DFB半导体激光抽运铷原子频标

DFB半导体激光抽运铷原子频标
黄家强;顾源;张胤;王延辉;刘淑琴;董太乾
【摘要】We use one DFB laser diode（780 nm） as the pumping source,which is based on a homemade traditional rubidium frequency standard with the discharge lamp assembly removed.The laser frequency is locked to the 87Rb cycling transition（52S1/2,F=2→52P3/2,F=3） by means of traditional saturation absorption locking technique and the microwave rubidium frequency standard locking loop is accomplished.The initial short-term stability of the rubidium clock is measured to be 3.7×10-12 τ-1/2（1~100 s）.%在传统铷原子频标的基础上,利用一台780 nm的DFB半导体激光器代替铷光谱灯作为抽运光源,将激光的频率锁定在87Rb原子的循环跃迁线（52S1/2,F=2→52P3/2,F=3）上,实现了微波铷原子频标的闭环锁定,初步获得的短期稳定度指标为3.7×10-12τ-1/2（1~100 s）。

【期刊名称】《时间频率学报》
【年(卷),期】2012(035)002
【总页数】5页(P65-69)
【关键词】铷原子频标;激光抽运;饱和吸收谱;频率稳定度
【作者】黄家强;顾源;张胤;王延辉;刘淑琴;董太乾
【作者单位】北京大学信息科学技术学院量子电子学研究所,北京100871;北京大学信息科学技术学院量子电子学研究所,北京100871;北京大学信息科学技术学院量子电子学研究所,北京100871;北京大学信息科学技术学院量子电子学研究所,北
京100871;北京大学信息科学技术学院量子电子学研究所,北京100871;北京大学
信息科学技术学院量子电子学研究所,北京100871
【正文语种】中文
【中图分类】TM935.115
铷原子频标具有体积小、功耗低、可靠性高、价格低廉等特点，被广泛应用在通讯、电力、卫星导航等领域。

传统、实用型的铷原子频标均采用铷光谱灯作为抽运光源。

光谱中包含87Rb原子的a线与b线，经过85Rb原子（A线、B线）的滤光作用后剩下b线，但是，由于这2种原子的a线与A线在频域上并不是完全重合的，
因而不能完全滤除，即部分a线会剩余，进入到87Rb原子的吸收泡内，破坏光
抽运效果。

另外，铷光谱灯的光谱中，除了含有铷原子发出的光外，还含有起辉气体（一般为惰性气体）发出的光，它对光抽运没有任何帮助，却会增加光电探测器的本底光电流噪声。

鉴于以上2点考虑，人们开始采用单一频率输出的半导体激
光器作为抽运光源，试图弥补谱灯光抽运的缺点，从而提高铷原子频标的指标。

1981年，L. L. Lewis和M. Feldman利用波长为780 nm的激光器在一台商品铷钟上得到了激光抽运铷频标的初步实验指标，稳定度为1.5×10-11/1s[1]。

在随后报道的国际上各个实验组的工作中，激光抽运铷频标的指标不断地提高。

这些工作主要围绕2大方面：一是增大共振信号的信噪比以提高短期稳定度，采取的措施
包括优化物理部分的工作参数[2]，采用圆偏振光抽运增大反转粒子数差[3]，减小
激光的幅度噪声和频率噪声[4-7]等；二是研究如何减小激光引起的光频移效应，
提高铷频标的中长期稳定度[8-9]。

到目前为止，国际上最好的激光抽运铷频标实
验指标是1998年G. Mileti等人在美国国家标准研究院（NIST）用DBR （distributed bragg reflective）型窄线宽半导体激光器达到的接近理论极限值
的短期稳定度指标[6]。

近几年来，有关激光抽运铷频标的报道主要是瑞士和意大
利2个实验小组的工作。

瑞士小组C. Affolderbach和G. Mileti等人致力于小型
化高指标激光抽运铷频标的工作，已经实现了频率稳定度[10]，并且实现了真空下的连续4个月的运行。

意大利小组C. E. Godone和F.Levi等人致力于脉冲激光抽运铷频标的工作，他们目前的频率稳定度已经达到了[11]。

在国内，2002年中国
科学院武汉物理与数学研究所实验小组曾用光栅外腔反射式半导体激光器实现了频率稳定度，与他们当时用铷光谱灯抽运方式的指标持平[12]，最近该小组发布了最新的实验结果，为[13]；中国科学院国家授时中心开展的脉冲激光抽运铷频标工作，也已观测到了Ramsey花样，短期稳定度指标为[14]。

总体来说，国内在激光抽
运铷频标的研究还属于起步阶段。

在本文的工作中，利用一台DFB半导体激光器作为抽运光源，代替铷光谱灯，利
用饱和吸收稳频方法锁定其频率，研制了一套铷频标实验系统，并优化了激光的锁定参数与物理部分的工作温度，进行了短期稳定度指标的测试与分析。

实验装置如图1所示，在结构上可以分成2大模块：激光器模块和钟模块。

激光
器为德国Toptica Photonics公司生产的DFB（distributed feedback）半导体
激光器，其中心波长为780.24 nm，最大输出功率为80 mW，工作电流为114.0 mA，工作温度为25.7 oC，其激射阈值电流为29 mA，通过调节和控制激光器的温度和注入电流，激光的输出波长可在779.07~781.64 nm的范围内变化，激光
的线宽约1 MHz。

激光器模块还包括一套饱和吸收激光稳频装置，钟模块是一台
已经移除铷光谱灯的传统铷原子频标。

DFB半导体激光器输出的780nm准直激光束经半反半透镜后分成两束：透射光束扩束后通过光衰减片进入铷原子吸收泡，作为抽运光源，在适当的光功率下，通过光检测获得微波共振信号，经伺服系统转换成纠偏电压控制压控晶振；反射光束经铷原子饱和吸收系统中的反射镜，形成两束从相反方向射入铷泡的抽运光和检测光，获得饱和吸收谱线，并用于激光稳频。

本实验利用了饱和吸收谱稳频技术，将DFB半导体激光器锁定在87Rb原子（D2，a）线的循环跃迁线（52S1/2，F＝2→52P3/2，F＝3）上。

87Rb原子（D2，a）线的饱和吸收谱，如图2所示，共有6个吸收减弱峰，其中3个峰对应的是87Rb 原子基态（52S1/2，F＝2）能级到激发态52P3/2的3条跃迁线，另3个峰对应的是这3条跃迁线的交叉跃迁模式。

锁频后的DFB激光经光衰减片调节光功率后，进入铷原子吸收泡进行光抽运，处
于基态F＝2能级上的87Rb原子会被全部抽运到激发态（52P3/2，F＝3）上。

由于缓冲气体的作用，激发态的原子与之碰撞将能量转移出去，通过“非共振荧光”自发辐射或无辐射地回到基态F＝1能级上，最后，处于基态F＝2能级上的原子
将被全部抽运到基态F＝1能级上，达到光抽运效果。

此时87Rb原子均匀分布在基态F＝1能级的3个子能级上，设此过程中参与光抽运的87Rb原子数目为N0，则基态F＝1和F＝2能级的两个mF＝0子能级之间的粒子数差为N0 /3。

若采用铷光谱灯抽运，只能采用b光将原子抽运到F＝2能级，最大可以获得的粒子数差为N0 /5，因而，在这点上激光抽运也具有一定优势。

实验上，我们实现了系统的研制和闭环工作，并对DFB半导体激光抽运铷原子频
标的短期稳定度进行了测量。

结果如图3所示，短期稳定度为，图4为10 000 s
测量时间内的原始数据。

本实验结果与激光抽运铷频标短期稳定度的理论极限值比较还有相当的距离，初步实验结果表明：DFB半导体激光器的频率噪声和幅度噪声大大限制了短期稳定度
提高。

实验中对激光器进行稳频时，采用了饱和吸收谱一次微分信号锁频，同时对激光电流源进行了直接调制，这样增加了激光的线宽。

另外，未对激光光强进行稳定，激光光功率波动较大。

这2个因素一方面增大了激光的噪声，另一方面增大
了激光光频移效应。

为了提高频率稳定度，应降低激光噪声和光频移效应。

另外，目前实验测试环境为开放的环境，温度波动和电磁辐射干扰较大，为了获得预期的
性能，应控制实验环境的温度系数和减小外界的电磁辐射干扰。

采用饱和吸收稳频方法，将激光频率锁定在87Rb原子（D2，a）线的循环跃迁线（52S1/2，F＝2→52P3/2，F＝3）上，研制了一套DFB半导体激光抽运铷原子频标实验系统，实现了闭环锁定，测量了该系统的短期稳定度，为，与理论值和国际上最好指标比较，仍有较大差距，我们将继续努力改进和尝试，争取进一步提高稳定度指标。

【相关文献】
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[3] BHASKAR N D. Potential for improving the rubidium frequency standard with a novel optical pumping scheme using diode lasers[J]. IEEE Trans. Ultra. Ferro. and Freq. Contr., 1995, 42(1): 15-20.
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[14] 杜志静, 赵文宇, 刘杰, 等. 脉冲激光抽运铷原子钟研究[C]//第二届中国卫星导航学术年会, 上海: 中国卫星导航学术年会组委会, 2011.。