Pound-Drever-Hall稳频误差信号线性动态范围及灵敏度分析

在Pound-Drever-Hall激光稳频方法中,误差信号的线性动态范围和灵敏度是影响稳频效果的重要指标。为了对Pound-Drever-Hall激光稳频性能进行优化,本文理论分析了调制频率、FP腔镜反射率和腔长对动态范围及灵敏度的影响,并通过实验仿真进行定量讨论和优化。实验结果表明,调制频率、反射率和腔长都分别与线性动态范围的大小有着紧密的联系,通过对这些参数的正确选取,以及对精度和灵活性要求的综合考虑,可以提升稳频系统的效果;而且对调制深度的优化可以提高误差信号灵敏度。

Pound-Drever-Hall激光稳频系统线性化复频域建模及分析研究

Pound-Drever-Hall(PDH)稳频系统利用了调制光谱技术和外差探测技术,将激光频率锁定在F-P参考腔的中心频率上以实现稳频。鉴频曲线的线性区为PDH系统的频率快速捕获区。在此区域内,PDH误差信号与激光频率差成正比。本文建立了该频率快速捕获区的PDH稳频系统线性化复频域模型,研究了系统的稳定性和稳态误差。F-P参考腔作为稳频基准,其干扰对系统稳频性能影响极大。将F-P参考腔干扰作为噪声源,分析了系统的扰动误差。分析了系统动态性能,研究了频率锁定的暂态响应过程,给出了系统参数设计依据。

正交解调Pound-Drever-Hall激光稳频技术实验研究

为了提高激光器的频率稳定度,设计了基于正交解调原理的Pound-Drever-Hall(PDH)稳频系统。该系统采用直接数字频率合成器同步产生三路同频正弦和余弦信号,其中一路正弦信号用作电光相位调制器的驱动信号,另两路正弦和余弦信号同时用作相位解调的参考信号。解调所得PDH稳频系统的误差信号用于反馈调节激光器腔长,使得激光器频率自动稳定到Fabry-Perot(F-P)参考腔的谐振频率上。建立了正交解调PDH稳频实验系统,实验结果表明,在1.5 h稳频时间内,激光器的频率漂移不超过±0.13 MHz,根据Allan方差计算得到其频率稳定度优于1.2×10^(-11)。这种稳频激光器可用作合成波绝对距离干涉测量系统的理想光源。

内调制技术和Pound-Drever-Hall技术对894.6nm倍频腔的稳频比较

为了对抽运源的稳频技术做出对比和选择,采用内调制技术和相位调制光外差技术,以周期性极化KTP晶体作为非线性晶体,实现了894.6nm连续光两镜驻波倍频腔的稳频运转。结果表明,在不同注入光功率下,用这两种方法锁定倍频腔后获得的蓝光功率基本相同;在最大注入光功率为350m W时,获得178m W的447.3nm蓝光,相应的转化效率为50.8%;在最大注入光功率下,利用内调制技术和相位调制光外差稳频技术获得的蓝光在2h内功率起伏分别为3.4%和2.3%。该研究对获得稳定输出的447.3nm蓝光用来制备铯原子D1线的非经典光的实验是有帮助的。

正交解调Pound-Drever-Hall激光稳频系统设计

分析了传统Pound-Drever-Hall(PDH)激光稳频方法的工作原理,设计了一种基于正交解调原理的PDH激光稳频方案。该方案采用直接数字频率合成器同时产生两路频率均为10 MHz的正弦和余弦信号,其中正弦信号分为两路:一路用于驱动电光相位调制器以产生相位边带,另一路与余弦信号一起作为相位解调的参考信号。经相位调制后的激光束耦合进入F-P参考腔,所产生的光外差干涉信号由光电探测器进行探测,其输出信号分别与两路正交参考信号进行混频,经低通滤波后得到误差信号的两个正交分量,二者经A/D转换后进入微处理器进行正交相敏检波运算,即可得到PDH稳频系统的误差信号。建立了正交解调PDH激光鉴频实验系统,对F-P参考腔的腔长进行线性扫描,观察到了鉴频曲线,其鉴频灵敏度为1.82 V/MHz,最大频率变化量为5.48 MHz。实验结果表明,所设计的正交解调PDH稳频方案可行。

正交解调Pound-Drever-Hall激光稳频技术研究

为克服传统Pound-Drever-Hall(PDH)激光稳频方法的缺点,设计了正交解调PDH激光稳频系统。该系统采用同一直接数字频率合成器(DDS)同步产生三路同频正弦信号,一路作为本振信号驱动电光调制器产生激光相位调制边带,另外两路相位差为90°的信号作为解调参考信号。采用两个模拟解调器分别获得误差信号的同相分量和正交分量,对其进行数字化采集和相敏检波运算,即可获得稳频系统的误差信号。通过正交解调PDH激光稳频关键技术研究,建立了激光频率跟踪实验系统。实验结果表明,Fabry-Perot(F-P)参考腔可以实时跟踪激光频率变化的功能,跟踪时长约1h。

基于超稳腔PDH锁频技术的852 nm超稳激光器

自上世纪80年代激光锁定技术发展以来,超稳激光器在光钟、引力波探测、腔量子电动力学、星地通讯等高精度光学量子时频计量领域发挥着重要作用。利用Pound-Drever-Hall(PDH)锁频技术,可以将自由运转激光器的频率锁定后获得极高频率稳定性的激光输出。这里,将852 nm波长激光锁定在超稳谐振腔的频率谐振点上,实现超稳频激光输出。试验中的超稳谐振腔品质因子达到1010,精细程度达到20万,输出激光的秒级频率稳定度达到5.2×10^(-15),线宽2.3 Hz。这一频率稳定度的连续激光器将为852 nm波长的钟激光器提供有力的技术支持,与Cs原子产生良好关联。

光纤环形谐振腔的频率锁定及其特性

基于可调分束比的光纤分束器,制作了光纤环形谐振腔并通过调节分束比实现了对光纤环形谐振腔的欠耦合、临界耦合和过耦合的状态控制.实验测量了腔最小反射率与腔损耗之间的关系,获得光纤环形谐振腔的腔内衰减率为κ_0=2π×(1.60±0.03) MHz ,品质因子为Q=(1.10±0.02)×10.8.在此基础上,结合了压电陶瓷拉伸光纤以控制腔长和Pound-Drever-Hall锁频两大技术优势,克服了之前温度反馈控制等方法的反馈带宽窄、噪声大和稳定性差等问题,实现了对光纤环形谐振腔共振频率的快速、灵敏的控制和锁定.结果表明,锁频过程中相位调制功率与相位调制引起腔反射光的强度调制之间的关系为线性关系,进而通过降低相位调制信号的功率以减小相位调制对腔反射光强度调制的影响.当调制功率设定最低为–9 dBm时,光纤环形谐振腔仍能被稳定锁定.该光纤环形谐振腔为其与原子、金刚石色心等发光粒子相互作用的腔量子电动力学实验研究奠定了坚实的基础.

基于FPGA数字相位调制光外差激光稳频系统设计

为了实现中心波长为1064nm的单频光纤激光器的稳频,采用相位调制光外差(PDH)激光稳频技术,搭建稳频系统光路。分析了相位调制光外差稳频信号以及误差信号特征;设计基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字式解调和反馈控制电路,在FPGA中实现对相位调制光外差稳频信号的数字解调,再经数模转换器输出获得误差信号。结果表明,在FPGA中能成功实现对相位调制光外差信号的解调,经Allan方差计算,频率漂移的方差值可达10-11,即所设计的数字系统实现了较高的稳频精度。

亚赫兹线宽稳频激光技术

激光已广泛应用于精密光谱与精密测量中,激光的频率稳定度与光谱纯度决定了测量的精度与光谱的分辨率,因此不断提高激光频率的稳定度和减小激光线宽是精密光谱和精密测量研究领域永远追求的目标。文章介绍了亚赫兹线宽稳频激光的原理与一些关键技术,并展望了未来发展趋势。

基于频率锁定腔衰荡光谱技术及其在镜面反射率测量中的应用

腔衰荡光谱技术(CRDS)由于其具有高灵敏度、高精度、装置简单等特点,被广泛应用于痕量气体检测、镜面反射率测量等领域。建立了一套基于连续波频率的腔衰荡光谱(CW-CRDS)装置,基于Pound-Drever-Hall(PDH)频率锁定技术将激光器的频率锁定到光学腔的纵模上,从而保证了激光功率到腔模的高效耦合。通过观测不同的声光调制器(AOM)关断频率对应的透射信号,得到光路最佳关断频率为60kHz。使用该系统测量了光学腔腔镜的反射率,通过与非锁定情况下测量得到的结果进行对比,得出锁定后的结果漂移减小,误差也压缩为非锁定情况下的1/3。

激光稳频控制系统仿真与实验研究

窄线宽稳频半导体激光器在干涉测量、光学频标、精密光谱测量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PDH稳频为例,基于PLL理论建立了激光稳频过程的数学模型,计算了激光稳频过程的误差传递函数;利用Matlab/Simulink搭建了激光稳频仿真模型,分析了环境变化时激光器失锁机理,结果表明控制电路内部信号可作为失锁判据;进一步利用积分扫描方式搭建了一套激光器稳频试验系统,针对环境因素的变化,对激光器失锁过程进行了研究,实验结果与仿真结果基本一致;同时在稳频系统精密控温的情况下,实现了对激光器长时间稳频,其频率不稳定度小于5MHz。

腔增强拉曼光谱方法检测痕量氢气

氢气作为潜在的能源载体和工业材料,在众多领域发挥着日益重要的作用。在很多应用中,对氢气的检测需要有更高的灵敏度、更快的响应和更大的动态测量范围。腔增强拉曼光谱法(CERS)通过Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术将激光和高精细度的光学谐振腔锁定,实现了1900倍的腔内功率增益,用于痕量氢气的检测。在7 mW的激光输入功率下,当积分时间为100 s时,自行搭建的腔增强拉曼光谱装置对H2的检测限为2 Pa。实验结果还表明拉曼散射强度与激光功率和气体压力具有良好的线性关系,示范了CERS方法高精度气体定量分析的潜力。

698nm超稳激光研究进展

为满足新一代时间频率系统中锶原子光钟的研制任务的需求,研制了698 nm超稳激光系统。基于PDH激光稳频技术,将激光频率锁定在高精细度光学参考腔共振频率上,通过PID负反馈控制系统实现对激光频率的纠正,从而提高激光的频率稳定度。两套独立激光系统的拍频比对结果显示,单套激光系统的频率稳定度约2.5×10^(-15)/s,线宽是2 Hz。

用乙炔稳频二极管-泵浦Er-Yb玻璃激光器

介绍了一种新颖的二极管-泵浦Er-Yb玻璃激光器,利用Pound-Drever-Hall技术并采用乙炔分子P(15)线对其实现了稳频。实验装置中将两个激光器的出射波长锁定到同一气室的乙炔P(15)吸收曲线的同一侧,使得温度对吸收峰值频率产生的漂移和温度导致气压变化使线宽增宽均对频率稳定性不产生影响。通过测量两个相同激光器系统间出射光波的拍频发现,激光的短期带宽窄于50kHz,通过频率波动情况得出激光器有较高的相对频率稳定度。改进后的激光器稳定性和重复性显著提高,适合于实现高精度的光学频率标准。

一种拓宽PDH稳频系统动态范围的新方法研究

鉴于传统Pound-Drever-Hall(PDH)锁相稳频技术在稳定光腔时存在锁定的动态范围很窄且抗干扰能力差等问题,建立一种可拓宽PDH系统动态范围的稳频锁腔方法。采用传统的PDH误差信号除以透射功率来新定义一个PDH误差信号,拓宽了传统的PDH稳频锁腔的线性区域。此外,采用了卡尔曼滤波器,当存在噪声时,也能估计反射镜的状态,并设计了反馈控制系统,使得PDH稳频系统可在更宽的动态范围内快速锁定。仿真结果表明,在存在扰动和噪声情况下,该方法也可以使PDH稳频系统的动态范围增加50倍。

基于PDH技术的微波谐振环稳频（英文）

北京大学高功率耦合器谐振环锻炼平台是对北京大学1.3GHz超导加速器的耦合器进行高功率测试和锻炼的平台,通过谐振环与信号源谐振来产生高功率。在谐振环工作过程中,由于外界扰动会使其共振频率发生变化,故需要对谐振环路进行频率锁定,从而维持其与信号源的共振。将PDH(Pound-Drever-Hall)技术应用在此锻炼平台上,用以锁定微波信号源与谐振环的频率。实验验证表明,该PDH反馈系统能有效维持谐振环的高增益。

一种用于超稳激光的数字控制锁频电路

超稳激光具有超高的频率稳定度和极窄线宽等优点,广泛应用于各种精密测量物理实验。为了确保不引入额外开关噪声,其频率锁定电路通常采用模拟电路实现,但是模拟控制电路存在锁定参数调节不方便、难以实现自动锁定和远程控制等方面的不足。针对这些问题,提出一种基于数字控制的通用型模拟锁频电路。该电路可以通过数字开关实现对锁定参数的大范围调节,通过数字算法实现自动重锁,同时该电路具有USB通信功能,可以通过电脑远程调整锁频参数和实现频率锁定。利用该电路实现了激光器频率到高精细光学谐振腔的长期锁定,锁定后激光频率稳定度1 s积分时间4.6×10^(-16),2~10 s积分时间小于4.2×10^(-16),接近10 cm超稳腔的热噪声极限。这种长期稳定运行的超稳激光系统将有利于基于超稳激光的精密测量物理实验的开展和光钟走向应用。

超稳激光频率锁定系统中干涉效应抑制与锁频电路设计

超稳激光是精密测量领域的关键工具,其频率稳定度很大程度上取决于频率锁定稳定度。笔者理论研究了干涉效应对锁频误差信号的影响,并通过实验研究了降低干涉效应的方法,以提高激光的频率锁定稳定度。经过优化后,锁频系统的锁定稳定度相对于参考腔线宽达到了9×10^(-7)。在参考腔线宽为21 kHz(精细度为7.5万)的情况下,将1.5μm激光的频率稳定度锁定到4.0×10^(-16)水平,接近10 cm参考腔的热噪声极限。本文所提降低干涉效应的方法是研制稳定度高达10^(-17)水平的超稳激光器的重要参考。

大频差双腔双频Nd∶YAG激光器合成波绝对距离干涉测量系统设计

为了实现高精度绝对距离测量,提出了双腔双频Nd∶YAG激光器(TCDFL)合成波绝对距离干涉测量方案。以正交解调Pound-Drever-Hall稳频的大频差TCDFL作光源,采用马赫-曾德尔干涉仪结构,设计了双频激光合成波绝对距离外差干涉测量系统,获得了两路同频外差干涉信号,对其进行比相测量,得到合成波干涉条纹的小数级次;对被测距离进行粗测,可唯一确定合成波干涉条纹的整数级次,从而实现绝对距离测量。建立了频差为24 GHz的二极管泵浦1064 nm正交线偏振TCDFL合成波长标定与绝对距离干涉测量实验系统,实验结果表明:空气中的合成波长标定值为12.4614 mm,其标准差为0.13μm;当被测绝对距离为900 mm时,其重复测量平均值为899.3851 mm,标准差和测量不确定度分别为1.36μm和4.08μm。该实验研究为今后研究开发超精密绝对距离干涉测量仪奠定了坚实基础。