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。

激光稳频中光学参考腔温度控制研究

为精确控制激光稳频中光学参考腔的温度,将LabVIEW程序与数据采集卡结合,使用常规PID控制理论,设计了一种能自动识别系统故障的参考腔温度控制系统。分析了温度不均匀对光学参考腔的影响,通过对温度传感器连接方式和设备性能的分析,并参考标准温度计,对温度传感器温度转换关系进行了修正。首次将6个修正的温度传感器同时用于光学参考腔的温度控制,使光学参考腔处于一个温度均匀且抖动不大于3×10^(-7)℃的环境中,因参考腔温度变化而带来的激光频率漂移理论上小于0.1 Hz/s。

1550nm可搬运超稳激光工程化研制

为了满足高精度地基授时系统项目的需求,本文对1 550 nm可搬运超稳激光系统进行了工程化研究。对5 cm长的光学参考腔进行了振动敏感度优化,最终其优于1×10^(-11)/g。完成了光学参考腔的自研,测得其精细度为78 000。对光学、真空系统以及电子学系统进行了集成化设计,整机总体积约为360 mm×380 mm×300 mm,总质量约为20 kg。通过拍频比对,其线宽约为1.41 Hz,频率稳定度小于1×10^(-14)@1 s。从实验测量结果可以看出,该超稳激光基本满足了地基授时项目工程化要求,同时也为国内可搬运超稳激光器的研究奠定了基础。

空间窄线宽激光器腔前耦合光学系统研制

介绍了一种应用于空间锶光钟钟激光器腔前耦合光学系统的设计和研制。该系统是以我国"空间站高精度时频实验柜"工程应用为目标研制的小型化窄线宽激光器重要组成部分。该系统能够提供满足参考腔束腰半径要求的高斯光束,实现高斯光束和参考腔之间的模式匹配和稳定的激光功率耦合,实现基于电光相位调制边带锁频技术的鉴频误差信号探测。该系统所有光学组件均实现小型化设计,并集成在一块规格为162mm×130mm×68mm的铝合金光学基板上。使用有限元法分析了该光学基板在竖直和水平两个主振动方向上自由重力加载情况下的机械形变,最大形变量小于1μm。在实验室空间内,该系统经若干次搬运后,测量系统搬运前后输出鉴频信号的信噪比变化约为5%,无需介入人工调试仍可长期稳定工作,满足空间窄线宽激光器原理样机的应用需求。

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。

利用钟跃迁谱线测量超稳光学参考腔的零温漂点

在87Sr光晶格钟实验系统中,通过将自由运转的698 nm激光频率锁定在由超低膨胀系数的玻璃材料构成的超稳光学参考腔上,从而获得短期频率稳定性较好的超稳窄线宽激光.超稳光学参考腔的腔长稳定性决定了最终激光频率的稳定度.为了降低腔长对温度的敏感性,使激光频率具有更好的稳定度和更小的频率漂移,利用锶原子光晶格钟的钟跃迁谱线,测量了698 nm超稳窄线宽激光系统中超稳光学参考腔的零温漂点.通过对钟跃迁谱线中心频率随温度的变化曲线进行二阶多项式拟合,得到698 nm超稳窄线宽激光系统的零温漂点为30.63℃.利用锶原子光晶格钟的闭环锁定,测得零温漂点处698 nm超稳窄线宽激光系统的线性频率漂移率为0.15 Hz/s,频率不稳定度为1.6×10^(–15)@3.744 s.

用于钟激光锁定的超稳光学参考腔的有限元分析

超稳光学参考腔是原子光钟系统中超窄线宽钟激光的重要组成部分。对超稳腔的腔体结构及支撑的精心设计可以有效地降低超稳光学参考腔的振动敏感度。本文提出了一种类四面体结构的超稳腔设计。我们通过在四面体的顶点处施加压力的方式将超稳腔腔体完全固定。由于腔体结构及支撑结构的高度对称性,该超稳腔不仅对固定腔体的支撑力不敏感,而且对空间上三个正交方向的振动都不敏感。我们采用有限元分析的方法对超稳腔的加速度敏感度进行模拟计算。计算结果显示我们设计的类四面体超稳腔在沿光轴方向和垂直光轴方向上的加速度敏感度分别为0.1×10^(-11)/g,1.8×10^(-11)/g,1.8×10^(-11)/g(其中g=9.81 m/s^(2))。超低的加速度敏感度和腔体的全方位固定使我们设计的超稳光学参考腔非常适合可搬运光钟的应用。