面向空间引力波探测的激光低频段相对强度噪声测试技术

面向空间引力波探测对激光光源相对强度噪声的严苛需求,开展了极低相对强度噪声在低频段的测试表征技术研究。构建了基于低噪声光电探测器、高精度数字万用表以及快速傅里叶（FFT）频谱分析仪在低频段0.1 mHz～100 kHz的相对强度噪声测试系统。利用高精度数字万用表及FFT分段Smooth窗函数平滑算法实现对0.1 mHz～0.5 Hz的极低频段内相对强度噪声测试,本底噪声低于-99 dBc/Hz,同时利用低噪声放大器及FFT频谱分析仪测试在1 mHz～100 kHz的相对强度噪声,本底噪声低于-105 dBc/Hz。两种测试手段在1 mHz～0.5 Hz重叠频段内噪声测试结果的一致性验证了所构建测试系统在低频段测试结果的准确性。利用所构建的相对强度噪声测试系统对自研空间引力波探测用平面波导环形腔（NPRO）激光器、商用光纤激光器、商用外腔半导体激光器等多种激光器进行测试评估,并对其噪声成分及来源进行分析。所构建的低频段相对强度噪声测试系统可满足空间引力波探测对激光强度噪声评估的需求,同时也适用于其他低频段精密测量应用的激光光源噪声评估。     

空芯光子晶体光纤吸收池的激光稳频技术

针对星载积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达的应用需求,研制了一套利用空芯光子晶体光纤(HC-PCF)作为吸收池,以CO2气体1.57μm处的吸收线作为频率参考,基于频率调制光谱稳频技术的激光稳频系统。结合其工作原理,建立仿真模型,计算了CO2气压、光谱调制频率以及调制深度对稳频误差信号的影响,给出最优化的设计参数。并且与实验测试数据进行了比对,实验数据与计算结果吻合。报道了系统的稳频效果,给出进一步提升稳频性能的方案意见。     

基于保偏光纤光栅的低噪声外腔半导体激光器

研制了1550nm波段的窄线宽、低噪声混合集成外腔半导体激光器,将保偏光纤布拉格光栅(FBG)作为反馈元件与半导体增益芯片进行耦合,并利用FBG斜边处的大群时延特性将半导体激光器的线宽压窄。所得到的蝶形封装激光器原型器件实现了稳定的单纵模、单偏振激光的保偏输出,在1kHz处积分线宽为15.9kHz的输出功率≥30mW,洛伦兹线宽为4.85kHz,本征线宽为4.06kHz,相对强度噪声≤-155dB·Hz~(-1)@1 MHz,偏振消光比25dB,无跳模电流调谐范围≥8 GHz,无跳模温度调谐范围≥14 GHz,6h功率稳定度为1.7%,频率漂移量50 MHz。     

用于布里渊分布式光纤传感的光学锁频系统

报道了一种用于布里渊分布式光纤传感器(DOFS)的高稳定光学锁频系统。一台波长为1550nm的半导体分布反馈(DFB)激光器作为主激光器用于光纤传感探测,另一台同样的激光器作为从激光器,采用光学锁相的方法将其与主激光器进行频率跟踪,使主激光器与从激光器频率差恒定为11GHz。利用该光源搭建基于自发布里渊的分布式光纤传感系统(BOTDR),可以有效地实现宽带移频,使得探测解调频率降低到百兆赫兹量级,大大降低了探测的噪声,并且降低了BOTDR系统成本。结果表明,采用此光源方案的频率波动范围为±1MHz。     

光纤光栅主动稳频的短直线腔单频光纤激光器

利用1.8cm长的Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃光纤作为增益介质制作了一个可调谐的短直线腔窄线宽单偏振单纵模光纤激光器。其谐振腔反射镜由高反射率的光纤布拉格光栅(FBG)和低反射率的保偏光纤FBG构成,使用976nm单模半导体激光器作为抽运源。当进入谐振腔的抽运功率为360mW时获得了输出功率65mW,信噪比大于70dB,线宽约为3kHz,偏振消光比达到40dB的激光输出。另外,通过使用压电陶瓷(PZT)调节增益光纤的长度实现了激光波长的电调谐,其调谐斜率约为14.2 MHz/V。采用边频锁定的方式进行主动稳频,使得激光输出的长期频率波动从25MHz/10s减少到了2.5MHz/h,从而实现了全光纤结构的高功率、高频率稳定性的单频光纤激光器。     

Polarization-locked VCSEL with PM fiber pigtail for quantum communication

Quantum communication is a new technology requiring a stable and reliable laser source for communication security. A new kind of polarization-locked vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) with polarization maintaining (PM) fiber pigtail is fabricated as a decoy state laser source. The VCSEL is packaged in a standard butterfly box integrated with thermoelectric coder (TEC) and thermistor. The optical pulse width of full-width at half-maximum (FWHM) is smaller than 400 ps with a 100-MHz on/off modulation frequency. The results reveal that modulation range is better than 4. Moreover, the polarization is stable, and the power extinction ratio is larger than 25. The center wavelength is 850 nm, and the SMSR is better than 40 dB.     

可调谐单频非平面环形腔固体激光器

研究了单块晶体成腔的单频非平面环形腔(NPRO)固体激光器,在1.83W的808nm抽运功率下输出激光1.01W,斜率效率达到60%。采用拍频的方法对激光线宽进行了测试,激光线宽小于2kHz。通过抽运电流反馈控制使弛豫振荡峰得到超过30dB的抑制;通过对激光晶体的温度调节和压电陶瓷电压调节实现了激光器频率的慢调谐和快调谐,温度慢调谐变化10℃时激光频率变化范围超过15GHz;压电陶瓷快调谐范围超过±200MHz,在大于200MHz的范围内响应时间达到45μs。     

基于腔内光放大器结构的光纤激光器噪声抑制方法

设计了一种将半导体光放大器耦 合于光纤激光器腔内的结构,以抑制光纤激光器的相对强 度噪声。基于半导体光放大器的增益饱和效应,将光纤 激光器在弛豫振荡峰处的相对强度噪声抑制了30 dB。更进 一步地,通过腔内的放大器结构使得放大器内部的光学 强度达到一个稳定态,最终使得激光器的频率噪声没有因 光放大器的加入而产生劣化。     

单段式分布式反馈半导体激光器光学锁相环研究

单段式分布式反馈(DFB)半导体激光器的频率调制相位响应曲线在0.1~5 MHz之间,且具有180°的相位反转,其作为从激光器的光学锁相环(OPLL)结构难以实现锁相。为解决单段式DFB半导体激光器的锁相问题,在单环反馈回路中加入可调超前移相功能电路和可调增益功能单元,并优化相移参数,实现MHz量级线宽DFB激光器相位的锁定。改进后OPLL在锁相状态下的残余相位噪声为0.012rad2,激光器线宽从2 MHz压窄到10kHz。研究了反馈环路的环路增益对OPLL锁相性能的影响,并给出了最优的环路增益控制参数。     

Seed laser frequency stabilization for Doppler wind lidar

We demonstrate a tunable wavelength-locked seed laser source with high-frequency stability to realize the precise measurements of global atmospheric wind field. An Nd:YAG laser at 1 064 nm is used as the master laser (ML). Its frequency is locked to a confocal Fabry-Perot interferometer by using the Pound-Drever- Hall method, which ensures the peak-to-peak value of its frequency drifts less than 180 kHz over 2 h. Another Nd:YAG laser at 1 064 nm, as the slave laser, is offset-locked to the above ML using optical phase locked loop, retaining virtually the same absolute frequency stability as the ML. The tunable ranges of the frequency differences between two lasers are up to 3 GHz, and the tuning step length was an arbitrary integral multiple of 200 kHz. The researched seed laser source is compact and robust, which can well satisfy the requirement of the Doppler wind lidar.