用于可搬运锶光钟二级冷却光源的研制

光钟在时间保持、精密测量、暗物质探测等方面有广泛的应用。可搬运光钟研制是光钟的重要方向，它是不同类型光钟比对以及引力红移测量的重要设备。研制用于冷原子制备的可搬运冷却光源是实现可搬运光钟研制的关键。本文主要介绍了可搬运锶光钟二级冷却光源的研制。首先，通过Pound-Drever-Hall稳频技术将半导体激光器锁定在超稳腔上，实现了用于锶光钟二级冷却的689 nm窄线宽稳频光源，其线宽优于263 Hz，频率秒稳定度优于1.56×10^-14。另外，利用注入锁定技术制备了两台同等性能的光源，分别用作二级冷却阶段的俘获光和匀化光。整个光学系统集成在一个0.56 m²的光学面包板，通过光纤与真空系统耦合，整体可搬运。利用该稳频光源，实验上制备了数目为2×10⁶，温度为5.3μK的二级冷却原子团，这为下一步进行光晶格原子装载和钟跃迁谱探测奠定了基础。     

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.     

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。     

40K-87Rb原子冷却的半导体激光系统

对⁴⁰K-⁸⁷Rb原子冷却的半导体激光系统提出了一种实验方案，并进行了初步实验.采用三台外腔光栅反馈半导体激光器(ECDL)、四台注入锁定从激光器和一台半导体激光放大器组成激光系统.三台ECDL通过声光调制器产生四束光，分别作为⁴⁰K和⁸⁷Rb原子的冷却光和再抽运光，四束不同频率成分的激光分别注入锁定四台从激光器，然后Rb 冷却光、K冷却光和K再抽运光再同时注入半导体激光放大器进行放大.该装置可同时产生冷却⁴⁰K和⁸⁷Rb原子的冷却光和再抽运光，结构紧凑、工作稳定. 关键词： 简并费米气体 激光器系统 外腔光栅反馈半导体激光器 半导体激光放大器     

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。     

用于氢原子1S-2S光谱研究的超窄线宽243nm半导体激光

近年来,随着激光稳频技术的发展,人们可以把972nm的外腔半导体激光器产生的激光进行放大和四倍频,并将它锁定到超稳定的光学法布里-珀罗腔上,从而可以获得Hz量级超窄线宽的243nm激光,使其成为研究氢原子1S-2S双光子跃迁的有力工具.文章主要介绍了超稳腔、四倍频243nm半导体激光器的研究进展及在氢原子1S-2S双光子跃迁精密光谱研究中的应用.     

40K-87Rb原子冷却的半导体激光系统

对40K-87Rb原子冷却的半导体激光系统提出了一种实验方案,并进行了初步实验.采用三台外腔光栅反馈半导体激光器(ECDL)、四台注入锁定从激光器和一台半导体激光放大器组成激光系统.三台ECDL通过声光调制器产生四束光,分别作为40K和87Rb原子的冷却光和再抽运光,四束不同频率成分的激光分别注入锁定四台从激光器,然后Rb冷却光、K冷却光和K再抽运光再同时注入半导体激光放大器进行放大.该装置可同时产生冷却40K和87Rb原子的冷却光和再抽运光,结构紧凑、工作稳定.     

锶原子光晶格钟自旋极化谱线的探测

87Sr原子存在核自旋,在磁场作用下原子能级会分裂成不同塞曼子能级.通过光抽运对原子进行自旋极化,其自旋极化谱线的探测为锶光钟系统的闭环锁定提供精确的频率参考.本文对~(87)Sr原子钟跃迁能级5s~2~1S_0→5s5p~3P_0中的m_F=+9/2和m_F=-9/2的塞曼磁子能级自旋极化谱线进行了探测.经过一级宽带冷却和二级窄线宽冷却与俘获后,锶冷原子温度为3.9μK,原子数目为3.5×10~6.利用邻近"魔术波长"的813.426 nm半导体激光光源实现水平方向的一维光晶格装载.采用归一化探测方法用线宽为Hz量级的698 nm钟激光对~1S_0→~3P_0偶极禁戒跃迁进行探测,在150 ms的探测时间下获得线宽为6.7 Hz的钟跃迁简并谱.在磁光阱竖直方向施加一个300 mGs的偏置磁场获得塞曼分裂谱,并通过689 nm的圆偏振自旋极化光进行光抽运,最终在探测时间为150 ms时,获得左右旋极化谱线线宽分别为6.2 Hz和6.8 Hz.     

增益半导体光放大器的特性

为满足半导体光放大器（SOA）在光纤到户FTTH系统接入网中的广泛应用,提出了基于光纤光栅外腔反馈型GC-SOA结构的全光增益机制,窄线宽激光光源经可变衰减器、隔离器和光纤光栅注入到SOA中,SOA的输出光经隔离器和光纤光栅送至光谱分析仪,通过光纤光栅反馈输入SOA形成钳制激光。对GC-SOA的阈值特性、增益特性及开关特性进行分析,结果表明:当注入电流小于GC-SOA的阈值电流时,增益随注入电流的增加而增加;当注入电流大于GC-SOA的阈值电流后,其增益不再随注入电流的变化而变化,实现了SOA的增益稳定,使SOA的饱和输出功率得到了提高。     

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。     

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.     

掺Er光纤飞秒激光器载波包络位相偏移的探测

本文介绍了基于掺Er光纤飞秒激光器光学频率梳中光学部分的研制. 实验上采用重复频率为230 MHz的掺Er光纤飞秒激光器,通过放大、光谱展宽以及单臂f—2f系统,在优化及分析相关参数影响的基础上,获得了~30 dB信噪比f₀的输出,为光纤光学频率梳的建立奠定了基础. 关键词： 掺Er光纤激光器 光学频率计量 光纤光学频率梳 光谱展宽     

利用钟跃迁谱线测量超稳光学参考腔的零温漂点

在87Sr光晶格钟实验系统中,通过将自由运转的698 nm激光频率锁定在由超低膨胀系数的玻璃材料构成的超稳光学参考腔上,从而获得短期频率稳定性较好的超稳窄线宽激光.超稳光学参考腔的腔长稳定性决定了最终激光频率的稳定度.为了降低腔长对温度的敏感性,使激光频率具有更好的稳定度和更小的频率漂移,利用锶原子光晶格钟的钟跃迁谱线,测量了698 nm超稳窄线宽激光系统中超稳光学参考腔的零温漂点.通过对钟跃迁谱线中心频率随温度的变化曲线进行二阶多项式拟合,得到698 nm超稳窄线宽激光系统的零温漂点为30.63℃.利用锶原子光晶格钟的闭环锁定,测得零温漂点处698 nm超稳窄线宽激光系统的线性频率漂移率为0.15 Hz/s,频率不稳定度为1.6×10^–15@3.744 s.     

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.     

飞秒钛宝石光学频率梳的精密锁定

经相位锁定后的飞秒钛宝石光学频率梳已经广泛用于绝对光频的测量，这是光频标领域一个革命性的突破.在自建的90MHz飞秒钛宝石激光器的基础上首先采用光子晶体光纤将其光谱展宽到一个光倍频程，接着利用锁相环技术分别将重复频率和载波包络频移同时高精度地锁定到一台稳定度为6×10^－14的Cs钟上，进而得到了稳定度相同的飞秒光学频率梳.     

Precise determination of characteristic laser frequencies by an Er-doped fiber optical frequency comb

Femtosecond optical frequency combs correlate the microwave and optical frequencies accurately and coherently. Therefore, any optical frequency in visible to near-infrared region can be directly traced to a microwave frequency. As a result, the length unit "meter" is directly related to the time unit "second". This paper validates the capability of the national wavelength standards based on a home-made Er-doped fiber femtosecond optical frequency comb to measure the laser frequencies ranging from visible to near-infrared region. Optical frequency conversion in the femtosecond optical frequency comb is achieved by combining spectral broadening in a highly nonlinear fiber with a single-point frequency-doubling scheme. The signal-to-noise ratio of the beat notes between the femtosecond optical frequency comb and the lasers at 633, 698, 729, 780, 1064, and 1542 nm is better than 30 dB. The frequency instability of the above lasers is evaluated by using a hydrogen clock signal with a instability of better than 1×10^-13 at 1-s averaging time. The measurement is further validated by measuring the absolute optical frequency of an iodine-stabilized 532-nm laser and an acetylene-stabilized 1542-nm laser. The results are within the uncertainty range of the international recommended values. Our results demonstrate the accurate optical frequency measurement of lasers at different frequencies using the femtosecond optical frequency comb, which is not only important for the precise and accurate traceability and calibration of the laser frequencies, but also provides technical support for establishing the national wavelength standards based on the femtosecond optical frequency comb.     

Noise properties of an optical frequency comb from a SESAM-mode-locked 1.5-μm solid-state laser stabilized to the 10?13 level

We present a detailed investigation of the noise properties of an optical frequency comb generated from a femtosecond diode-pumped solid-state laser operating in the 1.5-??m spectral region. The stabilization of the passively mode-locked Er:Yb:glass laser oscillator, referred to as ERGO, is achieved using pump power modulation for the control of the carrier envelope offset (CEO) frequency and by adjusting the laser cavity length for the control of the repetition rate. The stability and the noise of the ERGO comb are characterized in free-running and in phase-locked operation by measuring the noise properties of the CEO, of the repetition rate, and of a comb line at 1558?nm. The comb line is analyzed from the heterodyne beat signal with a cavity-stabilized ultra-narrow-linewidth laser using a frequency discriminator. Two different schemes to stabilize the comb to a radio-frequency (RF) reference are compared. The comb properties (phase noise, frequency stability) are limited in both cases by the RF oscillator used to stabilize the repetition rate, while the contribution of the CEO is negligible at all Fourier frequencies, as a consequence of the low-noise characteristics of the CEO-beat. A?linewidth of ??150?kHz and a fractional frequency instability of 4.2×10^?13 at 1?s are obtained for an optical comb line at 1558?nm. Improved performance is obtained by stabilizing the comb to an optical reference, which is a cavity-stabilized ultra-narrow linewidth laser at 1558?nm. The fractional frequency stability of 8×10^?14 at 1?s, measured in preliminary experiments, is limited by the reference oscillator used in the frequency comparison.     

303MHz高重复频率掺Er光纤飞秒激光器

高重复频率掺Er光纤飞秒激光器在光学频率梳、超高速光学采样等领域具有很重要的作用. 本文采用非线性偏振旋转锁模机理, 在掺Er光纤飞秒激光器中实现了重复频率为303 MHz的锁模脉冲输出. 通过优化腔内色散, 激光器腔内色散在零色散附近偏负值, 锁模后工作在展宽脉冲锁模状态. 在817 mW抽运功率下, 激光器在连续光状态下可以输出125 mW的平均功率, 在锁模状态下可以输出69 mW的平均功率, 脉冲宽度为90 fs. 当抽运功率处于700-817 mW时, 激光器可以实现自启动锁模. 激光器重复频率在5 h内的漂移量为30 Hz.     

Improved stabilization of a 1.3 microm femtosecond optical frequency comb by use of a spectrally tailored continuum from a nonlinear fiber grating

We report significant enhancement (+24 dB) of the optical beat note between a 657 nm cw laser and the second-harmonic generation of the tailored continuum at 1314 nm generated with a femtosecond Cr:forsterite laser and a nonlinear fiber Bragg grating. The same continuum is used to stabilize the carrier-envelope offset frequency of the Cr:forsterite femtosecond laser and permits improved optical stabilization of the frequency comb from 1.0 to 2.2 microm. Using a common optical reference at 657 nm, a relative fractional frequency instability of 2.0 x 10(-15) is achieved between the repetition rates of Cr:forsterite and Ti:sapphire laser systems in 10 s averaging time. The fractional frequency offset between the optically stabilized frequency combs of the Cr:forsterite and Ti:sapphire lasers is +/-(0.024 +/- 6.1) x 10(-17).     

光纤飞秒光学频率梳的研制及绝对光学频率测量

实验利用商品光纤飞秒激光器,自行构建了一套完整的光学频率梳系统,并获得了约30 dB信噪比的系统频移(f_ceo)信号.实现了光频梳重复频率(f_rep)信号及系统频移(f_ceo)信号的高稳定度锁定,并通过实验验证了光频梳锁定的跟踪精度.基于此稳定光频梳完成了对1064 nm碘稳频Nd:YAG固体激光器的绝对频率测量.实验结果表明,f_rep的跟踪精度在100 s取样时间时优于3.7×10^-14,测量得到的1064 nm激光器绝对频率为:281630111757362 Hz.这一测量结果与国际计量委员会(CIPM)给出的国际推荐值符合到不确定度之内. 关键词： 光纤光频梳 稳频 锁相技术 光学频率计量