Zeeman双频激光器频率分裂与纵模间隔变动一致性分析

激光谐振腔内相位各向异性会引起频率分裂,两分裂模的频差大小由表现出的相位延迟所决定.对于腔内相位延迟较小的He-Ne激光器,两分裂模很接近,处于烧孔重叠区,存在模式竞争而不能同时振荡,形成隐频率分裂.同时,使得激光器两正交偏振方向上的相邻级纵模产生固定的变动量,其大小等于隐频率分裂量的2倍.如果沿激光偏振方向施加横向磁场,Ne原子谱线发生横向Zeeman分裂,增益原子分成两群,分别为平行于磁场和垂直于磁场方向偏振的光提供增益,大大减弱模竞争,使得激光器的两分裂模可同时振荡并测得频差.在谐振腔内放入倾斜的石英晶体片或半波片,由两种方法分别测量频率分裂量并进行比较.实验表明两种方法测量的结果均与理论计算相符,平均相对偏差不超过1%.据此可以准确得到Zeeman双频激光器的频差大小,并为半波片测量提供了新方法.     

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。     

扭转模结构双腔双频Nd∶YAG激光器

为了产生频差可调谐1 064nm双频激光输出,设计了一种扭转模结构双腔双频Nd∶YAG激光器,其两个驻波谐振腔共用相同的Nd∶YAG增益介质,以扭转模结构消弱增益空间烧孔效应,使Nd∶YAG激光器的两个驻波腔均以单纵模振荡,从而获得正交线偏振1 064nm双频激光输出.理论分析了扭转模结构激光单纵模选择原理和双频激光同时振荡原理,实验研究了双频激光振荡特性和频差调谐特性.研究结果表明:双频Nd∶YAG激光器的两个谐振腔能够同时以线偏振单纵模稳定振荡输出,其频差大小可随激光腔长的改变而调谐,频差调谐范围可达1个纵模间隔,实验观察到的频差调谐范围为0.3GHz~3GHz.     

不同波长的激光器通过法布里-珀罗腔相对于铯原子谱线的锁定

采用共焦法布里珀罗腔(CFP)作为桥梁,可以实现不在原子、分子跃迁线附近的单频激光器相对于原子、分子跃迁线的锁定,从而可以有效地抑制激光频率的漂移。在实验中通过射频频率调制光谱技术结合饱和吸收光谱(SAS)将自制852nm光栅外腔反馈半导体激光器锁定到铯6S1/2Fg=4-6P3/2Fe=4、5交叉线上,通过Pound-Drever-Hall(PDH)射频边带技术将作为桥梁的共焦法布里珀罗腔锁定在852nm激光频率上。再通过PDH方法将830nm和908nm两台远离铯原子D2线的外腔半导体激光器同时锁定在作为桥梁的共焦法布里珀罗腔上,实现了830nm和908nm两台激光器相对于铯原子跃迁线的锁定。由锁定后的误差信号估算,20s内852nm激光器相对于铯原子Fg=4-Fe=4、5交叉线的频率起伏小于±540kHz,830nm、908nm激光器相对于共焦法布里珀罗腔的频率起伏分别小于±340kHz和±60kHz,共焦法布里珀罗腔相对于852nm激光的频率起伏小于±550kHz。     

大幅度增加弛豫振荡频率来实现毫米级外腔半导体激光器的外腔机制转换

混沌外腔半导体激光器输出明显存在弛豫振荡特征,弛豫振荡频率小于外腔振荡频率时,外腔半导体激光器输出态是短腔机制;反之,外腔半导体激光器输出态是长腔机制.首先对比分析了弛豫振荡频率为5.6 GHz,腔长对频谱有效带宽的影响.然后同时调节注入电流和载流子寿命来大幅度地增加弛豫振荡频率.最后在弛豫振荡频率为40 GHz、腔长为毫米级(4—20 mm)时,实现由短腔机制到长腔机制的转换,进而分析了外腔反馈率和外腔长对外腔半导体激光器频谱带宽的影响.分析结果表明:短腔机制下,输出混沌态不稳定,0.1 mm的偏差就会导致混沌态与非混沌态之间的转化;长腔机制下,输出混沌态稳定,输出混沌区域较大,证明长腔机制下更有益于获得宽带连续的混沌区域.在弛豫振荡频率为40 GHz、外腔长度为毫米级时,实现了外腔半导体激光器的长腔机制,从而增大了高带宽混沌的参数空间.     

LD端面泵浦Cr~4∶YAG被动调Q激光器输出特性研究

对激光二极管端面泵浦Cr4+∶YAG被动调Q Nd∶YAG激光器输出特性进行了实验研究.实验研究发现,激光器输出功率及脉冲重复频率随谐振腔长度增大而增大.为解释这一实验现象,测量了泵浦光斑在激光晶体内尺寸,同时计算了激光晶体及Cr4+∶YAG晶体内的基模激光光斑半径随谐振腔长度变化.分析结果表明:激光晶体内泵浦光斑尺寸远小于激光晶体内基模光斑半径,腔模间交叠效率较低;当腔长增加时,激光晶体内的基模激光光斑减小,腔模间交叠效率增加,从而导致输出功率及脉冲重复频率随腔长增加而增加;另外,Cr4+∶YAG晶体内光斑半径也随谐振腔长度减小,引起Cr4+∶YAG晶体漂白时间缩短,导致脉冲重复频率随腔长增加而增加.     

亚10 fs激光脉冲产生中的受激拉曼散射与四波混频效应

自行搭建的自锁模钛宝石激光器工作在下稳区的上边界附近,采用熔融石英棱镜对在激光器谐振腔的腔内和腔外同时进行群速度色散补偿.随着腔内棱镜对提供色散补偿的变化,输出激光脉冲的频谱会突然展宽至664—840nm,其空间模式也由基横模变化至衍射环状结构,这是受激拉曼散射和四波混频效应导致锁模激光脉冲频谱进一步展宽的结果.在此状态下自锁模钛宝石激光器可实现670—865nm范围的波长调谐.如此宽的频谱为钛宝石激光器产生亚10fs激光脉冲提供了必要的条件. 关键词： 飞秒激光脉冲 受激拉曼散射 四波混频 群速度色散     

光梳主动滤波放大实现锶原子光钟二级冷却光源

提出一种结合注入锁定技术的主动滤波放大方法,将光梳直接注入锁定至光栅外腔半导体激光器,产生窄线宽激光光源,该光源可以用于锶原子光钟二级冷却.实验中,将中心波长为689 nm,带宽为10 nm的光梳种子光源注入689 nm光栅式外腔半导体激光器,通过半导体增益光谱与半导体光栅外腔,从飞秒光梳的多个纵模梳齿中挑选出一个纵模模式来进行增益放大,再通过模式竞争,实现单纵模连续光输出;同时,光梳的重复频率锁定在线宽为赫兹量级的698 nm超稳激光光源上,因此,注入锁定后输出的窄线宽激光也继承了超稳激光光源的光谱特性.利用得到的输出功率为12 mW的689 nm窄线宽激光光源实现了88Sr原子光钟的二级冷却过程,最终获得温度为3μK,原子数约为5×10~6的冷原子团.该方法可拓展至原子光钟其他光源的获得,从而实现原子光钟的集成化和小型化.     

面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光梳系统

报道了自主研制的面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光学频率梳,包括飞秒激光源,频率探测及控制单元,光谱展宽及拍频单元.光纤光梳系统中飞秒激光光源是一套基于非线性偏振旋转锁模机制的掺铒飞秒光纤激光器,重复频率为196.5MHz,中心波长为1 572nm.利用f-2f法探测载波包络相移频率,获得信噪比约为40dB的信号(分辨率带宽300kHz).改变飞秒激光光源泵浦控制载波包络相移频率、频率稳定度是3.74×10-18/τ1/2;通过电光晶体和压电陶瓷改变飞秒激光光源腔长来控制重复频率frep、频率稳定度是1.75×10-13/τ1/2.利用高非线性光纤和倍频晶体将光纤光梳直接输出光谱由1 520～1 607nm扩展到671nm,获得了单模功率为208nW的光信号.与671nm单频激光拍频产生约为60dB(分辨率带宽1Hz)信号,满足Li原子D1线频率测量实验的需求.     

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.     

6590cm-1附近N2O分子的连续波腔衰荡光谱测量

以超低膨胀系数微品玻璃为腔体,以分布反馈(DFB)激光器为光源,建立了一套高灵敏度连续波腔衰荡光谱测量系统.该系统通过扫描腔长来实现入射激光与衰荡腔的频率匹配,通过DFB激光器的电流调制实现入射光的快速关断.通过DFB激光器的温度、电流调谐实现系统的光谱扫描,7.6×10-9cm.的测量灵敏度.结合超高真空系统,对N2O在6586.5～6596.5cm-1的19条N2O吸收谱线的吸收强度及多普勒展宽系数进行了测量,并就测量结果与HITRAN2004数据库进行了比较和讨论.     

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。     

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.     

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.     

基于铯133原子D1线直接吸收光谱的多普勒展宽热力学温度测量

玻尔兹曼常量的定值致使温度测量逐步从协议温标向热力学温标过渡。为实现一种量子化的热力学温度测量传感方案,利用直接吸收光谱方法精密测量铯133原子D1(6S~(1/2)→6P~(1/2))跃迁吸收谱线,依据谱线多普勒展宽分量获得原子气体在该平衡态下的热力学温度。实验验证将外腔扫描激光器输出频率锁定于精密波长计,实现1000s稳定时长条件下10~(-9)量级的频率稳定度;通过振幅型声光调制器闭环控制实现优于1000∶1的测量信噪比;通过福格特线型拟合得到多普勒展宽半高全宽宽度。在室温条件下,初步结果显示温度测量误差为0.12%。由此验证了基于原子直接吸收光谱的多普勒展宽测温方法可用来实现芯片尺度、免标定的热力学温度测量。     

LD端面泵浦Cr4:YAG被动调Q激光器输出特性研究

对激光二极管端面泵浦Cr⁴⁺:YAG被动调QNd:YAG激光器输出特性进行了实验研究.实验研究发现,激光器输出功率及脉冲重复频率随谐振腔长度增大而增大.为解释这一实验现象,测量了泵浦光斑在激光晶体内尺寸,同时计算了激光晶体及Cr⁴⁺:YAG晶体内的基模激光光斑半径随谐振腔长度变化.分析结果表明:激光晶体内泵浦光斑尺寸远小于激光晶体内基模光斑半径,腔模间交叠效率较低;当腔长增加时,激光晶体内的基模激光光斑减小,腔模间交叠效率增加,从而导致输出功率及脉冲重复频率随腔长增加而增加;另外,Cr⁴⁺:YAG晶体内光斑半径也随谐振腔长度减小,引起Cr⁴⁺:YAG晶体漂白时间缩短,导致脉冲重复频率随腔长增加而增加.     

采用多通腔望远镜谐振腔结构的10MHz重复频率飞秒钛宝石激光器特性研究

通过在钛宝石激光腔内引入望远镜长腔系统增加腔长,实现了重复频率低到10?MHz的飞秒激光振荡,在5?W的抽运功率下获得了平均输出功率200?mW、单脉冲能量20?nJ的稳定输出. 在此基础上分析了腔内不同色散情况下的输出脉冲光谱和脉宽特性,结果表明在腔内存在一定负色散的情况下,锁模脉宽可接近转换极限,最短脉宽可达56?fs. 而在正色散的情况下,锁模输出的脉宽较宽,并且随着腔内正色散的增多,脉宽可到大于600?fs,锁模光谱也呈马鞍形. 关键词： 钛宝石激光器 飞秒脉冲 低重复频率 望远镜腔     

电光晶体调谐的外腔反馈半导体激光器

报道一种用电光晶体实现快速调谐和凋制激光频率的方法.在Littrow型外腔反馈半导体激光中插入LiNbO3晶体,利用LiNbO3晶体的电光效应,通过改变晶体电压来调节激光器的有效腔长,可以对激光频率进行快速的调谐和调制.采用该方法,自制外腔反馈半导体激光器的调谐频率可达到2 kHz,它的调谐范围为350 MHz,激光频率调谐系数约为1.06 MHz/V,用饱和吸收光谱观测频率调谐的效果.快速激光频率调制可以应用在稳频技术上,将外腔反馈半导体激光器调制在5～100 kHz频率下,均获得了87Rb原子D2线的饱和吸收光谱的色散信号,并实现了激光频率在饱和吸收峰上的长期稳定.     

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.     

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.