用于原子-光耦合系统的光学锁相环的设计

光学锁相环(OPLL)是电子学锁相环在光学领域的拓展,它是基于光电探测器、鉴相器以及配套的电路,通过反馈回路控制半导体激光器的电流模块和压电陶瓷扫描模块,以达到锁定两束激光的频率和相位的目的。介绍了光学锁相环的结构、鉴频鉴相器(PFD)的工作原理,并基于锁相环路芯片ADF41020设计了一种光学锁相电路,设计锁定两束激光的频率差的范围为4GHz-18GHz。     

谐振式光纤陀螺多激光器系统相对频率噪声抑制

设计了用于谐振式光纤陀螺系统中两个半导体激光器相对频率噪声抑制的全光纤光路外差式光学锁相环,建立并分析了陀螺精度需求和外差式光学锁相环关键参数的关系,同时对外差式光学锁相环全数字反馈控制环路进行了设计和仿真.通过实验对设计的系统进行性能验证.结果表明两个主从激光器的中心频率实现了参考频率源频率的锁定,且拍频激光中心频率相对于光纤环形谐振腔谐振频率偏离幅值减小了15dB.     

光学相位锁定激光在原子玻色-爱因斯坦凝聚中实现拉曼耦合

采用光学相位锁定环路技术将外腔反馈式半导体激光器锁定到与钛宝石激光器输出激光频率上. 锁定后两束激光的差频线宽从MHz降低到Hz量级, 同时两束激光的频率差可实现几百兆赫兹到7 GHz的精密调节. 锁定的两束激光作用在铷原子玻色-爱因斯坦凝聚的两个基态超精细态F=2, 1, 观测到在两个超精细态之间的拉曼跃迁. 该技术可用于超冷原子两个超精细态之间自旋轨道耦合.     

用于原子干涉测量的Raman光系统设计与实验

研究了基于光学锁相环技术的Raman光系统,系统包含参考光、主激光和从激光三束激光,其中参考光采用调制转移光谱稳频后用做频率基准,主激光相对于参考光频差1 GHz实现相对于激发态远红失谐以避免激光与原子的直接作用,从激光相对于主激光频差6.8 GHz用于激发87Rb原子基态超精细能级之间的跃迁,采用两套光学锁相环分别实现主、从激光的锁频锁相。测量结果表明,两套光学锁相环的相位噪声在100 Hz～1 MHz频段分别低于-70 dBc/Hz和-65 dBc/Hz,因此相位噪声对单次原子干涉重力测量的影响为5.3×10~(-7)。采用两台锥形放大器分别对主、从激光进行功率放大以保证主、从激光功率比严格为1∶2,采用光纤传输与空间光传输相结合的设计实现主、从激光的合束、偏振统一及频率调制,最终获得的Raman光总功率为180 mW。持续功率测量结果显示,在没有额外增加功率稳定元件的条件下Raman光的总功率最大起伏小于5%,满足原子干涉测量实验需求。     

基于1560 nm外腔式激光器的拉曼光锁相技术

拉曼光产生技术是量子精密测量领域的一个重要研究内容,是冷原子重力仪、冷原子陀螺仪等量子惯性传感器的关键技术.对于铷87原子,需要两束频差6.834 GHz且相位稳定的780 nm激光来产生拉曼光.基于两台外腔式780 nm激光器,并利用光学锁相环技术可以产生拉曼光,但系统复杂、环境适应性不强.基于内腔式1560 nm激光器,通过倍频和电光调制技术也可以产生拉曼光,虽然系统简单、环境适应性强,但测量性能受边带效应影响.受限于内腔式激光器的线宽及反馈带宽性能,一般无法利用光学锁相环方法来产生拉曼光.鉴于此,本文基于两台新型外腔式1560 nm激光器和自制锁相电路系统,实现了一套低相噪的拉曼光系统,相位噪声功率谱在1—10 kHz频段低至–95 dBc/Hz.通过与780 nm双激光器及混合双激光器锁相性能进行比较,发现该方案略具优势.此外,通过分段积分的方法分析了该锁相性能对冷原子干涉仪相位噪声的影响.本文实验结果为研制小型化、外场适用的拉曼光系统提供了一种方案.     

用于光频传递的通信波段窄线宽激光器研制及应用

通信波段窄线宽激光器在基于光纤的光学频率传递中有着重要应用. 本文报道了1550 nm超窄线宽光纤激光器的研制及其在光学频率传递中的初步应用结果. 利用一台激光光源, 分别锁定到两个参考腔上(精细度分别为344000和296000), 锁定后经拍频比对测得单台激光线宽优于1.9 Hz, 秒级频率稳定度为1.7×10^-14, 优于国内同类报道. 将研制的超窄线宽激光器用于光纤光学频率传递, 在50 km光纤盘上实现了 7.5×10^-17/s的传递稳定度, 较采用商用光纤激光器提高了3.2倍.     

激光锁定F-P腔频率的有差锁定研究

基于有差伺服调节技术,实现了外置光学谐振腔的共振频率与钛宝石激光器工作频率的锁定.该技术采用压电陶瓷作为执行元件,通过对压电陶瓷的调制,实现了对透射激光功率的调制,并由锁相放大器解调获得伺服信号,该伺服信号经过高压放大器放大后控制压电陶瓷的伸缩来调控谐振腔的腔长,从而使腔的共振频率锁定在激光频率上.当激光上作于单一频毕时,谐振腔的谐振频率可以长时间地与激光频率保持锁定,锁定后腔的透射光功率相对起伏的稳定性为2%.当激光频率扫描时.谐振腔的谐振频率可以在2 GHz范围内不间断地与激光频率保持锁定.     

半导体激光器的线宽压窄及频率连续调谐

我们利用共焦F—P腔光学弱反馈技术，实现了单模GaAlAs半导体激光器线宽压窄、频率锁定及连续调谐。其线宽从自由运转时的10MHz被压窄到45kHz，并可将频率锁定于共焦F—P腔。实验证明，在弱反馈情况下，激光器的频率连续调谐范围与共焦FP腔的光强反馈量近似成正比，实现了在铷原子D2线附近1．2GHz的频率连续调谐，     

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。     

基于减反膜外腔反馈半导体激光器拉曼光的产生

通过直接对减反膜外腔反馈半导体激光器进行电流调制的方法,得到了两束位相锁定且频率差在6.0-9.3GHz范围内连续可调的激光,其中6.835和9.192GHz分别对应Rb⁸⁷和Cs¹³³原子基态超精细能级之间的频率差,激光功率分别可以达到6.87mW和5.09mW. 根据减反膜外腔反馈半导体激光器的特点,通过调整外腔腔长、激光器工作温度、电流以及所加射频调制信号的功率和频率,在调制频率小于等于4.0GHz时可以将载波完全压制. 调制频率大于4.0GHz时,虽不能将载波完全压制,但由于外腔与调制频率共振时对调制的增强也得到了调制深度很高的激光,并对其中的物理机理作了分析. 通过后续滤波等方法处理以后,该拉曼光源可以广泛应用到原子的量子操控中. 关键词： 受激拉曼光 高频调制 调制增强     

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.     

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.     

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。     

100.8 km大动态零差相干微波光子传输链路

针对微波通信、超视距雷达和有线电视系统等军民应用需求,为了实现光载射频信号的大动态远距离传输,提出了基于光学锁相环与粒子群算法的零差相干微波光子传输链路技术。该链路前端采用零差光锁相环实现了本振光对信号光的相位跟踪锁定,抑制了锁相带宽内的激光器频率漂移和相位噪声以及长距离光纤导致的相噪恶化,同时平衡探测方式消除了直流分量相关相对强度噪声;通过分析链路前端非线性失真来源,在后端数字处理单元利用粒子群算法寻找最佳非线性失真纠正系数,并对I/Q两路数字信号进行延时匹配、幅相均衡以及线性相位解调,实现了100 MHz频段内射频信号的大动态远距离(≥120 dB·Hz^2/3和100.8 km)传输。     

利用垂直腔表面发射激光器注入锁定实现上变频

提出了一种基于垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的无本振光子微波上变频方案。该方案将相对低速的伪随机基带信号注入VCSEL中,利用注入信号的高次谐波注入锁定VCSEL。被锁定激光器波长与原注入光信号在谐振腔中相干差拍,产生上变频调幅微波信号。实验中利用2.5Gb/s非归零码强度调制信号注入锁定VCSEL,无需本振,实现了载波频率为14.3GHz的光子微波上变频,10kHz偏移处载波相位噪声达-81dBc/Hz。通过调节注入光信号的波长和功率,进一步实现载波频率在7.5~23GHz之间的调谐,验证了该方案的可行性,并对系统性能进行了误码分析,系统代价为1.4dB。结果证明该方案无需微波本振,仅需采用价格低廉的VCSEL即可实现光子微波上变频,从而为无线光混合接入网中光子微波信号产生技术提供了一种低成本的解决思路。     

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。     

实现半导体激光器频率跟踪和锁定的新方法

本文报道实现半导体激光器连续频率跟踪和锁定的一种新方法:利用法拉第反常色散光学滤波器(FADOF)的透射谱作鉴频器,改变法拉第反常色散光学滤波器的磁场强度,实现频率跟踪和稳频.实验得到,当磁场从0.7×10~(-2)T变到2.2×10~(-2)T时,半导体激光器在～2GHz范围内跟踪锁定,其频率稳定度优于2.1×10~(-10)(100ms≤τ≤10s).     

基于电磁诱导透明效应的无调制里德堡跃迁激光锁频

我们实验上展示了利用室温Rb原子蒸汽池中的电磁诱导透明光谱实现里德堡跃迁激光无调制频率锁定方法。在Rb原子5S_(1/2),5P_(3/2),10D_(3/2)组成的级联三能级系统中,耦合激光工作于原子从中间态5P_(3/2)和里德堡态10D_(3/2)跃迁,探测激光工作于耦合基态5S_(1/2)到中间态5P_(3/2)的跃迁。通过扫描耦合光的频率并测量探测光的光强变化实现EIT信号的监测。我们对探测光进行频率调制,通过解调EIT光谱获得误差信号,并将误差信号经由PID控制电路反馈至激光器进而实现耦合激光频率的锁定。利用这种方法实现了耦合激光的无调制锁频,激光锁定后的残余频率起伏约为1 MHz。这种锁定方法对实现里德堡态原子的高效制备具有重要意义。     

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