激光稳频的共焦法布里-珀罗干涉仪

针对多普勒激光雷达激光源短期频率漂移低于1 MHz的要求,设计了一种共焦干涉仪作为频率标准进行稳频。通过对三种不同材料制成的共焦法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪中心频率随温度漂移情况进行分析对比,选用零膨胀微晶玻璃材料制作共焦法布里-珀罗干涉仪,腔镜和隔离器通过光胶的方式进行组合,并且置于温控精度优于0.01 K的双层密封温控箱中。经过实验测量,共焦法布里-珀罗干涉仪的自由光谱范围为370 MHz,透射谱半峰全宽(FWHM)为1.7 MHz,精细度为220。采用该共焦干涉仪进行稳频,理论稳频精度可达0.15 MHz,满足激光多普勒雷达单频激光源的稳频要求。     

PDH技术中F-P腔特性对鉴频曲线的影响

详细介绍和分析了基于Pound-Drever-Hall(PDH)方法的激光器稳频技术.仿真分析了法布里-珀罗(F-P)腔镜面反射率及腔内损耗对鉴频曲线的影响,当反射率为0.2、不考虑腔内损耗时,鉴频曲线线性动态范围和灵敏度分别为9.6 MHz和0.2 MHz-1.与此同时,当腔内损耗为1%时,线性动态范围和灵敏度变化为14.5 MHz和0.05 MHz-1.结果证明了镜面反射率及腔内损耗都会对鉴频曲线产生显著影响.     

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.     

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。     

全固态高功率连续单频稳频1053-nmNd:YLF激光器

报道了激光二极管(LD)端面抽运的1053 nm全固态连续单频稳频Nd:YLF环形激光器的设计及实验结果.为克服Nd:YLF晶体应力裂纹极限小的缺点,采用了较长的、低掺杂的沿c轴切割的Nd:YLF晶体.激光器的阈值抽运功率为4.7 W,当抽运光功率为17.9 W时,单频输出功率可达4.21 W,长期功率稳定性为±0.8%(4.75 h),自由运转频率波动为±10 MHz/min.为了改善激光器的频率稳定性,利用电子伺服系统将激光器的频率锁定在共焦法布里-珀罗(F-P)腔的共振透射峰上,锁定后,激光器的频率波动降低为±1.7 MHz/min.     

利用偏振光谱对外腔式半导体激光器实现无调制锁频

将激光器输出频率相对于合适的参考频率标准进行锁定,可以有效地抑制激光器的频率起伏,提高激光器的频率稳定度。对铯原子偏振光谱进行平衡探测,当偏振光谱透射方向与偏振分束棱镜(PBS)偏振面之间的夹角选择合适时,平衡探测后的输出信号即为铯原子D2跃迁线的色散形鉴频信号。实验上实现了波长为852 nm的外腔式半导体激光器对应于铯原子6S1/2(F=4)→6P3/2(F′=5)超精细跃迁线的频率锁定。研究获得在50 s内激光器频率起伏小于±250 kHz,较相同时间内激光器自由运转时的频率起伏3 MHz有显著改善。这种频率锁定的方法不需要对激光器进行调制。     

模式匹配对光学谐振腔透射精细度的影响

法布里-珀罗扫描干涉仪具有很高的光谱分辨本领，具有广泛的用途．它可以用作光谱仪观测激光器的输出模式，可以作为鉴频器与稳频电路配合稳定激光频率，还可以利用它的透射谱线来测量谐振腔镜的反射率等光学参数．一般用作光谱仪和鉴频器的法布里-珀罗干涉仪均选用共焦谐振腔，而作为一种测量手段时，谐振腔则可能是任意的非对称谐振腔，由于扫描干涉仪是通过对其透射谱线的观察来工作的，透射谱线的精细度直接影响扫描干涉仪的应用效果．虽然从理论上共焦谐振腔对任意的高斯光束均可以实现自再现，不存在模式匹配问题，但由于共焦腔长L一…     

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。     

可调谐DBR激光器波长锁定光路系统模拟设计

利用ZEMAX软件设计了一套应用于可调谐DBR激光器输波长锁定的光路系统,该系统包括非球面镜、分光镜、法布里-珀罗标准具和消色差双胶合透镜。借助软件中的镀膜模块设计法布里-珀罗标准具的内部结构并表征其透射谱线,通过多重结构模块构建分光系统,然后使用偏振分析模块计算系统总耦合效率和两分支的分光比。优化设计后的光路系统可应用于C波段可调谐DBR激光器20个信道的波长锁定。     

利用单共振光学参量振荡器产生1.5μm连续单频激光

报道了利用高功率全固态连续单频1.06μm激光器,抽运由准相位匹配晶体构成的单共振光学参量振荡器(SRO),产生光束质量接近衍射极限的1.5μm连续单频激光的实验研究。实验获得了输出功率为3.2W的连续单频1.5μm激光,光光转换效率达40%,SRO的阈值抽运功率仅为2.5W。当把SRO腔长主动锁定到共焦法布里-珀罗(F-P)腔的共振峰上,信号光的频率稳定性优于3MHz(1min)、功率稳定性优于±0.5%(15min)。该系统的激光波长位于量子态传输波段,可用于研究实用化量子信息处理系统。     

泵浦激光频率漂移对光声稳频信号的影响

在CO2激光泵浦的气体太赫兹源中,泵浦激光的频率稳定性控制问题十分关键。针对基于光声效应的泵浦源稳频技术,理论分析和数值模拟了光声信号的探测条件(光声腔内气压、传声器灵敏度等)对微弱光声信号检测的影响,进而对探测条件进行了优化。在此基础上,进一步分析了泵浦激光频率在气体吸收谱线中心频率附近漂移时光声信号的变化规律。结果表明:在实际工作中,为了实现高精度的稳频,需要将光声腔的气压控制在低压范围内,并采用高灵敏度的光声传感器;当泵浦激光频率产生漂移时,利用探测到的微弱光声信号通过反馈系统可以精确地改变激光器的腔长,以实现高精度的光声稳频,且频率漂移范围可控制在MHz量级以内。     

用于稳定激光功率的数字控制系统

在冷原子干涉仪的研究中,常采用三个拉曼光脉冲实现对原子束的相干操控(分束、反射和合束)。拉曼激光的功率抖动会引起Rabi频率的变化,从而带来严重的干涉相移噪声。这些噪声对用于高精度转动加速度测量的冷原子干涉仪来说是不可忽略的系统噪声,因此实现拉曼激光的功率稳定对于实现高精度原子干涉是至关重要的。采用声光调制器(AOM)作为执行器,设计了一套用于稳定激光功率的数字控制系统。在对AOM进行系统辨识和控制器仿真设计的基础上,利用Labview程序实现了激光功率稳定的PID控制。测试结果表明,在测量时间为1 h情况下,激光功率的不稳定度由系统闭环前的1.67%降低到了系统闭环后的0.19%,极大地提高了干涉信号的稳定性,同时也降低了系统噪声。     

Laser mirror by degenerate four-wave mixing in a saturable amplifier

A phase conjugate mirror by degenerate four-wave mixing in a saturable gain medium has been successfully operated in a pulsed laser cavity. This mirror works with low-intensity pump beams when they are resonant with the nonlinear medium. The pump beams can thus be delivered by a continuous-wave, frequency stable laser of low power. In such a device, the pulsed laser emission displays automatic frequency locking to the pump waves without cavity length stabilization.     

钛宝石环形激光器的实验研究

在连续钛宝石环形激光腔中，无光学单向器时存在相向传播的两束光波，有两个对应的输出光束。用平面镜反馈回其中一束，可实现环形腔的行波激光运转。本文给出了该结构钛宝石激光器的输入一输出关系、双向波功率比随泵浦功率和输出耦合率的变化、外腔棱镜调谐特性，以及腔内插入标准具进行线宽压窄的实验结果。     

一种实现高精度稳定Zeeman激光频差的方法

为了使双频激光干涉仪的高精度和可靠性能够在当前急需解决的大尺寸高精度同轴度、直线度测量方面有效的发挥出来,有必要在双频激光干涉仪的信号处理方面采用比相技术,为此,需要稳定Zeeman激光的频差.本文提出一种基于8098单片机系统的智能化稳频差方案,不但保证了频差的稳定性,而且每次开机还能自动搜寻频差极值,从而保证了光频的复现性.系统经过实验验证,频差变化小于5kHz/5h,工作稳定可靠,可以满足比相的要求.     

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。     

Generation of Laser Light via Ultrasonic Four-wave Mixing

On the basis of the interaction between phonons in ionic crystals with anharmonic lattice vibration, we present a laser model on acoustic nondegenerate four-wave mixing. Two beams of highfrequency ultrasound, incident on the acoustic cavity fulfilled with the medium of ionic crystal, play the role of pumping and one of the two side-band modes of the pumping frequency as an acoustic signal mode has a strong interaction with the optical cavity mode, the coupling-out of which wiIl be the light (far-infrared) output of a laser. The problem is treated with quantum-mechanics. The theory shows that there is the threshold phenomenon as usual lasers and a so called "phase-matching" condition is derived, which should be satisfied for stability of the system.     

基于受激布里渊散射放大效应的可调谐多波长激光器的研究

为了获得高质量的可调谐多波长激光器,提出并 验证了一种结构简单的基于受激布里 渊散射(SBS)放大效应的多波长激光器。首先设计了单频布里渊环形腔激光器,将单频 激光信号 作为信号光,通过SBS放大效应实现了超过12个波长的激光输出,且 产生的波长数可以 进一步增加。该激光器的波长间隔为0.087nm,通过调节泵浦波长和 功率实现了可调谐的多 波长输出。在20 min的时间间隔内,测量了信号的稳定性, 实验结 果表明, 本文的多波长激光器展现了较高的稳 定性。     

采用射频频率调制光谱实现半导体激光器稳频

利用半导体激光器可直接对注入电流进行高速调制的特点，将20MHz射频(RF)信号直接加在半导体激光器的高频调制端口，射频信号的一部分经过相移器后，与雪崩光电探测器(APD)所探测的饱和吸收光谱信号进行混频，经低通滤波器后产生了类色散曲线；将半导体激光器的输出频率稳定在铯原子D2线的^6S1/2(F=4)→^6P2/2(F'=5)的超精细跃迁线上，实验所测的10s内典型的频率起伏小于1MHz；这种稳频技术不需锁相放大器，具有可避免低频段较高的强度噪声和较大的频率捕获范围的优点。     

垂直腔面发射激光器的内调制特性

面向芯片原子钟(Chip Scale Atomic Clock,CSAC)的垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)通过微波调制产生具有特定光频差的相干激光,与原子作用后的跃迁谱线频率作为参考标准,最终可获取高精度的频率信号。因此,垂直腔面发射激光器在芯片原子钟系统中至关重要。介绍了VCSEL激光器的内调制原理,搭建了其内调制特性实验测试平台,开展了激光器对射频调制响应特性研究,记录了激光器边带信号随着注入电流和射频输出功率的变化情况,并分析了射频调制对激光器边带信号的影响特性以及Bogatov现象引起的边带不对称现象。实验结果显示:当射频信号频率为3.41734 GHz,注入电流为1.2 mA,射频输出功率为3.5 dBm时,可获得优化的高频调制光谱,为芯片原子钟提供优质的光源。