半导体激光器稳频技术研究

具有窄线宽和较高频率稳定性的半导体激光器,在高分辨率激光光谱、原子频率标准、大气和环境监测、光通信等众多领域中具有极其重要的应用。因此半导体激光器的稳频研究具有十分重要的意义和应用价值。较为全面的总结了目前国内外广泛应用的各种半导体激光器稳频技术,简要介绍了各稳频技术的实验方案及基本原理;对各方案的特点、能够达到的频率稳定水平、优缺点等进行了全面的分析。对半导体激光器稳频发展趋势做了预测。     

激光器稳频技术研究

在窄线宽激光器的应用领域中,激光频率稳定度是一个极其重要的指标参数,表征频率稳定的程度.基于被动稳频和主动稳频技术的实质区别--有无稳定的频率参考,主要针对主动稳频技术综述了激光稳频技术的国内外研究进展,包括:根据选用频率标准的不同进行分类;分析了常用的激光稳频技术的原理及达到不同稳频精度的原因;根据国内外关于主动稳频...     

四频差动激光陀螺小抖动稳频工作模式判别技术研究

为避免传统光强差稳频方式的缺陷,提出了四频差动激光陀螺小抖动稳频方法。从四频陀螺工作原理出发,分析了小抖动稳频的可行性,其中工作模式判别问题是技术难点。提出三种解决方法：改变左右旋模频率间隔、光强差稳频方式的扫模电路结合、根据陀螺零漂数据来判别,为进一步研究提供了参考。     

利用锁相飞秒激光对碘分子R(59)8-4超精细跃迁的绝对频率测量

介绍了633 nm半导体激光频标系统,高重复频率锁相飞秒激光器系统和绝对频率测量系统的建立以及测量碘分子超精细跃迁绝对频率的系统方案.633 nm半导体激光频标采用三次微分稳频方法,将激光频率锁定在碘分子谱线上,获得0.5 mW的稳频激光输出.飞秒激光稳频系统通过锁相电路将飞秒激光的高重复频率(760 MHz)和初始频率稳定在微波频率标准上,从而得到稳定的飞秒光梳,其稳定度优于6.44×10-13.在此基础上建立了绝对频率的直接测量系统,即利用波长计直接测量光梳的齿数n,并通过拍频法,测出633 nm半导体激光频标与飞秒光梳的差频,从而计算出相应谱线的绝对频率.这样,通过锁相飞秒激光器,建立了微波频率标准到光学频率标准的传递,为进一步的基础研究工作奠定了基础.     

原子干涉仪中拉曼激光的相位-频率双调制稳频

为降低拉曼激光的频率噪声,提出了一种相位-频率双调制稳频技术。用光纤电光相位调制器对激光进行调制并产生大失谐边带;用射频信号对光纤相位调制器的微波驱动信号进行频率调制,通过锁相放大法将一个大失谐边带锁到铷原子的饱和吸收谱线上。利用该技术实现了拉曼种子激光的稳频和2 GHz的移频,拉曼激光的线宽大幅压窄到56 kHz,预期拉曼激光频率噪声引起的原子干涉重力仪的单次测量噪声可降低到7×10-9/s2。     

可调谐半导体激光器的高精密驱动电源与稳频设计

介绍了一种新型实用的半导体激光稳频系统,主要包括精密控温电路、精密控流电路和激光稳频电路.对电路原理进行了讨论,给出了具体的参考电路和测量结果.结果表明控温电路的控制精度达到1 mK,使得由于温度影响导致的频率漂移小于3.8 MHz,控流电路的控制精度为1 μA,使得由于电流抖动引起的频率抖动小于1 MHz,控温,控流电路与稳频电路组成的半导体激光稳频系统能够很好地将频率稳定于原子跃迁线上.所设计的稳频系统精度高、调节方便,可用于激光精密长度测量、化学精密检测和激光冷却等.     

基于纵模拍频控制的激光稳频技术

介绍了一种新的双纵模激光稳频技术:基于激光频率与纵模频率间隔的对应关系,通过精密锁相控制技术将两相邻纵模的拍频频率锁定在射频频率标准上,以控制激光谐振腔腔长,实现锁定激光频率的目的.理论分析表明,激光频率稳定度与两相邻纵模拍频频率的稳定度相同;实验上以射频频率标准为参考,精密锁定了He-Ne激光两相邻纵模的拍频频率及激光频率,且对采用该技术稳频的两套He-Ne激光系统进行了比对.实验结果表明,激光频率的稳定度为5×10-10(1 s积分时间),5×10-11(100 s积分时间).     

基于声光调制器的光学锁相环He-Ne激光稳频方法研究

报道了一种基于声光调制器与光学锁相环相结合的高稳定度激光稳频方法,用于提高热稳频He-Ne激光器的频率稳定度和准确度。为了克服全内腔热稳频He-Ne激光精密调谐困难的缺点,发展了基于声光调制器两次移频的频率调谐光路,有效地消除声光调制器移频光束路径对衍射角θ的依赖。自行研制了具有高灵敏度与捕获带宽的光学锁相环系统,利用声光调制器的高频率响应特性实现热稳频He-Ne激光高速、准确的锁定。成功实现了热稳频He-Ne激光器偏频锁定至碘稳频HeNe激光器。实验结果表明,环路锁定后拍频频率波动在±0.2 Hz范围内,频率抖动的标准差为0.04。偏置频率为30 MHz时,系统在1 s和1 000 s积分时间的相对阿伦方差分别为3.3×10^-9和1.4×10^-12。系统锁定后,压缩后的拍频线宽小于2 kHz。该研究表明,采用基于声光调制器与光学锁相环相结合的激光稳频方法可以实现亚赫兹级的激光频差控制,通过将热稳频He-Ne激光器偏频锁定至高稳定度的参考激光源可以显著提升其频率稳定度和准确度。     

锁频点连续可调的激光器稳频技术

实现了利用铯原子圆二向色性激光稳频(DAVLL)技术保证频率的非共振锁定并连续可调。介绍了DAVLL技术用于稳定激光频率的基本原理,指出由于Cs原子复杂的能级结构,导致简单的DAVLL技术此处不再适用,并且发现稳频曲线的零点与磁场强度的大小有关;利用饱和吸收光谱测量磁场对DAVLL谱线鉴频零点的影响,发现激光频率在以Fg=4→Fe=5跃迁红失谐105MHz为中心50MHz范围内线性可调,频率稳定度可达3MHz。     

机械抖动对机抖激光陀螺稳频装置的影响

分析了机抖激光陀螺中偏频系统通过机械抖动对稳频装置施加作用力的影响.此力主要通过沿抖动切线方向调制卡盘组件,并改变环形腔腔长,引起激光频率相对变化达10-7量级.实验表明,激光功率调制量随着卡盘组件质量增大和偏频量增加而增加,从而影响零偏稳定性.提高卡盘在抖动切线方向的刚度,减少其质量或采用丝杆与槽片点接触等技术措施,能减少机械抖动对稳频装置的影响,另外,对机抖陀螺应选择合适的偏频量.     

用于激光磁共振光谱的CO激光器的稳频研究

本文讨论了用于激光磁共振光谱的CO激光器机械与电子的稳频措施,在文中提出了一种新的激光频率稳定度的测量方法,它是以分子的激光磁共振谱线为基准,通过测量分子的激光磁共振谱线线宽及其变化,然后用阿仑方差进行数据处理,最后得出激光频率稳定度。运用这种方法对稳频CO激光器进行了调试和检测,测得在非稳频和稳频条件下CO激光器的频率稳定度分别为1.5×10~(-7)、5.5×10~(-9)。     

半导体激光器的原子法拉第反常色散光学滤波器光反馈稳频

为提高半导体激光器的频率稳定性，利用原子法拉第反常色散光学滤波器（FADOF）超窄带的选频透射特性，将其置于半导体激光器的外腔中作选频元件，采用光反馈的方法，使得透射率低的激光频率分量被抑制，透射率高的激光频率分量被加强，有效地实现了光反馈激光稳频。利用Cs原子法拉第反常色散光学滤波器工作于D2线852nm的4峰窄带透射状态。通过调节半导体激光器的温度和电流，调谐半导体激光器的输出波长，将激光器锁定在任何一个透射峰上，用26％的光反馈量，使稳频后的激光频率长期稳定性保持在75MHz／2h以内，而且采用这种稳频方法的输出激光中心波长一直稳定在频率基准上，没有单方向漂移。同时，还实现了Cs原子法拉第反常色散光学滤波器稳频半导体激光器结构的一体化，使其具有实用性。     

高功率碘稳频He-Ne激光波长参考源

为满足精密测量对高稳定激光单色光源功率的要求,研制了全封闭、一体化结构的高功率碘稳频He-Ne激光系统。对该系统所采用的饱和光谱探测原理、吸收峰识别与锁定方法以及激光波长的稳频效果进行了研究。首先,介绍了三次谐波方法探测饱和吸收光谱的基本原理,分析了其消除功率背景的方法。接着,分析了碘稳频激光中一体化谐振腔的稳定性,详细讨论了谐振腔轴向膨胀和横向非对称形变对输出功率的影响。然后,分析了激光输出功率与碘分子饱和吸收峰之间的对应关系,介绍了利用二次谐波信号实现吸收峰识别的可行性,并展示了高稳定谐振腔的长时间锁定能力。最后,分析了高功率碘稳频He-Ne激光波长的稳定度与复现性。实验结果表明:高功率碘稳频He-Ne激光波长抖动标准差为33 kHz,1 000 s稳定度达到4.1×10?13;三个月内激光波长的复现性达到3.3 kHz （7.0×10?12）,与国际计量委员会推荐的频率差为3.0 kHz。     

一种基于控制点偏移修正的纵向塞曼稳频方法与系统

针对目前普遍采用的功率平衡法实现热稳频的纵向塞曼激光器存在的稳频控制点偏移问题,建立了左右旋圆偏振光光功率差调谐曲线零点与稳频控制点之间频率偏移量的数学模型,提出了稳频控制点偏移的修正方法。该方法通过对左右旋圆偏振光的精确偏振分光和对称功率检测来抑制稳频控制点偏移的随机扰动分量,同时补偿其相对稳定偏置分量,可有效降低稳频控制点偏移引起的激光频率漂移。实验表明,基于稳频点偏移修正方法构建的纵向塞曼热稳频系统,在2h40min内输出光频率相对变化小于4×10-9,阿伦方差频率稳定度为1.9×10-10(采样时间1000s),在24h的重复实验中系统输出光中心频率漂移小于1.3×10-9。故该方法可有效抑制激光器稳频控制点漂移,提高激光频率稳定度。     

用于激光原子囚禁的二极管激光器的稳频和移频

用饱和吸收光谱法对二极管激光器进行了稳频,使得激光器的等效线宽小于1～MHz,并利用声光调制器使激光的频移量得到控制,能满足激光冷却与囚禁原子对激光频率稳定性和频移量的要求,实现了Rb原子的激光囚禁。     

外腔半导体激光器设计与高次谐波稳频

研究了利特罗(Littrow)结构外腔半导体激光器的结构参量对激光连续可调范围的影响。给出了反射镜转轴等处的机械加工误差对激光波长连续可调范围所造成的影响的数值计算结果。介绍了半导体激光器外腔结构设计的具体细节要点。利用该设计制作的外腔只需要配合商用半导体激光管便可以得到优质的780nm激光输出,经测量其线宽小于1MHz,连续可调谐范围大于3GHz。利用腔外Rb饱和吸收谱的三、五次谐波稳频方法对半导体激光器进行了稳频。其中提出了优化激光频率短期稳定度的方法,并对调制深度的选择给出了详细的理论解释。根据该优化方法设计出稳频系统对半导体激光器进行稳频,得到了稳定度达到10-12量级的半导体激光输出。     

52Cr原子束激光生荧光稳频技术

通过分析^52Cr原子光刻对激光系统的技术要求，详细介绍了一种基于原子束激光感生荧光（LIF）光谱技术的稳频方法。     

半导体激光器稳频技术

窄线宽稳频激光器在精密干涉测量、光学频率标准、激光通信、激光陀螺、激光雷达、基本物理常数测量和冷原子系统等研究领域有着广泛的应用。自由运转的半导体激光器每天的频率漂移量可以达到GHz,因此研究半导体激光器的稳频具有十分重要的意义。以780 nm的半导体激光器稳频为例,介绍了目前广泛使用的各种半导体激光稳频技术的基本原理及试验方案,如消多普勒饱和吸收光谱稳频技术、消多普勒双色谱稳频技术、调制转移谱稳频技术、调频光谱稳频技术和频率-电压转换稳频技术,并对各种稳频方法的性能和特点进行了分析。     

四频差动激光陀螺中的激光稳频

本文首先分析了四频差动激光陀螺的稳频原理 ,进而讨论了各种稳频方案的优缺点 ,得出了实际应用中最佳的稳频方案 ,基于该方案的激光稳频系统在本文中得到实现 ,稳频精度提高了 1个数量级 ,优于 0 .5 MHz,减小了工作点不稳定带来的误差。     

基于PDH技术的光学传递腔的锁定

要实现分子激光冷却,一般需要多束频率稳定的窄线宽激光。提出采用Pound-Drever-Hall(PDH)技术将冷却激光通过光学传递腔的方法锁定到铷原子饱和吸收稳频的半导体激光上,从而实现冷却激光线宽压窄和频率长时稳定的实验方案。设计并制作了法布里-珀罗(F-P)光学腔,建立了光学稳频系统,实现了光学腔到参考光源的锁定。