碘分子吸收稳定中红外差频激光频率

差频光源用于大气分子稳定同位素丰度研究需要频率稳定的连续输出的空闲光。基于连续可调谐钛宝石激光器和单频连续Nd:YAG激光器建立差频系统,为了稳定差频系统产生的红外光源的波长,利用MgO:PPLN作为倍频晶体,采用有多普勒展宽的碘分子吸收稳频方法,结合数字比例-积分-微分(PID)反馈控制技术,将Nd:YAG激光器的频率漂移量稳定在1.2MHz/h内,稳定度为4.26×10-9。实验结果表明:增加对压电陶瓷(PZT)的调制电压时,Nd:YAG激光在1h内的频率漂移量迅速减小,超过1V后漂移量趋于稳定;改变对PZT调制频率没有获得较高的稳定度。将频率稳定后的Nd:YAG激光用于产生3.42μm附近的差频光源,通过对低压下CH4气体分子吸收谱线的测量,去卷积运算得到差频系统的线宽约为6.9MHz。实验结果既为该方法用于稳定激光频率提供了重要的参考,又为痕量气体探测提供了频率稳定的差频光源。     

数字伺服系统实现激光器频率长期锁定

报道了一种用共焦法布里-珀罗(F-P)腔和稳定的He-Ne激光对受控半导体激光器进行长时间频率锁定的方法:稳定的He-Ne激光作为参考标准.通过信号发生器和高压放大器扫描共焦F-P腔,同时将He-Ne激光与受控激光注入F-P腔,得到He-Ne激光与受控激光的透射峰信号,将探测到的透射峰信号输入到数据采集卡中,用LabVIEW软件编写的程序可以确定扫描腔体时所有峰的位置,计算出He-Ne激光透射峰和受控激光透射峰的相对位置.与设定值比较,产生反馈电压信号使受控激光器频率稳定在设定值,将He-Ne激光的稳定性转移到受控激光上.利用此方法,实现了将半导体激光器(DL100)的激光频率稳定在所选择的波数为11716.1706 cm-1的位置,一小时频率漂移小于±2 MHZ.     

利用取样积分实现激光饱和吸收一次谐波稳频

对激光器进行频率调制.检测原子分子饱和吸收信号中的一次谐波成分得到频率误差信号,反馈控制可以实现激光频率的稳定.介绍了取样积分提取一次偕波信号的原理和利用单片机实现的取样积分和数字比例积分微分(PID)控制的技术.相对于传统的锁相放大和模拟PID技术,取样积分和数字PID结构简单,可靠性高,调试方便,实现难度大大降低.建立的Cs原子饱和吸收外腔半导体激光(ECDL)稳频系统,估算相对频率波动优于1.2×10-9(p-p),平均锁定时间可达7天,并实现了自动扫描饱和吸收峰、自动锁定和意外失锁的自动重新锁定功能.     

基于精密波长计的外腔半导体激光长期稳频系统

为抑制连续激光器的长期频率漂移,以精密波长计为参考频率标准,由计算机控制可实现连续激光无调制稳频.此方法从计算机获取波长计数据,利用数字比例积分微分(PID)计算出输出给激光器的反馈电压值,从而修正激光器腔长、实现激光器频率的锁定.此方法可用于目前商业激光器光谱范围内的任意波长,能在激光器频率可调节范围内任意频率点进行锁定.用此方法实现了对631 nm外腔半导体激光器的锁定,获得了1h频率不确定度为7.4 MHz、长期频率漂移率为±1.1 MHz/h的稳定锁定.     

基于数字频率锁定技术实时探测实际大气中甲烷浓度

利用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对气体进行长时间实时监测时,激光器波长的漂移会给测量精度造成较大的影响。为了消除这种影响,利用Lab-VIEW设计的数字比例积分微分(PID)算法和软件数字锁相,将激光频率锁定在待测气体的吸收峰上。采用1.653μm的分布式反馈(DFB)半导体激光器作为光源,结合100 m离散型Herriot吸收池,选择空气中的甲烷作为研究对象,对系统性能进行了测试和分析。结果表明,该系统可以将激光器稳定在±0.001 cm-1范围内,对激光器的漂移起到了很好的抑制作用。系统使用二次谐波测量时1 s积分时间内检测限约为1.8×10-8体积分数,可以满足环境空气中甲烷的长时间监测。该方法可以直接应用于其他痕量气体探测、燃烧诊断等领域。     

输出770 mW的全固态连续单频蓝光激光器

为获得稳定输出的全固态蓝光激光器,在考虑了准三能级Nd:YAG晶体的自吸收损耗、热致透镜效应的基础上,设计了4镜环形谐振腔,采用激光二极管(LD)端面抽运复合Nd:YAG激光晶体,在腔内插入布儒斯特片作为起偏器,由λ/2波片和TGG晶体组成单向器,通过周期极化KTP(PPKTP)内腔倍频,实现了连续单频运转的473 nm蓝光激光器.当激光二极管的抽运功率为20 W时,最大连续单频473 nm蓝光输出功率为770 mW,长期功率稳定性优于±2.2%.利用电子伺服系统将激光器的频率锁定在共焦法-珀(F-P)腔的共振透射峰上,蓝光激光的频率稳定性优于±5 MHz/min.     

基于铷原子调制转移光谱技术的1560nm光纤激光器频率锁定研究

1560 nm窄线宽激光器作为光学C波段的重要波长成分,在光纤传感和激光雷达等领域有着广泛的应用,实现该波段的激光稳频对光谱学和精密测量具有重要意义。本文采用1560 nm窄线宽光纤激光器作为种子光源,倍频至780 nm波段后,利用调制转移光谱（MTS）将倍频光锁定在铷原子(⁸⁵Rb)D2线的3-4交叉峰上;并研究探测光和泵浦光功率比、调制解调信号的频率和幅值来优化MTS信号,最终同时实现1560 nm光纤激光器的频率锁定及780 nm的稳频输出。激光器稳频后与低噪声精密锁定的光学频率梳进行拍频,通过频率计测量拍频信号并进行Allan方差分析,积分时间为10 s时,相对频率稳定度为1.4×10^-11。     

窄线宽激光器稳频控制技术的研究

频率稳定度是表征频率稳定程度的一个极其重要的指标参数。为了满足激光雷达系统的应用需求,本课题研制了一套基于PDH技术的激光稳频系统。直接数字频率合成器产生激光器高频相位调制信号,模拟混频器解调激光器的频率漂移信息,作为稳频控制系统的核心控制部分的高集成度数字信号处理器,负责整个系统的信号处理及比例积分微分(PID)伺服等。     

基于PID算法的激光器恒温控制系统的设计

为了提高分布式反馈(DFB)激光器发光波长的控制精度,利用半导体热电制冷器设计了一款用于气体检测的DFB激光器精密温度控制系统.该系统主要包括数字信号处理电路、前向TEC驱动电路和后向温度采集电路构成.采用闭环比例-积分-微分(PID)控制算法,提高系统的控制精度、缩短系统的响应时间.通过使用温度控制系统向中心波长为1600nm的NLK1L5GAAA型可调谐DFB激光器进行了温度控制测试实验.实验数据证实,本装置的温度控制精度为±0.05℃,温度控制范围为5℃至60℃,超调量小于16％,温度恒定时间小于50s.检测水汽连续工作24小时激光器中心波长未发生明显漂移,表明该系统具有良好的稳定性,为DFB激光器在红外气体检测领域的应用提供了性能保障.     

高效高功率侧面抽运腔内倍频连续绿光激光器

激光二极管(LD)侧面抽运的内腔倍频激光器技术是实现高功率、高稳定且低成本连续绿光激光器的有效方法。为满足激光彩色显示、激光加工、数据存储、医疗卫生和科研等领域对连续绿光激光器的需求,研制了一台高效、高功率侧面抽运腔内倍频Nd∶YAG/KTP连续绿光激光器。采用优化的平-凹-平三镜折叠腔结构,Ⅱ类相位匹配KTP晶体内腔倍频,当808 nm激光二极管抽运功率约为180 W时,得到最高18.7 W的连续绿光激光输出,对应的光-光转换效率为10.4%。在输出功率15.4 W时测量激光功率稳定性,其功率不稳定度小于0.5%。输出光束平滑,远场为类高斯分布,用刀口法测量了激光器不同输出功率时的光束质量,光束传输因子M2小于7。     

传输腔稳频的397nm半导体激光器

商用的半导体激光器由于其长期漂移大,不能满足单离子光频标中离子的激光冷却和长时间探测的目的。因此,采用了传输腔稳频技术减小商用397nm半导体激光器的长期漂移。利用经过Pound-Drever-Hall(PDH)技术锁定的729nm超稳激光器作参考激光,采用扫描的法布里-珀罗(F-P)干涉仪作传输介质,实现了397nm半导体激光器的长稳锁定。稳频后397nm激光器在1h内的漂移小于1MHz,100s的Allan方差小于1×10-10。这些指标为下一步利用传输腔技术实现866nm激光的长稳锁定打下了基础,同时为优化单个钙离子的激光冷却和长时间精密测量提供了条件。     

采用温控和碘吸收池技术的发射激光稳频技术

多普勒测风激光雷达通过分析系统回波信号的多普勒频移反演出风速，为提高风场探测精度，从稳频技术方面展开研究。在稳频过程中，分别采取措施消除激光频率的长期漂移和短期抖动。针对激光频率的长期漂移，设计并研制了种子激光器温控箱，通过水浴的控温方式大大减小了激光频率的长期漂移，将激光频率稳定在±50 MHz以内；针对激光频率的短期抖动，采用以碘分子吸收池为核心器件的稳频系统，通过半导体控温方式对碘分子吸收池精确控温，控温精度达0.03 ℃，提高了稳频精度，将激光频率进一步稳定在±8 MHz以内，满足±10 MHz以内的设计精度要求。通过搭建多普勒测风激光雷达系统，对发射激光稳频装置进行系统验证，连续4组风场观测结果表明:系统探测高度为17 km，绝大部分方差在4 m/s以下，满足测风激光雷达测量指标的要求。     

高稳定度窄线宽激光器的研究

介绍了3种不同类型的高稳定度窄线宽激光器的研究进展.基于Littman结构和饱和吸收光谱稳频技术,研制了稳频外腔半导体激光器系统,输出波长为780.2 nm,频率稳定度1 MHz,不失锁时间大于12 h.利用边带稳频技术将分布反馈(DFB)激光器的输出波长稳定在Cs原子的吸收谱线的边带处,引入数字信号处理器(DSP)全数字稳频控制技术,实现了自动找频和稳频,获得波长为852.3 nm的稳频激光输出,24 h内频率漂移为±2 MHz.利用国产磷酸盐玻璃光纤作为增益介质,实现了一台高功率单纵模光纤激光器,制作的厘米级激光器实现了最大输出功率100 mW,利用外部光反馈实现单偏振运转,测得输出线宽为2 kHz,偏振消光比优于35 dB.     

532 nm碘分子光频标

建立了两套可搬运型碘分子稳频的532 nm固体激光频标装置,其中一套采用了自行研制的半非平面单块固体环形激光器作为光源,在该激光器中采用密封隔离罩消除了气压抖动造成的影响。在两套装置中,利用折叠光路实现了4倍碘室长度的1.8 m的实际光学吸收程,大大提高了误差信号的信噪比。设计并建立了主动温度反馈控制系统,有效抑制了电光相位调制器中剩余幅度调制的变化。两套系统频率同时锁定在碘分子的超精细谱线R(56)32-0的a10分量上。连续不间断15×104s的拍频测量结果表明:1 s采样时间的激光频率稳定度的Allan方差优于2.4×10-14,大于200 s采样时间的激光频率稳定度的最小Allan方差典型值可达到4×10-15。     

亚稳态氪原子饱和吸收光谱无调制激光稳频

利用亚稳态氪原子2P3/25p[5/2]3-2P3/15s[3/2]2饱和吸收光谱,分别使用电光调制器相位调制和声光调制器移频调制的方法,结合相敏检测,实现了钛宝石激光器相对于亚稳态氪原子的811.5 nm饱和吸收线的频率锁定.由获得的鉴频曲线以及误差信号估算,激光频率漂移从稳频回路开路时的超过8 MHz;减小到回路闭合时的约1 MHz,并可实现对激光频率数小时的稳定.该稳频后的激光光源被成功地用于激光冷却亚稳态氪原子各个稳定同位素.     

Static fiber-Bragg grating strain sensing using frequency-lockedlasers

Novel and highly sensitive static strain interrogation technique is demonstrated, where the sensing element is a fiber-Bragg grating (FBG) and the light source is a frequency-locked diode laser. Locking the laser frequency to the center of an absorption line (atomic line of potassium in our experiment) eliminates the slow frequency drift of the laser. The stabilized laser source is used to measure low frequency (“static”) strain, with a sensitivity of 1.2 nanostrain/√Hz rms at 1.5 Hz     

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。     

用声光调制器进行差拍饱和光谱学的实验研究

分别用声光晶体对氩离子激光515nm谱线作幅度和频率调制,实验研究了碘吸收的差拍饱和吸收信号。用频率调制方法得到斜率极陡的一阶微商饱和吸收信号,并将它作为鉴频曲线把氩离子激光频率稳到~(127)I_2分子的P(13)43-0的a_3线上。通过与一稳定到相同精细分量上的稳频氩离子激光器拍频,绐出激光频率稳定性优于±4.7×10~(-12)。     

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。     

密集波分复用激光光源的声光偏频无调制频率锁定

利用声光调制器(AOM)的偏频特性,以CH4分子吸收线R9支一条强吸收线(λ=1.6378μm)作为参考频率,实现了对外腔式半导体激光器的无调制频率锁定。实验中在100 s内典型的频率起伏小于5.6 MHz,较激光器自由运转时的频率起伏34 MHz有了显著的改善,而误差信号的阿仑(Allan)方差平方根(即稳定度)在平均积分时间为16 s时达到最小值5.75×10-10。该方法实现了基于气体分子吸收线的半导体激光器无调制锁频,并且CH4分子在1.6~1.7μm处有丰富的振转光谱,满足光纤通信中对激光器输出波长的要求,可应用于光纤通信中激光光源的频率锁定。