（光学专业论文）注入锁定钛宝石激光器的理论分析与优化.pdf

t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o no f t h ei n je c t i o n - l o c k e d t i ：s a p p h i r el a s e r s a t h e s i s s u b m i t t e dt ot h ed e p a r t m e n to f p h y s i c s a n d t h ec o m m i t t e eo ng r a d u a t es t u d yo fe a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c e b y c h e nl i n f a n g ( 5 l0 7 0 6 0 2 0 2 3 ) s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rx ux i n y e m a y 2 0 1 0s h a n g h a i 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文注入锁定钛宝石激光器的理论分析与优化，是 在华东师范大学攻读硕士学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：谄，监墨 日期：州乜年上月i 同 华东师范大学学位论文著作权使用声明 注入锁定钛宝石激光器的理论分析与优化系本人在华东师范大学攻读学位期间 在导师指导下完成的硕士学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学所有。本人同意 华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图 书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范 大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文 共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其 它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密 学位论文宰， 于刳月同解密，解密后适用上述授权。 ( 2 不保密，适用上述授权。 导师签名牵主生 本人签名汤：赴翌 加p 年岁月lh “涉密”学位论文麻是已经华东师范人学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范人学研究生中请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，朱经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适川 上述授权) 。 隧挞羞硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 丁良恩研究员 华东师范大学主席 毕志毅教授华东师范大学成员 黄国翔教授华东师范大学成员 摘要 摘要 连续可调谐、高功率、窄线宽的激光器，在激光雷达、高分辨率光谱学和激光冷却 与囚禁等研究中有着非常广泛的应用。尤其在原子光晶格钟的实验研究中，急需高功率、 窄线宽、频率稳定的激光源。而注入锁定技术是获取此光源的一种有效方法。为此，结 合注入锁定技术和钛宝石激光器的优势，我们旨在实现高功率、窄线宽、频率稳定的注 入锁定钛宝石激光源，为冷镱原子光晶格钟的实验研究提供三维光晶格光源。因此，相 应的理论研究和优化分析成了冷y b 原子光晶格钟课题的重要一部分。 在本文中，我们对注入锁定钛宝石激光器进行了理论研究和优化分析。理论上，以 提高注入锁定钛宝石激光系统的输出功率和频率稳定性两方面为切入点，对其进行了深 入地研究和讨论。首先，由注入锁定激光器输出功率取决于从激光器输出功率的特点， 我们利用数值方法详细地分析了钛宝石激光器各个参数与其斜面效率和阈值之间的关 系，并将理论计算结果与相应的已报道实验结果进行比较，发现两者吻合得很好，若将 他们的实验参数进行优化，其输出功率可从3w 提高至4 1 2w 。由此表明，以上的分 析结果不仅清楚地指明了各个参数对输出功率的影响，而且对类似纵向泵浦固体激光器 的设计具有一定的指导作用。其次，为了提高注入锁定激光系统的频率稳定性，根据 p d h 稳频原理和相关的反馈控制理论，分析了稳频系统的两套不同伺服反馈系统，从中 确定最佳的伺服反馈系统，从而实现高稳定的注入锁定钛宝石激光系统。 此外，本文从实验上，具体阐述了7 5 9h i l l 注入锁定钛宝石激光系统的实验设计方 案和几个关键参数的测量方案。根据自i f 面的理论分析和实验要求，详细地介绍了7 5 9n i n 注入锁定钛宝石激光系统的实验设计方案，并重点阐述了环形钛宝石激光器的设计思路 和我们目前实验系统的搭建进展。另外，介绍了拍频测主激光器线宽、连续光腔衰荡技 术测环形腔镜的高反射率、激光相位调制法测试环形谐振腔q 值等实验测量方案。 关键词：注入锁定，连续钛宝石激光器，p o u n d d r e v e r - h a l l 技术，环形腔，象散补 z 出 l z ； a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh i g h p o w e r , f r e q u e n c y - s t a b i l i z e d a n dn a r r o wl i n e w i d t hl a s e r sh a v ew i d e a p p l i c a t i o n si n t h er e s e a r c h e so ft h el a s e rr a d a r , t h eu l t r a p r e c i s es p e c t r o s c o p y ，t h el a s e r c o o l i n ga n dt r a p p i n g ，e s p e c i a l l yt h eo p t i c a la t o m i cc l o c k s u pt on o w , t h ei n j e c t i o nl o c k i n g t e c h n i q u ei sa l le f f e c t i v em e t h o d t oo b t a i ns u c hl a s e r s i no r d e rt os u p p l y i n gt h el a s e rs o u r c e f o rt h e3 do p t i c a ll a t t i c ei no u ry ba t o m i cc l o c ke x p e r i m e n t s ，w ed e s i g na ni n j e c t i o n - l o c k e d t i ：s a p p h i r el a s e ra t7 5 9n l nb yt a k i n gt h ea d v a n t a g e so ft h ei n j e c t i o nl o c k i n gt e c h n i q u ea n d t h et i ：s a p p h i r el a s e r t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yf o ru st oc a r r yo u tt h et h e o r e t i c a ls t u d ya n d o p t i m i z a t i o no f t h ei n j e c t i o n - l o c k e dt i ：s a p p h i r el a s e r t h i st h e s i sd e a l sw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h ei n je c t i o n - l o c k e d t i ：s a p p h i r el a s e ri nd e t a i l t h e o r e t i c a l l y , t h ea n a l y s e sm a i n l yf o c u s e do nm a x i m i z i n gt h e o u t p u tp o w e ro ft h es l a v el a s e r ( t i ：s a p p h i r el a s e r ) a n di m p r o v i n gt h ef r e q u e n c ys t a b i l i t yo f t h ei n je c t i o n - l o c k e dl a s e rs y s t e ma r ep r e s e n t e d f i r s t l y , t h ei m p a c t so fv a r i o u sp a r a m e t e r so f t h er i n gt i ：s a p p h i r el a s e ro ni t st h r e s h o l da n ds l o p ee f f i c i e n c ya r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gt h e n u m e r i c a lm e t h o d ，b a s e do nt h ef a c tt h a tt h ei n j e c t i o n - l o c k e da n df r e e - r u n n i n gl a s e r sa l m o s t h a v et h es a m em a x i m u mo u t p u tp o w e ra n ds l o p ee f f i c i e n c y a n dt h en u m e r i c a lr e s u l t sa r ei n g o o da g r e e m e n tw i t h t h e r e p o a e de x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o ra3 0wi n j e c t i o n - l o c k e d t i ：s a p p h i r e l a s e ra t7 5 6n n l ，t h eo u t p u tp o w e rc o u l dr e a c ht o4 12w b yo p t i m i z i n g p a r a m e t e r s ，w h i c hs h o wt h a tt h en u m e r i c a la n a l y s i sr e s u l t sn o to n l yc l a r i f y t h er o l e so f v a r i o u sp a r a m e t e r si na f f e c t i n gt h el a s e ro u t p u tp o w e r , b u ta l s oa r eg u i d e l i n e sf o rd e s i g ns u c h e n dp u m p e dl a s e r s s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l eo ft h ep d ht e c h n i q u ea n dt h ec o n t r o lf e e d b a c k t h e o r ya r er e v i e w e da n dt w od i f f e r e n ts e r v of e e d b a c ks y s t e m sa r ea n a l y z e d b a s e do nt h e s e ， a no p t i m a ls e r v of e e d b a c ks y s t e mi sd e t e r m i n e df o ra nu l t r a - - s t a b l ei n j e c t i o n ，l o c k e dl a s e r s y s t e m e x p e r i m e n t a l l y , t h ed e s i g no fa7 5 9n mi n j e c t i o n l o c k e dt i ：s a p p h i r el a s e ra n dt h e m e a s u r e m e n ts c h e m e so fs o m ek e yp a r a m e t e r sa r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ea b o v et h e o r e t i c a l a n a l y s e sa n do u re x p e r i m e n tr e q u i r e m e n t s ，w e i n t r o d u c ead e t a i l e dd e s i g no fa7 5 91 1 1 1 i n j e c t i o n - l o c k e dt i ：s a p p h i r el a s e r , p a r t i c u l a r l yt h ed e s i g no far i n gt i ：s a p p h i r el a s e ra n do u r e x p e r i m e n t a ld e v e l o p m e n t a d d i t i o n a l l y , t h em e a s u r e m e n ts c h e m e so ft h el i n e w i d t ho ft h e d i o d el a s e rb yb e a t i n gf r e q u e n c y , t h eh i g hr e f l e c t i v i t yo ft h er i n gc a v i t ym i r r o rb yt h e a b s t r a c t c o n t i n u o u s - w a v ec a v i t yr i n gd o w ns p e c t r o s c o p yt e c h n i q u ea n dt h eqf a c t o ro ft h er i n gc a v i t y b yp h a s em o d u l a t i o no fl a s e ra r ed e t a i l e d l yp r e s e n t e d k e y w o r d s ：i n j e c t i o nl o c k i n gt e c h n i q u e ，c wt i ：s a p p h i r e l a s e r s ，p o u n d d r e v e r - h a l l t e c h n i q u e ，r i n gc a v i t y , a s t i g m a t i s me f f e c t 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 注入锁定技术的发展状况2 1 3 本课题的主要工作5 第二章注入锁定钛宝石激光器功率的优化分析6 2 1 引言6 2 2 注入锁定连续激光器的理论6 2 3 环形钛宝石激光器的理论基础9 2 4 环形钛宝石激光器参数的优化分析1 6 2 5 本章小结2 2 第三章注入锁定激光器p o u n d d r e v e r - h a l l 稳频的分析。2 4 3 1 引言2 4 3 2p o u n d d r e v e r - h a l l 技术的原理2 4 3 3 注入锁定激光器p o u n d d r e v e r - h a l l 稳频方案2 8 3 4 本章小结3 3 第四章7 5 9a m 注入锁定钛宝石激光器的实验设计3 4 4 1 引言3 4 4 27 5 9a m 注入锁定钛宝石激光系统的设计及搭建3 5 4 3 几个关键参数的测量方案4 0 4 4 本章小结4 5 第五章总结和展望4 6 参考文献4 8 硕士期间的研究成果5 l 至i 【谢。5 2 ： ”，寥 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 近年来，原子光钟受到许多科学家的极大关注，成了物理学领域最前沿课题之一。 自从实验报道了锶原子光钟的频率不确定性接近于1 1 0 6 【i 】，此结果超越了当前正在运 行并为全世界提供时问标准的铯原子喷泉钟( 4 1 0 5 ) ，这表明原子光钟将有望取代原 子喷泉钟并成为新一代频率标准。并且理论上预测了“光晶格钟”的误差可达1 0 0 8 s ， 要比现在的铯原予钟精确1 0 0 0 倍，具有很大的发展潜力。尤其，最近很多研究报道了 通过高功率、窄线宽、频率稳定的激光源将原子囚禁在l a m b d i c k e 区，避免各种外来 扰动，可实现高稳定度和高精度( 系统的不确定度 2 0 0 时，它对输出功率的 影响将明显地减小。因此，在实际中，f o m 值一般选2 0 0 左右，而即应尽可能地小些。 第三章注入锁定激光器p d h 稳频方案的分析 第三章注入锁定激光器p o u n d d r e v e r - h a l l 稳 频的分析 3 1 引言 在原子光晶格钟实验研究中，不仅要求激光源具有窄线宽、高功率特点，而且对频 率的稳定性也提出了很高的要求。一般激光器由于受温度、机械振动等环境因素的影响， 通常达不到频率高稳定性的要求，而主动伺服控制反馈系统是满足高稳定激光器的一种 有效手段，它一般框图如图3 1 所示。对注入锁定激光器而言，通常有两种稳频技术：一 种是边带锁频，另一种是p d h 技术锁频。这两种技术最大的区别是它们锁定点不同，边 带锁频是锁在高精度f p 腔的半高透射峰对应的频率上，而p d h 技术是锁定于反射光与腔 共振时所对应的频率上。但p d h 技术较边带锁频技术更具有突出的优点：( 1 ) 这种稳频 技术不受腔响应时问的限制。( 2 ) 这种技术可以有效提高光谱信号检测的灵敏度，并且 避免低频激光幅度噪音的影响，从而达到散粒噪音的极限。p d h 技术是d r e v e r 4 3 】等人 于1 9 8 3 年率先提出的，目前成了普遍的激光稳频方法。因此，p d h 稳频技术也是注入锁 定激光系统稳频的首选技术。 图3 1 伺服控制反馈系统的示意框图。 3 2p o u n d d r e v e r h a l l 技术的原理 v p d h 稳频技术类似于f m 光谱技术，通过对激光进行电光相位调制，将激光的频率 误差以调制光的相位信息形式被记录。这种技术主妻基于腔的反射光谱特性和光外差光 谱检测技术，得到具有良好鉴频特性的色散型谱线，然后将误差信号通过反馈系统控制 激光的腔长或电流，进而改变激光频率，从而将激光频率很好地锁定在谐振腔的共振频 率上。 第三市注入锁定激光器p d h 稳频方案的分析 3 2 1 相位调制光外差技术 对激光进行电光相位调制后，激光场幅度可表示为 既。= e o e m + p 鲥“妇+ c c ( 3 2 1 1 ) 将上式按贝塞尔函数在频域上展丌，得到表达式 厂1 = e o e j o ( p ) e “叶脚+ ( 一1 ) ”j o ( p ) e “”帕pl + c c ( 3 2 1 2 - 2 ) l n = o n = l j 式中以( ) 是第n 阶贝塞尔函数，缈为入射光频率，q 和分别为电光位相调制器的 调制频率和调制度。由贝塞耳函数频域分布特性知，当调制度 2 0 0 时，它对输出功率的影响将明显地减小。因此，我们选f o m 值为1 5 0 左右，而腔损耗吸收尽可能地小些。 5 在选定以上所讨论参数后，在实验过程中，由腔参数对输出功率的影响规律即增大 d 和调参数d 偏离稳区中心有利于输出功率增大，可以进一步优化腔参数( d ，d ) 使输出功率达到最佳。 根据上述的设计思路，得到环形腔钛宝石激光器所需的器件参数如表4 1 所示。在 这些参数下，理论计算得到的钛宝石激光器输出功率和斜面效率分别为2 9 5w 和4 2 8 如图4 2 所示。 表4 1 环形腔钛宝石激光器所需器件的参数 3 5 第叫章注入锁定认宝石激光器的实验设计 腔参数晶体参数 泵浦参数 ddr川i i 凸反射l i i l 凸反射输耥合、r 面反射晶体晶体 f o m q p 泉浦功象浦束 ( m )( m )( m )镜m 5 镜m 6镜m 4镜m 7长度截面 ( c m - i )率( w )腰( g m ) 【c l t i ) ( m m ) 0 60 0 5 3o 17 5 9 ：9 9 8 5 3 2 ：9 5 7 5 9 ：9 0 7 5 9 ：9 9 8 i5 51 5 03 21 0 弧矢面： 反射透射透射反射 ( 5 3 2 n m ) 1 7 7 7 5 9 ：9 9 5 子午面： 反射1 8 o p u m pp o w e r ( w ) 图4 2 理论计算的环形钛宝彳i 激光器输出功率与泵浦功率的关系。 目前搭建环形腔钛宝石激光器所需的器件已基本配全，正在搭建其实验系统，所搭 建的实验框架图如图4 3 所示，其中( a ) 为环形钛宝石激光器的整体框图和( b ) 为环形腔的 放大图。环形腔由长为1c m 靠儒斯特角切割晶体，两个曲面半径为0 1m 的曲面镜， 一个平面镜反射镜，一个透过率为l o 的输出耦合镜组成。其中的一个平面镜需与p z t 固定在一起，为了方便控制腔长。两曲面镜的折叠为2 2 。，用来象散补偿。整个腔的 腔长约为o 7m ，大概产生4 3 0m h z 的纵模间距。钛宝石晶体购于上海光机所，它的尺 寸如图4 3 ( c ) 所示，其光轱c 垂直于钛宝石棒的轴向，偏振方向平行光轴c 方向，( 3 t p = 3 2 c m ，阳 仁1 5 0 。安装在两曲面镜中心位置的钛宝石晶体通过铟包层与铜热沉接触，同 时对热沉进行水冷。晶体由v e r d i l0 泵浦，泵浦光经透镜组使其束腰会聚在钛宝石晶体 中心。为了环行腔钛宝石激光单向通行，从而阻止腔内光反馈对主激光器的损失，需在 在腔内放置一个由法拉第旋转器和l 2 玻片组成的光隔离器。这罩的p z t 和法拉第旋转 器均在购买中。 3 6 一)ioo乱芎930 第叫章注入锁定铁宝石激光器的实验设计 图4 3 ( a ) 环形腔钛宝彳i 激光器的实验框图利( b ) 环形腔的放人图。 ，_ 、- 一髟 一。7 - 、厶 4 2 2 主激光器系统 图4 3 ( c ) 钛宝彳i 品体的尺寸。 在注入锁定钛宝石激光系统中，连续可调谐的主激光器为l y n x 外腔光栅反馈半 导体激光器购于s a c h c r 公司。此激光系统主要由激光头和激光驱动两部分组成。外腔 光栅反馈半导体激光器是通过光栅反馈方式压窄激光器线宽，机理上是通过光反馈来减 少腔内光振荡模式，从而减弱模式竞争引起的线宽加宽。根据光栅反馈的不同方式，外 腔光栅反馈半导体激光器可以分为l i t t r o w 4 8 踟】和l i t t m a n m e t c a l f f 5 1 5 2 l 两种反馈方式。 l i t t m a n m e t c a l f 反馈方式如图4 4 ( a ) ，输出光经光栅衍射产生的一级衍射光先入射到一 个反射镜上，由反射镜按原路反射至光栅，再通过光栅反馈回激光器，而零级光作为激 光输出。通过这种反馈方式可以获得较窄线宽的光源，但是损失过大，效率并不高。 l i t t r o w 反馈方式如图4 4 ( b ) ，输出光经光栅衍射后产生的一级衍射光直接沿入射光方 向反馈回激光器，零级光作为激光输出。这种方式具有高功率、高效率等特点，但在调 第p q 章注入锁定铁宝石激光器的实验- 嫂计 谐激光频率时，输出光束的方向会随之改变，因而需对后续光路作重新调整。 激光输 幽4 4 ( a ) l i t t m a n - m e t c a l f 反馈方式示意图和( b ) l i t t r o w 反馈方式示意图。 我们选用半导体激光器的结构为新型l i t t r o w 结构【5 3 】如图4 5 所示，与传统i 拘l i t t r o w 反馈方式相比，这种装置在与光栅平行的位置另加了一个反射镜，并且反射镜和光栅同 时由一个旋钮控制，因而在激光调谐时，可以确保光沿着固定方向输出。这种结构不仅 使激光器调谐方便，而且具有高稳定性、高效率及输出功率至少大于2 0 0m w 等特点。 图4 5 新型的l i t t r o w 反馈方式示意图。 在注入锁定激光系统中，为了高效地将注入光耦合至从激光腔，一般注入光束将变 为高斯光束，这是由于高斯光束较其它光束的模式匹配效率高。因此，在实验中，我们 将主激光器输出光先经透镜进行聚焦，使其能通过p i n h o l e 产生所需的高斯光束，之后 再经透镜对其进行准直，然后通过透镜组将光束有效地耦合到环形腔。整个主激光系统 的实验框图如图4 6 所示。 第四章注入锁定饮宝石激光器的实验设计 图4 6 主激光器的实验框图。 4 2 3 注入锁定钛宝石激光器p o u n d d r e v e r - h a l l 稳频方案 由第三章注入锁定激光器的稳频理论知，对锁定后激光系统进行稳频的稳频效果明 显优于对主激光器进行稳频的稳频效果，因为它能使主激光器和从激光器的高频和低频 噪音均很好地得到抑制。为此，我们采用前者对注入锁定钛宝石激光系统输出的部分光 ( 即透射光) 进行稳频如图4 7 所示。在稳频过程中，利用主激光器的电流调制为p d h 稳频技术提供两边带。其透射光由光电二极管跟踪探测，再将探测到的信号与调制信号 进行混合，便产生一个误差信号，此信号经放大、积分后分别反馈到主激光器的电流和 环形腔中的p z t ，从而使系统的低频和高频噪音均有效地得到抑制。 图4 77 5 9r i m 注入锁定钛宝彳i 激光系统的实验框图。 3 9 第p q 章注入锁定铁宝石激光器的实验设计 4 3 几个关键参数的测量方案 在注入锁定钛宝石激光器的实验设计中，关键参数的测量是实验研究工作的一部 分。本节对主激光器线宽、腔镜的高反射率及环形腔q 值等参数的测试，具体给出了 其测量原理及实验方案。 4 3 1 外腔反馈半导体激光器线宽的测量原理 激光器的线宽是激光器性能的一个重要指标之。在受激辐射过程中总伴随着自发 跃迁辐射过程，这种自发辐射相对于步调一致的受激辐射是一种噪音，这种噪音被定义 为激光器的线宽。在我们的注入锁定系统中，半导体激光器的线宽极其重要，它的大小 将会影响锁定后激光系统输出光的线宽。因此，半导体激光器线宽的测量成了一项重要 的工作。 测量激光线宽的常用方法有两种：一种是自差拍的方法测量激光的窄线宽，这种方 法需要很长的延时光纤，使用起来极不方便【5 4 】。另一种是将待测激光与一束参考激光进 行拍频，然后通过频谱分析仪测量其拍频宽度，从而可以得到待测激光的线宽。与自差 拍的方法相比，这种拍频测激光线宽的方法较简单，大大简化了实验测量装置。但对参 考激光有一定的要求：一是参考激光的频率要与待测激光的频率相近；二是参考激光的 线宽要非常窄，以至于可以忽略它的影响。考虑我们的实验条件，采用两台激光拍频的 方法测量半导体激光器的线宽，拍频所得信号为射频信号，将此信号通过频谱分析仪便 可测量出拍频宽度，再利用拍频宽度与待测激光线宽的关系，即可得到待测激光线宽。 将两台波长非常接近的激光器进行拍频，设它们的频率分别为嵋( f ) 及v 2 ( f ) ，那么 它们的光电场分别写为【5 5 】 e ( ，) = alc o s ( 2 n v t t + 西)( 4 3 1 - 1 ) e 2 ( ，) = a2c o s ( 2 7 r v 2 t + 唬) ( 4 3 1 2 ) 式中a 。，a ：分别为两束光波的振幅，谚和唬分别为两柬光波的初相位，当这两束光重 合地入射到光电探测器时，总的光电场可表示为 ； e ( t ) = alc o s ( 2 t r v l f + 办) + a2 c o s ( 2 n v 2 t + 识)( 4 3 1 3 ) 由于光电探测器输出的光电流为光电场的平方，因此输出光电流大小为 f 老，= e 2 ( f ) = 【巨( ，) + 易( 纠2 = a ? c o s 2 ( 2 n v i ，+ 秭) + 彳；c o s 2 ( 2 n v 2 ，+ 欢) + 彳1 4c o s 2 刀( v , + 矿2 y + ( 办+ 欢) 】 + 彳l a 2e o s 2 x ( v l v 2 ) t + ( 办一欢) 】( 4 3 1 4 ) 式中第一、二项均为一直流项，第三项为和频项，其频率很高，光电探测器无法响应， 最后经平均后输出为零，而第四项为拍频项即我们所需测量的项。所以，光电探测器最 4 0 第四章注入锁定饮宝机激光器的实验设计 后的输出为 f = 4 1 4 2c o s 2 n ( v i v 2 ) t + ( 确一织) ( 4 3 1 - 5 ) 从( 4 3 1 5 ) 式可以看出，光电流的大小与拍频信号中含( q 一0 2 ) 项密切相关。再将此信号 通过频谱分析仪便可测出洛伦兹线型的拍频线宽。拍频所得线宽实际为参考激光器线宽 和待测激光器线宽的卷积，若待测激光的线宽远远大于参考光的线宽，那么拍频的线宽 即为待测激光器的线宽。因此，通过这种拍频方法，即可测出待测激光的线宽。 拍频测线宽的实验方案的装置图如图4 8 所示，图中的参考激光器为钛宝石激光器， 待测激光器为外腔光栅反馈半导体激光器。两激光器发出的激光，经1 2 玻片调节使两 束光的偏振保持一致，再经分束器和透镜聚焦，将其有效地耦合到光探测器上进行拍频， 最后将拍频所得信号输入到频谱分析仪观测光谱，便可测得洛伦兹线型的拍频线宽。我 们所用钛宝石激光器的线宽为1 0 0 k h z ，其线宽远远小于待测半导体激光器的线宽，根 据理论分析，拍频的线宽即为待测激光器的线宽。 分束器透镜 反射镜 图4 8 拍频测鼙线宽的实验装置图。 4 3 2 光腔衰荡技术测量环形腔中反射镜的反射率 精确检测激光腔镜的反射率是分析激光谐振腔特性的自，j 提，传统反射镜反射率的检 测方法主要有两种：多次反射法、透射法。多次反射法简单，适合测量中低反射，但精 度不高。透射法适合测量中高反射率，但由于光谱仪对射频线宽无法精确测量，会使反 射率的测量精度有限。尤其对于高反射率( r 9 9 7 ) ，传统的检测方法已不能给出准确 的测量结果。而光腔衰荡光谱技术是近年来新兴起的一种腔损耗测量技术。它是利用外 部注入光束在腔内来回振荡时，测量其光强度衰减的速率来获得腔内损耗系数( 如腔内 的弱吸收、腔镜的高反率) 。由于腔衰减时间是由腔本身的特性决定，因此光源功率的 起伏不会对测量结果产生影响。并且理论上，反射率越高，腔衰荡时间越长，越容易测 量。与前两种方法相比，这种方法因其在高反射镜反射率测量和弱吸收光谱检测方面有 着广泛的应用前剥5 6 - 5 8 】。 4 l 第叫章沌入锁定铁宝杠激光器的实验嫂计 光腔衰荡技术是种测量高反镜反射率有效方法，尤其适合测超高反射镜的反射 率，测量精度高达1 0 巧【5 9 1 。光腔衰荡技术根据入射光的性质可分为脉冲光腔衰荡技术和 连续光腔衰荡技术。脉冲光腔衰荡技术是将一束脉冲光入射到由高反镜组成的光学谐振 腔，在高反射率腔镜的反射下，光束在腔内来回反射振荡，然后其光强逐渐减弱，在腔 后用快速探测器便可探射光强的衰减时间，从而计算出腔内损耗。但是脉冲光腔衰荡技 术测量高反射率成本高，且测量精度受脉冲光束质量差、激光腔内模式竞争等因素的影 响。而连续光腔衰荡光谱技术可采用半导体激光器，这不仅大大降低了测量成本，而且 优质的光束质量，有利于提高测量精度。同时，由于采用可调谐的半导体激光器作为光 源，便于测量反射镜在多种波长下的反射率。因此，相比前者，连续光腔衰荡技术具有 更高的测量精度和光谱分辨率等优点。 在我们的实验中，用连续光腔衰荡技术测量腔镜的反射率，其直腔连续激光光腔衰 荡法的原理如图4 9 所示。在测量过程中，我们采用a o m 光开关实现连续光的通断。 一束连续光入射到谐振腔，突然切断连续光，由于腔内已储存的能量将会逐渐衰减。若 谐振腔内的其它损耗很小，则可以忽略不计，最后经谐振腔后的输出光强呈e 指数形式 衰减【6 0 j ： i ( t ) = i o e x p ( - t r 。) ( 4 3 2 - 1 ) 其中删为输入光被关断之后的输出光强，l o 为输入光被关断之前的输出光强，为衰 减时间常数。图4 1 0 给出了输出光强随时间的变化关系。由谐振腔内多光束干涉理论， 可推出腔镜反射率与衰荡时| 白j 常数的关系为： r = r l r 2 = e x p ( 一( c z 。) ) = 1 一( c 乙) ( 4 3 2 2 ) 其中月为所有腔镜反射率的乘积，c 是光速，上是腔长。k l ：l ( 4 3 2 - 2 ) 式知，只要得到此衰 荡信号的时间谱，通过拟合求出衰荡时间常数t 。，并且测出腔长，便可以得到两腔镜的 反射率的乘积尺。 r 几p 陋刊目m 输入彤弋 m 1 m 2 输h ：形式 图4 9 直腔连续激光光腔衰荡法原理图。 4 2 第阴章注入锁定铁宝石激光器的实验设计 i ( t ) i o l o e 。1 r - t 图4 1 0 输出光强随时间的变化芙系 另外，还可以利用折叠腔对待测镜片的反射率进行测定。保持腔长不变，在之前的 两镜之间以一定角度插入待测镜片如图4 1 1 所示，此时折叠腔衰荡时间可表示为 r = l c 卜i n , r l r i n b 】 ( 4 3 2 3 ) 式中t 为折叠腔衰荡时间，r 。为待测镜的反射率。1 ：1 ：1 ( 4 3 2 2 ) 式，待测镜的反射率可以 表示为 b ：e x “! 一上) 兰】- 1 一( 三一l ) z i c( 4 托3 2 4 ) t t c cz f r 因此，采用a o m 光丌关，可以实现连续激光光腔衰荡技术测量腔衰荡时间，进而 通过( 4 3 2 - 3 ) 、( 4 3 2 4 ) 式求得腔镜中凹面镜和平面镜的反射率。但是采用这种光腔衰荡 技术对系统的响应时间有一定的要求。所以，在实验中，探测器的响应时间、光开关的 响应时间均要远远小于腔的衰荡时间常数。另外，多次测量求平均的方法可以进一步提 高测量精度。 一 m 2 图4 1 1 折叠腔连续光腔衰荡原理图。 连续光腔衰荡的实验方案装置图如图4 1 2 。单模、窄线宽的半导体激光器输出7 5 9 n i i l 激光，经声光调制器调制，其一级衍射光经透镜，有效地将其耦合到谐振腔中，此 后经聚焦透镜入射到探测器中。由方波信号控制声光调制器的信号源，从而控制声光调 制器一级衍射光的通断。在光开关断丌时，一级衍射光在腔内衰荡便会形成e 指数的衰 减透射光输出，用高速探测器便能探测到此衰减信号，并输入数字存储示波器和计算机。 4 3 第p u 章注入锁定钛宝杠激光器的实验设计 图4 1 2 连续光腔衰荡的实验装置图。 4 3 3 环形谐振腔q 值的测试 q 值为谐振腔振荡频率与线宽的比值，q 值越高，腔的损耗越低，腔的线宽就越窄。 q 值是描述谐振腔特性的重要参数之一。因此，准确测定参数q 值是设计谐振腔必不 可少的工作。下面就介绍环形谐振腔q 值的测量方案。 将入射光经相位调制器调制后，经透镜将之有效地耦合到环形腔，之后用探测器检 测入射激光从环形腔透射或反射的光谱信号，并通过示波器观察此光谱信号。以激光频 率调制所产生的调制边带作为频率参考标尺，读出调制边带与载波的中心距的格数( f ) 及载波的半高处对应宽度的格数( n ：) ，如图4 1 3 所示。由此可知，环形腔的线宽a o , 为 = 等万( 4 3 3 - 1 ) 式中万为调制频率即调制边带和载波的频率间隔，选择合适的调制频率，可以精确测量 出腔的线宽。再由关系式 q = ( 4 3 3 - 2 ) 。勉u ， 、7 即可以算出环形腔的q 值。 图4 1 3 腔的线宽测量示意图。 4 4 第叫章注入锁定铁宝石激光器的实验敬计 4 4 本章小结 本章结合前两章的理论和实验要求，具体给出了7 5 9n m 注入锁定钛宝石激光器的 实验设计方案，并且详细地阐述了环形腔钛宝石激光系统的设计思路。同时介绍了目前 整体实验搭建的进展。另外，具体介绍了主激光器线宽、环形腔镜的反射率及环形腔的 q 值等参数的测量方案。 4 5 第五章总结j 展望 第五章总结和展望 连续可调谐、高功率、窄线宽的激光器，在激光雷达、高分辨率激光光谱学和激光 冷却与囚禁等方面有着广泛的应用前景。尤其在冷原子的实验研究中，急需高功率、窄 线宽、频率稳定的激光源。注入锁定技术是获得此激光源的一种有效方法。目前，注入 锁定激光器已在激光雷达、大气光学、激光光谱等重要领域得到非常广泛的应用。并且 各国都已具备比较完善的注入锁定技术，尤其是美国，已经将注入锁定技术应用到激光 雷达的研制中。因此，注入锁定激光系统的研究受到国内外研究者的高度重视，使其成 为激光领域中最为活跃的课题之一。 钛宝石激光器是当f j f 公认的可见和近红外波段最好的可调谐固体激光器。若钛宝石 激光器辅之以注入锁定技术，则它是满足冷镱原子光晶格钟实验研究的最佳选择。近几 年，随着原子光晶格钟研究的深入，注入锁定连续钛宝石激光器成了很多科学家研究的 焦点。但是对注入锁定连续钛宝石激光器的理论分析及优化尚未报道。考虑其在镱原子 光晶格钟实验中的价值和意义，本文对此进行了理论研究和优化设计。下面对本论文的 主要工作和后续工作的展望将作具体的介绍。 一本文的主要工作 基于注入锁定理论和钛宝石激光器的模型，我们以提高从激光器的输出功率和激光 系统的频率稳定性为切入点，对注入锁定钛宝石激光器进行了理论分析和优化。并且， 结合上述的分析结果和实验条件，具体给出了7 5 9n m 注入锁定钛宝石激光的实验计方 案，同时介绍了几个关键参数的测量方案。 在本文，理论上，以提高从激光器的输出功率和激光系统的频率稳定性为切入点， 对注入锁定钛宝石激光器进行了详细地分析。首先，由注入锁定激光器的输出功率取决 于从激光器功率的特点，采用数值分析和作图的方法研究了钛宝石激光器各个参数对其 阈值和斜面斜率的影响，从而优化环形钛宝石激光器输出性能。并将理论计算结果与已 报道的相关实验结果进行比较，发现两者结果相吻合。若将他们的实验参数进行优化， 其最大功率将从3 0w 增加到4 。1 2w ，这表明已报道的实验结果还有提高的空间。由此 表明，这种数值分析结果不仅清楚地指明了各个参数对其输出功率的影响，而且对类似 激光器的设计具有一定的指导作用。其次，为了提高激光系统的频率稳定性，根据p d h 稳频技术原理和控制反馈理论，具体讨论了注入锁定激光器p d h 稳频方案的两套不同 伺服反馈系统，并将之进行比较，从中确定最佳的伺服反馈系统，从而实现高稳定的钛 宝石激光器注入锁定系统。 在论文的后面部分，从实验上，根据上述的理论分析和实验要求，给出了7 5 9a m 4 6 第五章总结1 j 腱掣 注入锁定钛宝石激光系统的设计方案，并重点介绍了环形钛宝石激光器的设计思路和我 们实验系统搭建的进展。最后，详细地介绍了拍频测量主激光器线宽、连续光腔衰荡技 术测量环形腔镜的高反射率及激光相位调制法测试环形腔谐振腔q 值的实验方案。 二本文后续工作展望 1 根据所设计的实验方案，搭建7 5 9n l t l 注入锁定钛宝石激光系统，从而使各个部 分的方案得到具体化。但是在实验的过程中，可能无法完全按照所设计的参数进行，这 是由于受一些不确定因素的影响，如晶体