工作波長窄線寬激光的穩(wěn)頻方法

工作波長窄線寬激光的穩(wěn)頻方法

0基于光纖的光鐘系統(tǒng)時頻技術及相關研究現(xiàn)在，廣泛使用的時間序列系統(tǒng)使用原子噴泉鐘作為參考鐘，其精度為10-15級。近年來,發(fā)展迅速的基于光學頻率原子躍遷線的光鐘,包括單離子光鐘與光晶格鐘,其準確度及穩(wěn)定度都優(yōu)于銫噴泉鐘,目前報道的光鐘最好的準確度為10-18量級。隨著高性能原子鐘的發(fā)展,傳統(tǒng)的基于微波/衛(wèi)星的時間頻率傳遞方式已經(jīng)不能較好地滿足高精度傳遞要求。而基于光纖的時間頻率傳遞技術已引起廣泛重視,特別是在遠程光鐘高精度頻率比對中,起著無可替代的作用。目前,已實驗演示了10-16/s以及10-20/d的頻率傳遞精度。在上述研究中,線寬較窄(~1Hz)或者相對頻率穩(wěn)定度達~10-15的窄線寬激光器均具有重要的應用。目前,銫噴泉鐘穩(wěn)定度的提高主要受限于本地振蕩器信號的相位噪聲。利用低溫藍寶石振蕩器作為本振,可以有效提高噴泉鐘的穩(wěn)定度,但是其系統(tǒng)復雜,維護困難。而利用窄線寬光纖激光器結合飛秒光梳同樣可以產(chǎn)生具有極低相位噪聲的微波信號,該方法已經(jīng)得到驗證。在光鐘系統(tǒng)中,窄線寬激光器作為本地振蕩器,利用原子譜線對其輸出頻率進行周期性校準,可以實現(xiàn)極高的準確度。同時,在原子探測周期間提供振蕩信號輸出,其頻率穩(wěn)定度是影響光鐘系統(tǒng)輸出頻率穩(wěn)定度的主要因素。在基于光纖的高精度光載波頻率傳遞中,利用窄線寬激光器的相干性,可以相干探測信號傳遞過程中的附加噪聲,進而實現(xiàn)光載波頻率的高精度傳遞。中國科學院國家授時中心承擔著我國的標準時間的產(chǎn)生、保持和發(fā)播任務。以國家戰(zhàn)略需求為導向,圍繞國防建設和經(jīng)濟發(fā)展對時頻領域提出的需求,目前開展了銫原子噴泉鐘、鍶原子光晶格鐘以及基于光纖的高精度時間頻率傳遞等研究工作。本文著重介紹工作波長為698nm,用于鍶原子光晶格鐘的窄線寬激光器研究進展。1激光頻率鎖定實驗本文討論的698nm窄線寬激光器將用作鍶原子光鐘的本地振蕩器。87Sr原子的參考躍遷線線寬較窄,僅在mHz量級,因此,為了實現(xiàn)該參考躍遷的高精密光譜,必須研制具有超高頻率穩(wěn)定度的窄線寬激光。我們的實驗方案是:采用精細度~103的初穩(wěn)腔和精細度~105的高穩(wěn)腔對激光進行兩級穩(wěn)頻。第一級穩(wěn)頻使用初穩(wěn)腔作為頻率參考源,預期實現(xiàn)激光線寬kHz量級;第二級穩(wěn)頻采用高穩(wěn)腔作為頻率參考源,預期實現(xiàn)激光器線寬~Hz量級。實驗裝置如圖1所示。一臺外腔光柵反饋半導體激光器作為光源,其中心波長為698nm,自由運轉線寬約1MHz,功率為30mW,該光束經(jīng)準直后,通過光隔離器OI以抑制光反饋的影響,輸出光2次通過聲光調(diào)制器AOM1,移頻量為80×2MHz。實驗中采用了傳統(tǒng)的PDH(pounddreverhall)穩(wěn)頻技術,利用電光調(diào)制器EOM對光場進行相位調(diào)制,調(diào)制頻率約20MHz。輸出光再經(jīng)過PBS分為2束,其中一束反射光經(jīng)過透鏡組耦合到初穩(wěn)腔,另一束透射光通過聲光調(diào)制器AOM2移頻110MHz后,經(jīng)過另一個匹配透鏡組耦合到高穩(wěn)腔。將經(jīng)過位相調(diào)制的光場經(jīng)四分之一波片導入?yún)⒖记?參考腔反射光原路返回,并經(jīng)由偏振分束器導出。利用快速低噪聲光電探測器探測該光場,將該信號解調(diào)并經(jīng)低通濾波就得到鑒頻信號。將該信號輸入比例積分放大PI電路后,通過對激光器驅動電流進行調(diào)制實現(xiàn)激光頻率的反饋控制,由此實現(xiàn)激光頻率鎖定。初穩(wěn)腔體由殷鋼構成,利用真空膠將腔鏡固定于腔體兩端。初穩(wěn)腔腔長10cm,精細度實測值~1200,腔鏡曲率半徑為500mm。高穩(wěn)腔體由膨脹系數(shù)較低的(10-8/K)ULE玻璃制成,物理腔長為10cm,自由光譜區(qū)FSR為1.5GHz。利用腔場衰減時間測得光子壽命tlifetime=60μs,如圖2所示。因此,高穩(wěn)腔的精細度F=2uf070tlifetimeFSR~560000,腔線寬(半高全寬)(35)uf075=1/2tlifetime=2.6kHz。在頻率鎖定時,參考腔有效腔長是激光頻率穩(wěn)定度的重要影響因素,因此實驗中需要盡量減小環(huán)境對參考腔的影響。通常,導致參考腔腔長變化的主要因素有機械震動、溫度、空氣壓強、聲學振動等。為了提高參考腔的穩(wěn)定性,我們將參考腔置于真空度為10-6Pa的真空室中以減小熱交換和聲學噪聲,并將高穩(wěn)腔置于鍍金鋁桶中以提高其環(huán)境熱均勻性,將真空室置于控溫箱中以減小環(huán)境溫度變化,將真空室以及光路置于隔振臺上以減小地面機械振動。2初穩(wěn)腔溫度漂移的控制實驗中通過提高激光與參考腔的模式匹配效率,優(yōu)化誤差信號以及調(diào)整比例積分參數(shù),將激光頻率鎖到了初穩(wěn)腔共振頻率上,如圖3所示。圖3(a)為激光頻率掃描時初穩(wěn)腔的透射光信號,4條透射峰對應著2個自由光譜區(qū)。圖3(b)為激光頻率鎖定后初穩(wěn)腔的透射光信號。圖3(c)為激光器自由運轉時的鑒頻信號。圖3(d)為激光頻率鎖定后的誤差信號。利用鑒頻信號可以計算出,激光相對于參考腔的頻率起伏為1.1kHz。通過比較2參考腔透射及鑒頻信號,發(fā)現(xiàn)初穩(wěn)腔相對于高穩(wěn)腔存在明顯的溫度漂移,典型值約0.2MHz/min。而2腔間的頻移通過聲光頻移器AOM實現(xiàn),但AOM的工作帶寬約10MHz,無法滿足大頻移的工作要求。考慮到高穩(wěn)腔以ULE微晶玻璃為腔體材料,其對溫度變化相對不敏感,熱膨脹系數(shù)僅為3.0×10-8/K,而初穩(wěn)腔以殷鋼為腔體材料,其熱膨脹系數(shù)為9.0×10-7/K,約為高穩(wěn)腔的30倍,因此需要對初穩(wěn)腔進行溫度控制。目前本小組正在著手解決該問題。為了避免目前初穩(wěn)腔頻率快速漂移對高穩(wěn)腔長時間鎖頻的影響,我們首先嘗試將激光頻率直接鎖定到高穩(wěn)腔,初步實驗結果如圖4所示。圖4(a)為激光頻率掃描時高穩(wěn)腔的透射光信號,圖4(b)為對應的高穩(wěn)腔鑒頻信號。與初穩(wěn)腔相比,高穩(wěn)腔的透射信號不穩(wěn)定且信噪比較差。這說明激光器自由運轉時,其頻率噪聲寬度遠大于高穩(wěn)腔線寬,同時激光與高穩(wěn)腔的模式匹配效率仍有待提高。圖4(c)是激光頻率鎖定后,高穩(wěn)腔的透射光信號?？梢钥吹?鎖定后的透射光信號強度遠大于掃描時的透射信號。這是由于未鎖頻時的激光頻率噪聲較大,在相對較短的時間內(nèi),腔內(nèi)光場無法完全建立。圖4(d)為鎖定后高穩(wěn)腔的誤差信號。利用鑒頻信號,我們計算出相對于高穩(wěn)腔,激光頻率起伏被壓窄到680Hz。由高穩(wěn)腔的鎖頻結果可以看出,高穩(wěn)腔的透射光信號有較大的慢速起伏,據(jù)我們分析,可能是光路中空氣流動導致的頻率鎖定點漂移。此外,鎖頻后激光頻率的短期起伏問題還有待改進,我們將繼續(xù)降低系統(tǒng)噪聲本底以及優(yōu)化比例積分參數(shù)。3細度、細度及誤差本文介紹了中國科學院國家授時中心開展的基于698nm半導體激光器,用于鍶原子光晶格鐘的窄線寬激光器研制工作。實驗測量了高穩(wěn)腔光場壽命,可知高穩(wěn)腔的精細度約為560000。對應于10cm腔長,腔線寬為2.6kHz。實驗中采用PDH穩(wěn)頻技術分別將激光頻率鎖定到初穩(wěn)腔和高穩(wěn)腔。以初穩(wěn)腔為參考,激光