工作波长窄线宽激光的稳频方法

工作波长窄线宽激光的稳频方法

0基于光纤的光钟系统时频技术及相关研究现在，广泛使用的时间序列系统使用原子喷泉钟作为参考钟，其精度为10-15级。近年来,发展迅速的基于光学频率原子跃迁线的光钟,包括单离子光钟与光晶格钟,其准确度及稳定度都优于铯喷泉钟,目前报道的光钟最好的准确度为10-18量级。随着高性能原子钟的发展,传统的基于微波/卫星的时间频率传递方式已经不能较好地满足高精度传递要求。而基于光纤的时间频率传递技术已引起广泛重视,特别是在远程光钟高精度频率比对中,起着无可替代的作用。目前,已实验演示了10-16/s以及10-20/d的频率传递精度。在上述研究中,线宽较窄(~1Hz)或者相对频率稳定度达~10-15的窄线宽激光器均具有重要的应用。目前,铯喷泉钟稳定度的提高主要受限于本地振荡器信号的相位噪声。利用低温蓝宝石振荡器作为本振,可以有效提高喷泉钟的稳定度,但是其系统复杂,维护困难。而利用窄线宽光纤激光器结合飞秒光梳同样可以产生具有极低相位噪声的微波信号,该方法已经得到验证。在光钟系统中,窄线宽激光器作为本地振荡器,利用原子谱线对其输出频率进行周期性校准,可以实现极高的准确度。同时,在原子探测周期间提供振荡信号输出,其频率稳定度是影响光钟系统输出频率稳定度的主要因素。在基于光纤的高精度光载波频率传递中,利用窄线宽激光器的相干性,可以相干探测信号传递过程中的附加噪声,进而实现光载波频率的高精度传递。中国科学院国家授时中心承担着我国的标准时间的产生、保持和发播任务。以国家战略需求为导向,围绕国防建设和经济发展对时频领域提出的需求,目前开展了铯原子喷泉钟、锶原子光晶格钟以及基于光纤的高精度时间频率传递等研究工作。本文着重介绍工作波长为698nm,用于锶原子光晶格钟的窄线宽激光器研究进展。1激光频率锁定实验本文讨论的698nm窄线宽激光器将用作锶原子光钟的本地振荡器。87Sr原子的参考跃迁线线宽较窄,仅在mHz量级,因此,为了实现该参考跃迁的高精密光谱,必须研制具有超高频率稳定度的窄线宽激光。我们的实验方案是:采用精细度~103的初稳腔和精细度~105的高稳腔对激光进行两级稳频。第一级稳频使用初稳腔作为频率参考源,预期实现激光线宽kHz量级;第二级稳频采用高稳腔作为频率参考源,预期实现激光器线宽~Hz量级。实验装置如图1所示。一台外腔光栅反馈半导体激光器作为光源,其中心波长为698nm,自由运转线宽约1MHz,功率为30mW,该光束经准直后,通过光隔离器OI以抑制光反馈的影响,输出光2次通过声光调制器AOM1,移频量为80×2MHz。实验中采用了传统的PDH(pounddreverhall)稳频技术,利用电光调制器EOM对光场进行相位调制,调制频率约20MHz。输出光再经过PBS分为2束,其中一束反射光经过透镜组耦合到初稳腔,另一束透射光通过声光调制器AOM2移频110MHz后,经过另一个匹配透镜组耦合到高稳腔。将经过位相调制的光场经四分之一波片导入参考腔,参考腔反射光原路返回,并经由偏振分束器导出。利用快速低噪声光电探测器探测该光场,将该信号解调并经低通滤波就得到鉴频信号。将该信号输入比例积分放大PI电路后,通过对激光器驱动电流进行调制实现激光频率的反馈控制,由此实现激光频率锁定。初稳腔体由殷钢构成,利用真空胶将腔镜固定于腔体两端。初稳腔腔长10cm,精细度实测值~1200,腔镜曲率半径为500mm。高稳腔体由膨胀系数较低的(10-8/K)ULE玻璃制成,物理腔长为10cm,自由光谱区FSR为1.5GHz。利用腔场衰减时间测得光子寿命tlifetime=60μs,如图2所示。因此,高稳腔的精细度F=2uf070tlifetimeFSR~560000,腔线宽(半高全宽)(35)uf075=1/2tlifetime=2.6kHz。在频率锁定时,参考腔有效腔长是激光频率稳定度的重要影响因素,因此实验中需要尽量减小环境对参考腔的影响。通常,导致参考腔腔长变化的主要因素有机械震动、温度、空气压强、声学振动等。为了提高参考腔的稳定性,我们将参考腔置于真空度为10-6Pa的真空室中以减小热交换和声学噪声,并将高稳腔置于镀金铝桶中以提高其环境热均匀性,将真空室置于控温箱中以减小环境温度变化,将真空室以及光路置于隔振台上以减小地面机械振动。2初稳腔温度漂移的控制实验中通过提高激光与参考腔的模式匹配效率,优化误差信号以及调整比例积分参数,将激光频率锁到了初稳腔共振频率上,如图3所示。图3(a)为激光频率扫描时初稳腔的透射光信号,4条透射峰对应着2个自由光谱区。图3(b)为激光频率锁定后初稳腔的透射光信号。图3(c)为激光器自由运转时的鉴频信号。图3(d)为激光频率锁定后的误差信号。利用鉴频信号可以计算出,激光相对于参考腔的频率起伏为1.1kHz。通过比较2参考腔透射及鉴频信号,发现初稳腔相对于高稳腔存在明显的温度漂移,典型值约0.2MHz/min。而2腔间的频移通过声光频移器AOM实现,但AOM的工作带宽约10MHz,无法满足大频移的工作要求。考虑到高稳腔以ULE微晶玻璃为腔体材料,其对温度变化相对不敏感,热膨胀系数仅为3.0×10-8/K,而初稳腔以殷钢为腔体材料,其热膨胀系数为9.0×10-7/K,约为高稳腔的30倍,因此需要对初稳腔进行温度控制。目前本小组正在着手解决该问题。为了避免目前初稳腔频率快速漂移对高稳腔长时间锁频的影响,我们首先尝试将激光频率直接锁定到高稳腔,初步实验结果如图4所示。图4(a)为激光频率扫描时高稳腔的透射光信号,图4(b)为对应的高稳腔鉴频信号。与初稳腔相比,高稳腔的透射信号不稳定且信噪比较差。这说明激光器自由运转时,其频率噪声宽度远大于高稳腔线宽,同时激光与高稳腔的模式匹配效率仍有待提高。图4(c)是激光频率锁定后,高稳腔的透射光信号。可以看到,锁定后的透射光信号强度远大于扫描时的透射信号。这是由于未锁频时的激光频率噪声较大,在相对较短的时间内,腔内光场无法完全建立。图4(d)为锁定后高稳腔的误差信号。利用鉴频信号,我们计算出相对于高稳腔,激光频率起伏被压窄到680Hz。由高稳腔的锁频结果可以看出,高稳腔的透射光信号有较大的慢速起伏,据我们分析,可能是光路中空气流动导致的频率锁定点漂移。此外,锁频后激光频率的短期起伏问题还有待改进,我们将继续降低系统噪声本底以及优化比例积分参数。3细度、细度及误差本文介绍了中国科学院国家授时中心开展的基于698nm半导体激光器,用于锶原子光晶格钟的窄线宽激光器研制工作。实验测量了高稳腔光场寿命,可知高稳腔的精细度约为560000。对应于10cm腔长,腔线宽为2.6kHz。实验中采用PDH稳频技术分别将激光频率锁定到初稳腔和高稳腔。以初稳腔为参考,激光