本文介绍了一种基于光学反馈频率锁定的窄线宽稳定中红外激光产生技术,分析了光学反馈实现激光到F-P腔锁定的可行性,利用一个高精细度中红外超稳F-P腔作为频率参考,基于光学反馈技术实现了量子级联激光器到该超稳腔的锁定.经过评估得到激光器线宽被压窄到1.1 Hz,压窄激光线宽的同时稳定了激光频率,将激光器的长期漂移控制在20 kHz/12 h.其中,为了获取长时间稳定的光学反馈,基于PDH技术获取了误差信号,用于对反馈相位的实时伺服控制.     

用于镱原子光钟759nm光晶格激光的频率锁定

本文报道了一种用于镱原子光钟的759nm光晶格激光频率锁定方法。759nm激光通过PoundDrever-Hall(PDH)技术锁定在一个腔长为10cm的超低膨胀系数(ULE)的高细度Fabry-Perot(FP)腔上。激光频率被锁定后的测量结果表明,759nm的光晶格激光线宽被压窄到小于200kHz;运用频率锁定的759nm激光和飞秒光梳拍频来监测超稳腔的长期漂移率,结果显示ULE超稳腔的漂移率为0.16 Hz/s。将锁定后的759nm光晶格激光用于镱原子光钟光晶格的装载,实现了镱原子在光晶格场中的稳定装载以及对光晶格场频率的精确控制,从而为镱原子光钟的闭环运转做了必要的技术准备。     

驻波光场中的二能级原子

原子与光场相互作用系统是很难求解的，本文对二能级原子与驻波光场相互作用系统进行了求解，在光场较弱的情况下，得出了二能级原子与驻波光场相互作用系统的波函数、系统能量的可能取值、二能级原子质心动量的可能取值。     

瑞利多普勒测风激光雷达的频率标定方法

频率标定是瑞利测风激光雷达的关键技术。瑞利测风激光雷达中,通过改变压电陶瓷管的电压实现连续调谐F-P标准具腔长,使出射激光频率处于双边缘透过率曲线的交点处。在连续调谐时,由于压电陶瓷管的磁滞效应引起腔长调谐非线性,从而导致系统误差。分析了该误差的原因及特性,提出了静态软件补偿和动态调频跟踪相结合的频率标定方法。若激光出射频率相对F-P标准具漂移小于100 MHz时,在数据反演时补偿该频率偏差;若相对频率漂移大于100 MHz时,将F-P标准具先退回预设腔长以下,通过逐步增加电压的方式,重新实现频率锁定,保证锁定过程处在磁滞回线的电压上升段,避免了磁滞效应引起的误差。多普勒激光雷达与无线电探空仪的两组对比实验中,在15~30km高度,风速最大偏差6.22m/s,平均偏差1.12m/s。     

反馈法定位两原子之间的相对位置

研究了置于一个单模驻波光腔中的两个二能级原子,通过利用测量场的正交分量的方法定位这两个原子位置的情况. 发现在不考虑腔损耗的条件下,利用此方法即可很好地定位两原子的位置. 若考虑腔损耗时,通过将测量所输出的信号反馈回光腔中的方法可降低由腔损耗所导致两原子定位能力的损害程度. 关键词： 两个二能级原子 场的正交分量 反馈 定位     

锶原子光钟中repumping光频率锁定系统的研制

锶原子光钟里两束repumping光的频率对应锶原子三重态系跃迁(5s5p)3P0-(5s6s)3S1和(5s5p)3P2-(5s6s)3S1,由于其跃迁基态处于亚稳态,所以较难利用原子的跃迁线作为参考对这两台激光器进行锁频.本文介绍一种基于腔传递的数字伺服系统实现这两台半导体激光器任意频率的同时锁定.通过一台F-P腔将He-Ne激光器的频率高稳定性同时传递到两台受控激光器上.LabVIEW程序自动搜索激光透射峰信号从而得到误差信号,由比例积分算法得出控制电压,并反馈回激光器.可视化界面易于操作和观察,可直接完成对激光器的锁定,并自动记录实验结果.该方法使用方便,锁定后激光器频率波动为±4 MHz左右.该系统易扩展,可实现多台激光器的同时锁定.将锁定后的repumping光加入蓝MOT后,磁光阱内俘获的原子荧光强度增大了12倍,寿命提高了13倍,对于锶原子光钟一级冷却的研制有重要的应用价值.     

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。     

光学锁相环的实现及其在铯原子四波混频过程中的应用

我们利用自制的光学锁相环实现了一台外腔半导体激光器和一台钛宝石激光器的相对频率和相对相位锁定,锁定后两束光的拍频线宽约为1 Hz。同时,该光学锁相环能实现两台激光器从10 MHz至10GHz任意频率差的锁定,通过简单升级射频元件可以实现最高20 GHz频率差的锁定,可应用于激光冷却与俘获原子、光与原子相互作用等研究领域。我们实验证明将该锁相环应用于铯原子蒸汽中的四波混频过程,产生的孪生光束最大强度差压缩由3.8dB提高至6.0dB。     

对光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔纵模间隔问题的研究

对光纤布拉格光栅(FBG)法布里-珀罗(F-P)腔的透射特性进行了深入分析,指出了FBG F-P腔透射谱中纵模位置的影响因素,讨论了与普通F-P腔的联系和区别.应用光栅的有效镜面模型对FBG反射主瓣内反射系数的相位因子进行线性模拟,定义了FBG有效长度的概念并得出其表达式.提出将FBG的有效长度纳入到FBG F-P腔的等效腔长中,用等效腔长来计算FBG F-P腔中的纵模间隔.数值仿真和实验结果都表明,用等效腔长计算所得的纵模间隔与实际的FBG F-P腔中的纵模间隔符合很好,误差极小. 关键词： 光纤布拉格光栅 法布里-珀罗腔 纵模间隔 有效镜面模型     

Generation of millimeter-wave sub-carrier optical pulse by using a Fabry-Perot interferometer

A novel scheme is proposed to transform a Gaussian optical pulse to a millimeter-wave (mm-wave) frequency modulation pulse by using a Fabry-Perot interferometer (FPI) for radio-over-fiber (ROF) system.It is shown that modulation frequency of mm-wave is determined by the optical path of the Fabry-Perot (F-P) cavity, and amplitude decay time and energy transfer efficiency are related to the reflectivity of the F-P cavity mirror. The effect of pulse train extension on inter-symbol interference is also discussed.     

光纤光栅法布里-珀罗传感器频分复用技术

理论分析了光纤光栅法布里-珀罗(F-P)传感器频分复用技术的原理,并给出了信号处理对腔长选取的要求。数值模拟结果表明,不同腔长的传感器具有不同的谐振条纹频率,为保证频域中的信号不发生重叠,要求不同光纤光栅法布里-珀罗传感器间的腔长之差必须大于光纤光栅的长度。进一步的实验及模拟分析结果发现,温度等待测量的变化仅仅使光纤光栅法布里-珀罗传感器的反射光谱整体平移,相应的频域信号只产生相移而形状不发生变化,因而不能采用普通光纤法布里-珀罗(FFP)传感器的腔长傅里叶变换解调法解调频分复用光纤光栅法布里-珀罗传感器的信号。根据这一特点,提出了利用自相关分析实现频分复用传感器系统信号解调的方案。     

Improving frequency stability of laser by means of temperature-controlled Fabry-Perot cavity

The frequency stability of an all-solid-state Nd:YVO4 laser is significantly improved by means of a specially designed Fabry-Perot (F-P) interferometer used for the frequency standard in the frequency-stabilizing system. The temperature of the F-P cavity is accurately controlled by a set of thermoelectric cooler (TEC) modules attached on th ody of the cavity and the electronic feedback circuit. We find that the long-term unidirectional frequency shift of the output laser, resulting from the slow increase of the cavity length under the effect of the temperature integration on the cavity body, is essentially eliminated. The frequency stability of the output laser with the power of 530 mW is better than ±200 kHz in 1 minute and ±2.3 MHz in 40 minutes, respectively. The fluctuation of output power is smaller than ±0.5% over one hour.     

切趾技术对光纤布拉格光栅法布里-珀罗滤波器反射特性优化的研究

利用矩阵分析法,针对两个相同光栅构成的光纤布拉格光栅法布里-珀罗(F-P)腔滤波器进行理论分析。数值模拟分析了光栅长度变化对光栅以及F-P腔滤波器反射特性的影响,指出光栅长度增加对反射特性影响的优缺点,分析利用常用切趾函数对光栅进行切趾,减小由于光栅长度增加导致反射谱的的旁瓣增大,对组成的F-P腔滤波器的反射特性的优化,得到了光栅切趾对F-P腔滤波器的反射特性的影响规律。对于在实际应用中制作出性能优良的光纤布拉格光栅F-P腔滤波器有一定的参考价值。     

双腔法布里-珀罗腔透射特性

基于单腔和双腔结构的法布里-珀罗(F-P)腔透射光强度公式,研究了单腔F-P结构的镜面反射率与腔长对透射谱线的影响;在总腔长相同时,模拟分析了单腔、对称及非对称双腔的透射光谱特性;分析了镜面反射率对非对称双腔F-P结构透射光谱的影响。结果表明:无论单腔还是双腔的F-P结构,镜面反射率增加导致输出峰的峰值半高宽(FWHM)减小;腔长度增加会导致输出谐振峰间距减小,而通过调节腔长比例系数和选择镜面反射率,总长度相同的双腔能在不减小主谐振峰透射率的同时增加谱线间距。最后,讨论了镜面反射率对输出谱线FWHM以及腔长微小形变对中心谐振峰的位置、FWHM和透射率的影响。     

Theoretical and experimental investigation of the mode-spacing of fiber Bragg grating Fabry-Perot cavity

The mode-spacing of the fiber Bragg grating Fabry-Perot （FBG F-P） cavity is calculated by using the effective cavity length which contains the effective length of the FBG. The expression of the effective length, defined by using the phase-time delay, is obtained and simplified as a function of the peak reflectivity at the Bragg wavelength, the band edges, and the first zero-reflectivity wavelength. The effective length is discussed from the energy penetration depth point of view. Three FBG F-P cavities are fabricated in order to validate the effective length approach. The experimental data fits well with the theoretical predictions. The limitation of this method is also pointed out and the improved approach is proposed.     

Single-longitudinal-mode fiber ring laser using fiber grating-based Fabry-Perot filters and variable saturable absorbers

A single-longitudinal-mode (SLM) fiber ring laser is demonstrated by incorporating a fiber Bragg grating (FBG)-based Fabry-Perot (F-P) filter and a variable saturable absorber in a fiber ring cavity. An ultra-narrow bandpass filter is established by the combined mode filtering of the FBG-based F-P filter and the variable saturable absorber. No accurate control for cavity length is required, and stable single longitudinal-mode operation without mode hopping is conveniently achieved.     

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。     

一种基于光纤光栅法布里-珀罗腔的低频振动传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔的低频振动传感方案并进行了理论分析和实验研究。采用单频激光器作为光源,光纤光栅F-P腔通过两点涂胶方式粘接在等强度悬臂梁上,待测振动信号通过支架和悬臂梁将振动作用传至光纤光栅F-P腔,引起腔长周期性变化,从而改变光纤光栅F-P腔的反射光谱特性,通过解调输出光信号的振荡频率和峰值,即可实现对振动信号频率和幅值的测量。利用压电陶瓷模拟的低频振动信号进行了实验验证,测量结果与理论分析相吻合。该传感器测量灵敏度高,特别适用于微弱振动信号的测量。