以原子谱线作参考的半导体激光器的频率锁定
原子干涉激光技术锁定
原子干涉激光技术锁定1引言原子干涉仪可以精确地测量重力加速度和重力梯度[l,2]、牛顿引力常数[:‘一创、地球自转速率和旋转速率卜8一以及精细结构常数[0l,在导航、资源勘探、地震监测、大地测量及环境监控等方面具有重要应用前景〔“〕,川。
原子干涉仪通常采取三对拉曼光脉冲序列(洲2一7T一对2)对原子波包进行相干操作〔‘2],高功率的拉曼光可让更多的原子参与速度敏感型受激拉曼跃迁,有利于实现信噪比高的原子干涉仪条纹。
研制高功率的拉曼激光器对冷原子干涉仪的实验研究具有重要意义。
注入锁定技术是提高激光功率同时保持注入光相下胜的有效方法[l“]。
半导体激光器注入锁定时,需将主激光器的输出光注入到从激光器中,主激光器一般选用窄线宽、单纵模的激光器,从激光器选取功率较大的半导体激光器,当主、从激光器的频率、偏振匹配时,从激光器可被注入锁定,此时从激光器的频率、相位和偏振与主激光器同步,主激光器的输出功率被从激光器有效地放大。
注入锁定技术的实验研究已有大量报道,最早实现注入锁定的是氦氖激光器[l4],后来注入锁定被应用于二氧化碳激光器115,‘“]。
近年来,半导体激光器的应用范围越来越广,其注入锁定技术也有了很大的发展!‘7]。
20XX年北京大学王晓辉等利用半导体激光器速率方程的两模式场模型描述了从激光器的注入锁定理论[l”],20XX年实现了垂直腔面发射半导体激光器的注入锁定[‘”]。
经过高频声光调制器移频后的两个激光场能保持很好的相干性,并避免了注入锁定过程中的模式竞争,频率和相位相对稳定,可作为拉曼光用于原子干涉仪。
高频声光调制器的衍射效率往往较低,调制产生的拉曼光不能满足原子干涉仪对激光功率的需求。
如前所述,注入锁定技术可实现激光功率的放大,因此将声光调制技术与注入锁定技术结合起来是实现高功率拉曼光的新思路。
我们基于声光调制与注入锁定技术,开展了用于冷原子干涉仪的拉曼光注入锁定的实验研究,实现了高功率的拉曼光。
激光稳频技术
所示的饱和吸收谱，分别对应 Fg=4Fe=3,4 和 Fg=3Fe=3,4。在图中发现，不同的共振
频率对应的谱线强度不同，这主要是由于原子在不同的能级之间跃迁时有不同的跃迁几
率造成的结果。同理，扫描 852.3nm 的激光器频率得到如图 3.5 所示 Cs 原子 D2 线饱和
吸收谱，a 图和 b 图分别对应 Fg=4Fe=3,4,5 和 Fg=3Fe=2,3,4 跃迁。在图中不仅包含
mg
me q
Fe ,me
me
Fg
Fe
Fg ,mg
Fe
Fe Fg 1me mg 1
（3-1）
dQme Fe
dt
s Fe ,me 2 (P Q ) Q Fg ,mg q
mg q Fg
me 1
me
Fe ,me
me
Fe
Fg ,mg
Fe
Fg Fg 1,Fg mg me 1
（3-2）
s
s0
45
45
6 s g 3 ( f3 g3 ) g3
45 2
f 3
6
s
28
21
( f3 g3 ) g1 g2
6
g 3
45 2
45
45
45
10 s
g 4
45
2
( f4
g4 ) g4
f 4
10
45
s 2
( f4
g4)
21 45 g 2
24 45 g3
10 45 g 4
15 s g 5 ( f5 g5 ) g5
3-2 .16
.14
.12 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
4.2激光器的稳频
图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图
率比较稳定。 率比较稳定。所以在吸收线中心处形成一 个位置稳定且宽度很窄的凹陷， 个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为 稳频的参考点， 稳频的参考点，可使其频率稳定性和复现 性精度得到很大的提高。 性精度得到很大的提高。
R=
δν
ν
目前, 稳定度已达到 已达到10 复现性在 目前 稳定度已达到10-9～10-13而复现性在10-7～10-12. 实际应用中,要求稳定度和复现性都能在10 以上. 实际应用中 要求稳定度和复现性都能在10-8以上. 要求稳定度 都能在
原子钟概述
第2章原子钟概述2.1原子钟的定义原子钟，是一种利用原子、分子能级差为基准信号来校准晶体振荡器或激光器频率，以使其输出标准频率信号的一种装置。
它利用原子能级跃迁产生的光信号，通过光电转化、信号处理后获得用来修正晶振或激光器频率的负反馈纠偏信号，使其输出稳恒振荡频率，这种输出频率可以用来精确计量时间。
根据采用的原子种类和技术手段的不同，原子钟可以分为很多种。
因为特定原子能级之间的能极差是很稳定的，所以原子钟的准确度很高，可以达到千万年仅差一秒或者更高的水平。
2.2原子钟的发展历程在原子钟出现以前，最准确的计时工具是以晶体振荡器为代表的电子钟表和挂钟为代表的机械力学钟表，它们几乎可以满足人们的如常生活需要，但是在对计时准确度要求较高的科研或生产领域还是不能满足要求。
原子钟的发展，最早可以追溯到1938年，美国哥伦比亚大学的拉比（Rabi）和他的学生发明了分子束磁共振技术。
他们用磁共振技术观察到了原子超精细能级间的跃迁，指出当一束原子通过一个振动的电磁场时，电磁场的振动频率越接近超精细能级间的跃迁频率，原子从电磁场吸收的能量就会越多，从而使更多原子跃迁。
他们由此提出应用反馈回路可以调节电磁场的振动频率，直到所有原子都可以跃迁。
这就是实现原子钟的基本理论基础。
通过使电磁场振动频率与原子精细能级跃迁频率共振，用电磁场的共振频率调节晶体振荡器的频率，就能使晶振频率严格跟随电磁场振动频率，实现频率输出的准确性和稳定性。
再通过相应的控制、调节系统，就能使晶振输出准确、稳恒的振动频率，用这个频率为基准，就可以实现精确时。
1949年，在美国诞生了以氨分子为样品的世界上第一台原子钟，其输出频率为23.8GHz。
与当时最精确的石英钟相比，它已经相当精确了。
但是它由众多器件构成，体型巨大，对于大应用领域来说，实用性不强。
1955年，在英国国家物理实验室建成了第一台铯原子钟。
1960年，拉姆齐(N．Ramsey)等人成功研制出第一台氢原子钟，通常人们把它叫做氢微波激射器（H maser）。
原子陀螺仪用激光稳频技术进展与趋势分析
CJ
CU
吸收光谱稳频法利用同一激光器产生的反向传播的
两束激光通过碱金属气室形成的饱和吸收光谱进行 稳 频 ，利用去掉多普勒背景的饱和吸收光谱和外部调 制稳频电路能够实现每小时几百千赫兹的频率稳定
-4 000 -2 000 0
2 000
v-p〇MHz
图 3 饱和吸收光谱
4 000
控制。
消 多 普 勒 饱 和 吸 收 系 统 原 理 图 如 图 4 所 示 。通
第 42卷 第 6 期 2021 年 6 月
激光杂志
LASER JOURNAL
V o l . 4 2 ，No.6 J u n e ,2021
•综合评述•
原子陀螺仪用激光稳频技术进展与趋势分析
庄铭今K2 ,范晓婷i’2 ,王天顺K2 ,刘院省U
‘ 中国航天科技集团有限公司量子工程研究中心，北 京 100094; 2北京航天控制仪器研究所，北 京 100039
2. 1 工作原理 饱和吸收光谱稳频法的基本光路结构如图1 所
示 ，激光经过分束成为一束较强的泵浦光和一束较弱 的 探 测 光 。两 束 激 光 在 原 子 气 室 中 反 向 交 叉 传 播 ，通 过 光 电 探 测 器 检 测 透 过 气 室 的 探 测 光 信 号 [5]。
碱金厲原子气室
过 三 角 波 发 生 器 向 激 光 控 制 器 注 入 电 流 扫 描 信 号 ，激 光 经 过 分 束 棱 镜 后 进 行 分 束 ，分 成 透 射 光 束 和 反 射 光 束 。透射过分 光 棱 镜 的 激 光 功 率 较 大 ，作为栗浦光; 在 分 光 棱 镜 前 后 表 面 反 射 的 激 光 功 率 相 对 较 小 ，作为 探 测 光 。泵 浦 光 与 其 中 一 路 探 测 光 在 原 子 气 室 中 对 射 产 生 饱 和 吸 收 光 谱 ，经 过 光 电 探 测 器 后 将 光 信 号 转 换成电信号,并且与另外一路参考光做差。将得到的
半导体激光器稳频
实验报告实验名称：半导体激光器稳频指导教师：姓名：专业：学号：一、实验目的1. 了解光栅外腔反馈半导体激光器的内部结构和基本操作；2. 理解影响半导体激光器频率稳定性的因素；3. 熟悉稳频的基本原理、步骤及操作；4. 掌握标定激光器频率起伏的方法。
二、实验仪器Toptica 光栅外腔反馈式半导体激光器、饱和吸收光谱、锁频模块、示波器三、实验原理稳频的基本思想影响半导体激光器频率稳定性的因素包括LD 温度、注入电流、外腔机械结构等。
因此，对半导体激光器采用恒温、恒流、防震、密封等措施后，其频率稳定度可以提高到一个量级，但再进一步提高，将受温度控制极限的限制。
因此必须采用进一步的稳频措施。
激光稳频技术通常是采用电子伺服系统控制激光的频率抖动。
主要原理是：当激光频率偏离标准频率时，由鉴频器给出误差信号，通过伺服系统和压电元件控制激光器的外腔长，使激光频率自动回到标准频率上。
鉴频原理我们将实验七所得的饱和吸收光谱信号输入到锁频模块中，信号被放大后选择高通滤波，滤去直流部分和电源主频对信号的干扰。
然后锁频模块内置的信号源对激光器的频率进行调制，调制频率记为mod f ，调制幅度记为ω∆。
设激光的初始频率为0ω，那么调制后的激光频率为：)2sin()(mod 0t f t ⨯⨯⨯∆+=πωωω进入探测器的饱和吸收谱信号近似为：)2sin()()(mod 00t f S S t S ⨯⨯⨯∆⨯'+=πωω 这样的信号在锁频模块内部被自己的调制信号进行检波 )4cos()()2sin()(21)]2sin()[()2sin()2sin()(mod 0mod 002mod 0mod 0mod t f S t f S S t f S t f S t f t S ⨯⨯⨯∆⨯'-⨯⨯+∆⨯'⨯=⨯⨯⨯∆'+⨯⨯⨯=⨯⨯⨯πωωπωωπωωππ检波后的信号再送入低通滤波器，目的是滤掉所有与时间有关的高频项。
利用薄原子汽室对CPT原子钟激光器的稳频
８４ ９
佳 木 斯 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ）
２１ ０ １年
饱和吸收法的基本原理是： 激光束通过分光板 分成较强的泵浦光束 和较弱 的探测 光束 ，以及参 考光束 ， 前两光束通过反射镜反 向并交叉入射 于 ＇ ． 充有气体的吸收室． 调谐激光频率 ， ∞ ≠ ∞ （ 当 。 原 子吸收中心频率 ） ， 时 由于多普勒效应 ， 两束光分 别被运动速度方向相反的两群原子所吸收． 当 ＝ 时， 两束光同时和速度分量为零 （ 相对激光束方 向 ）的～群原 子相互 作用 ， 子被 强泵 浦 光束激 励 原 达到饱 和状态 ， 即吸 收原子 几乎 全部被 泵浦 光束激 励到 高能态去 ， 探测光 束几 乎没 有被 原子 吸收就通 过了气体吸收室 ， 因此在探测光强度 ， ２ 和频率 ∞的 关系 曲线上 ， ∞ 处 出现 了尖 峰效应 ， 除了多普 在 。 消 勒加 宽的影 响 ， 使尖 峰 的宽 度 变 的十 分 狭 窄 ， 大 大 提高 了激光 的频率稳 定度．
Ｏ 引 言
原子钟在高速数字通信 中起着使通信网络 同 步的重要作用． 随着通信器件便 携性的逐渐提高、 数据传输速率的逐渐增加和对通信安全与抗干扰
能力 日益 苛刻 的要 求 ， 原子 钟在 稳定 性和灵 活性 上
１ 饱 和 吸收 稳 频 的基 本 原 理
饱 和 吸收稳 频法 是最 常用 的 、 稳频精 度也是 比 较高 的一种 方 法 ． 和 吸 收光 谱 技术 最早 是 在 饱 七十年 代 由 Ｔ ．Ｗ．Ｈａｓ 究 组 在研究 碱 金 属原 ｎｈ研 子Ｄ ２线 的 吸收光谱 时 提 出并 实 现 的 Ｊ饱 和吸 收 ， 光谱 可 以得 到 非 常 窄 （ 十 ＭＨｚ 的 吸收 峰 ， 几 ） 因而 可以得到更高的鉴频斜率 ， 从而提高稳频激光器的
基于吸收谱线实现原子钟激光器频率锁定
基于吸收谱线实现原子钟激光器频率锁定张开放'牟仕浩'张璐'闫树斌(1.中北大学仪器与电子学院太原030051; 2.浙江水利水电大学杭州310018)摘要以原子的吸收谱线为参考，采用主动稳频方法实现激光器锁频，现场可编程门阵列（FPGA)芯片 EP4CE10F17C8和外围电路组成伺服控制系统。
实验中，欲将激光器频率锁定在吸收谱线最低点，先对激光进行调制解调得到误差信号，FP G A内部采用增量式P I控制算法，采集误差信号处理后得到反馈量反馈至激光器实现闭环。
实现锁频后，让激光器自由运转，以此时误差佶号为参考，使用Allan方差计算锁频稳定度，计算得锁频稳定度为1.20806X10—10,满足原子钟稳定工作的要求。
关键词吸收谱线；现场可编程门阵列（FPGA);增量式PI控制；锁频稳定度Atomic clock laser frequency lock based on absorption lineZhang Kaifang1; Mou Shihao1; Zhang Lu1; Yan Shubin1,2(1. School of Instrument and Electronics, North University o f China, Taiyuan 030051,China;2. Zhejiang University of Water Resources and Electric power, Hangzhou 310018,China)Abstract Taking the absorption line o f the laser as a reference and adopting the active frequency stabilization method to achieve laser frequency locking, a field programmable gate array (FPGA) chip EP4CE10F17C8 and peripheral circuits constitute a servo control system. In the experiment, in order to lock the laser frequency at the lowest point o f the absorption line, the laser is first modulated and demodulated to obtain the error signal. The incremental PI control algorithm is used inside the FPGA. After collecting the error signal, the feedback amount is fed back to the laser to realize the closed loop. After the frequency lock is implemented, the laser is allowed to run freely. Based on the error signal at this time, the frequency-locked stability is calculated using Allan variance. The frequency-locked stability is calculated to be 1.20806 x 10-10, which meets the requirements for stable operation o f the atomic clock.Key words Absorption line; Field Programmable Gate Array(FPGA); Incremental PI control; Frequency lock stability自19"76年发现相干布局囚禁(coherent population trapping, C P T)现象l1]以来，出现了许多与C P T现象 相关的仪器，其中C P T原子钟是目前最精确的计时 工具。
半导体激光器件中的光电调制与频率锁定研究
半导体激光器件中的光电调制与频率锁定研究激光器件作为现代通信和光电子技术的重要组成部分，在各个领域中发挥着重要的作用。
为了满足不同应用需求，研究人员一直在努力提升激光器件的性能和稳定性。
其中，光电调制和频率锁定是两个研究热点，它们在半导体激光器件中起到了关键的作用。
光电调制是一种通过电场来调控光信号的技术。
通过对半导体激光器件中的载流子进行控制，可以实现对输出光的幅度、相位或频率的调制。
这种调制技术在通信领域中广泛应用，例如光纤通信中的光调制器和激光雷达中的激光调制器等。
在半导体激光器件中，常用的光电调制方法有三种：直接调制法、外差调制法和外场调制法。
直接调制法是最简单的一种方法，它通过改变激光器件内部载流子的浓度，来实现对输出光的调制。
这种方法的优点是简单易实现，但缺点是调制带宽有限，不适用于高频率调制。
外差调制法是利用光的干涉效应来实现调制的一种方法。
在这种方法中，激光器件发出两个频率相同、相位差固定的光信号，一个作为信号光，另一个作为参考光。
通过改变信号光和参考光之间的相位差，可以实现对输出光的调制。
这种方法的优点是调制带宽高，适用于高频率调制，但需要复杂的光学系统支持。
外场调制法是最常用的一种方法，它通过外加电场来实现对输出光的调制。
在这种方法中，激光器件的结构中引入了外部电极，在施加电场的作用下改变激光器件内部的折射率，从而实现对输出光的调制。
这种方法的优点是调制带宽较大，并且适用于高频率调制。
它在通信领域中得到了广泛应用。
频率锁定是另一个重要的研究课题，它通过控制激光器件的输出频率，使其与其他光源或器件同步。
频率锁定的应用非常广泛，例如在光纤通信中，频率锁定可以实现光信号的稳定发送和接收；在光谱分析领域，频率锁定可以实现高分辨率的频谱测量；在光学钟和激光雷达等领域，频率锁定也具有重要的作用。
实现频率锁定有多种方法，常用的方法包括光学反馈环路、频率鉴相器、锁相放大器等。
光学反馈环路是一种基于光学干涉效应的频率锁定方法，它通过将一部分激光输出光反射回激光器件内部，通过外界对激光器件的调节，使其输出频率与反射光的频率同步。
半导体激光器件中的亚纳秒脉冲与基频锁定研究
半导体激光器件中的亚纳秒脉冲与基频锁定研究近年来，随着半导体激光器件的快速发展，亚纳秒脉冲与基频锁定成为了一个热门的研究领域。
半导体激光器件以其小巧、高效、可调谐等特点，在光通信、材料加工、医疗诊断等多个领域得到了广泛应用。
而亚纳秒脉冲与基频锁定技术则为这些应用提供了更高效、更精确的解决方案。
本文将从亚纳秒脉冲与基频锁定的定义、原理、研究进展等方面进行探讨。
首先，我们需要了解什么是亚纳秒脉冲与基频锁定。
亚纳秒脉冲是指脉冲宽度在纳秒级别以下的脉冲，这种脉冲具有强烈的光脉冲能量，可用于高速数据传输、高分辨率成像等应用中。
而基频锁定是指将激光器的输出频率锁定在其基频处，即频率精确、稳定的同步输出。
在半导体激光器件中，亚纳秒脉冲与基频锁定的研究主要涉及到以下几个方面。
首先是亚纳秒脉冲的产生与调控。
研究人员通常通过调节驱动电流、温度等参数来实现亚纳秒脉冲的产生。
此外，还可以利用外加光束和光栅等技术来实现亚纳秒脉冲的调制与控制。
通过这些手段，可以获得所需波长、脉冲宽度、能量等特性的亚纳秒脉冲。
其次是基频锁定技术的研究与应用。
在基频锁定中，研究人员通常采用频率锁定回路或频率自锁原理来实现激光器输出频率的锁定。
这样可以大大提高激光器的频率稳定性，适用于需要高精度频率的应用场景。
基频锁定技术在光通信、光谱分析等领域中有重要的应用，能够提供更稳定、可靠的激光输出。
此外，亚纳秒脉冲与基频锁定的联合研究也是当前的热点领域。
通过将亚纳秒脉冲和基频锁定相结合，可以使激光器的输出更加稳定、精确，具有更高的时间分辨率和频率稳定性。
这对于一些对频率稳定性和时间分辨率要求较高的应用非常重要，如超快光学、超快光电子学等领域。
目前，亚纳秒脉冲与基频锁定的研究已经取得了一些重要的进展。
例如，研究人员通过优化材料结构和器件设计，成功地实现了高能量、短脉冲宽度的亚纳秒脉冲激光器。
同时，基于锁定回路和自锁原理的基频锁定技术在实验室中得到了广泛应用。
半导体激光器件中的橡皮筋效应与频率限制研究
半导体激光器件中的橡皮筋效应与频率限制研究引言：随着现代科技的不断发展，半导体激光器件在信息传输、医学诊断和激光加工等领域中扮演着重要角色。
为了提高半导体激光器件的性能，研究人员对其进行了大量的研究。
本文将重点讨论半导体激光器件中的橡皮筋效应和频率限制，并探讨了解决这些问题的方法。
一、半导体激光器件中的橡皮筋效应橡皮筋效应是指当半导体激光器件受到外界干扰时，其输出功率会产生非线性变化的现象。
这种效应的产生主要是因为半导体激光器件的工作状态对外界环境的敏感性较高。
橡皮筋效应造成的影响：1. 输出功率抖动：橡皮筋效应会导致半导体激光器件的输出功率在一定时间内不稳定，引起输出功率的抖动。
2. 波长漂移：橡皮筋效应可能引起半导体激光器件输出光的波长发生偏移，从而影响其光谱特性。
3. 频率副峰：在某些情况下，橡皮筋效应还会在激光器的输出光谱中产生频率副峰，干扰激光器的主要输出频率。
二、频率限制频率限制是指半导体激光器件在工作时存在的输出频率受限制的问题。
这主要源于半导体材料的性质以及激光器件的结构。
频率限制的原因：1. 绝热效应：半导体激光器件中的电热耦合的绝热效应会导致激光的频率受到限制。
当激励电流的变化引起温度分布变化时，激光器件的频率也会发生变化。
2. 论证效应：半导体材料的能带结构和材料的掺杂浓度会对激光的频率产生影响。
具体而言，半导体激光器件的频率受到其能带结构和材料掺杂浓度的限制。
三、解决方法为了克服半导体激光器件中的橡皮筋效应和频率限制，研究人员提出了一些解决方法。
解决橡皮筋效应的方法：1. 温度控制：通过控制半导体激光器件的工作温度，可以减少激光器件受到外界干扰的影响，从而减小橡皮筋效应的产生。
2. 抑制噪声：采用适当的噪声抑制技术，可以减少激光器件输出功率的抖动，从而降低橡皮筋效应的影响。
3. 优化结构：改进激光器件的结构设计，以提高其稳定性和抗扰动能力，从而减小橡皮筋效应的发生。
解决频率限制的方法：1. 发展新材料：研究人员可以寻找具有更合适能带结构的新材料，以改善激光器件的频率特性。
利用原子的塞曼光谱对半导体激光器进行稳频
利用原子的塞曼光谱对半导体激光器进行稳频江开军;王谨;李可;何明;涂鲜花;詹明生【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2004(024)006【摘要】中性原子的超精细能级在磁场中产生塞曼分裂,另外,左旋和右旋圆偏振光激发下原子的跃迁选择定则不同,因此,原子在超精细塞曼能级间的吸收谱峰相对无磁场条件下的吸收谱峰有一定的移动.利用这一点,验证了一种简单、灵活的方法对半导体激光器进行稳频,使激光器的线宽稳到小于1 MHz.通过对实验结果的分析,发现由左旋和右旋圆偏振光激发引起的原子吸收谱峰移动之和与饱和吸收峰半高宽相等时,稳频效果最好.【总页数】4页(P659-662)【作者】江开军;王谨;李可;何明;涂鲜花;詹明生【作者单位】中国科学院武汉物理与数学研究所,波谱与原子分子国家重点实验室,湖北,武汉,430071;中国科学院武汉物理与数学研究所,波谱与原子分子国家重点实验室,湖北,武汉,430071;中国科学院武汉物理与数学研究所,波谱与原子分子国家重点实验室,湖北,武汉,430071;中国科学院武汉物理与数学研究所,波谱与原子分子国家重点实验室,湖北,武汉,430071;中国科学院武汉物理与数学研究所,波谱与原子分子国家重点实验室,湖北,武汉,430071;中国科学院武汉物理与数学研究所,波谱与原子分子国家重点实验室,湖北,武汉,430071【正文语种】中文【中图分类】O562【相关文献】1.Rb原子塞曼调制稳频半导体激光器的实验研究 [J], 孙黎;李慧琴;胡勇2.铷原子饱和吸收光谱与偏振光谱对780nm半导体激光器稳频的比较 [J], 王杰;高静;杨保东;张天才;王军民3.利用微机控制的横向塞曼稳频激光器 [J], 张健4.半导体激光器塞曼调制稳频的实验对比研究 [J], 马修泉;陈文兰;陈帅;刘新元;陈徐宗5.铷原子双共振激发态光抽运光谱及其在1．5μm半导体激光器稳频中的应用 [J], 高静;王杰;杨保东;张天才;王军民因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
用于原子干涉仪的激光相位锁定及频率切换方法
用于原子干涉仪的激光相位锁定及频率切换方法
孔德龙;陈玮婷;裴栋梁;王杰英;李奕泽;张子山
【期刊名称】《中国惯性技术学报》
【年(卷),期】2024(32)4
【摘要】针对光锁相环参考频率在大范围跳变时,待锁激光器因频率响应速度不足引起的锁相失效的问题,在已有光锁相环基础上,提出了一种基于电压补偿的激光相位锁定及频率切换方法。
首先基于光锁相环的环路特性构建了参考频率切换模型,分析了锁相拉曼光对原子干涉仪相位影响的评价方法;之后通过构建激光频率变化和压电陶瓷电压的对应关系,获取电压-频率的转换标度;最后根据实际的原子干涉仪激光频率需求,完成切换频率和补偿电压的匹配时序设计。
实验结果表明当参考频率在300 MHz范围内切换时,锁相环路在0.2 ms内即可实现稳定,并在原子干涉仪上实现了干涉时间间隔为60 ms的干涉验证。
所提方法为提升原子干涉仪激光系统的集成化、可靠性等提供了一种思路,有助于推动原子干涉仪的工程化研究。
【总页数】5页(P394-398)
【作者】孔德龙;陈玮婷;裴栋梁;王杰英;李奕泽;张子山
【作者单位】天津航海仪器研究所;天津市量子精密测量技术重点实验室;中国船舶航海保障技术实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN249
【相关文献】
1.应用于氢原子频率标准的相位锁定环路
2.原子干涉仪中激光频率和光强控制系统的设计
3.光学相位锁定激光在原子玻色-爱因斯坦凝聚中实现拉曼耦合∗
4.原子干涉仪中拉曼激光的相位-频率双调制稳频
5.用于冷原子干涉仪的拉曼激光的注入锁定
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锁频激光器原理
锁频激光器原理
锁频激光器是一种新型的激光源，它能够有效地控制激光器发出的光谱。
它的原理是将激光器的频率锁定到一个特定的值，使激光输出的光谱可以持续稳定，从而实现高精度的测量和控制。
锁频激光器的原理是利用光学反馈控制激光器的输出，使激光器发出的光谱呈现出固定的频率。
其原理是通过在激光器输出光束中添加一个反馈光束，使激光器的输出光束受到反馈光束的影响，而反馈光束的频率是一定的，激光器的输出光束的频率也就固定了。
锁频激光器的操作方法如下：将一个激光器放在外部光源的光谱中，使激光器发出的光谱和外部光源的光谱重叠，这样激光器发出的光谱就会出现突变；接下来，将一个反馈光束添加到激光器输出光束中，使激光器的输出光束受到反馈光束的影响，使激光器的输出光束的频率也受到限制，最终实现锁频激光器的目的。
锁频激光器的优点是其输出的光谱可以持续稳定，能够实现高精度的测量和控制；其缺点是反馈光束的功率需要较高，从而增加了激光器的功耗。
锁频激光器的应用主要是用于测量和控制，例如在光谱仪、光谱分析仪和光学定位仪等仪器中，可以使用锁频激光器进行高精度的测量和控制。
总之，锁频激光器是一种新型的激光源，它可以有效地控制激光器发出的光谱，使激光器发出的光谱持续稳定，从而实现高精度的测量和控制，是一种非常有用的激光源。
锁频激光器原理
锁频激光器原理
锁频激光器是一种高精度的激光器，它的原理是通过锁定激光器的频率，使其保持稳定的输出。
这种激光器在科学研究、工业制造和医疗领域都有广泛的应用。
锁频激光器的原理是利用反馈控制技术，将激光器的输出频率与参考频率进行比较，然后通过反馈控制来调整激光器的输出频率，使其与参考频率保持一致。
这种技术可以使激光器的频率稳定性达到非常高的水平，通常可以达到10^-9或更高的精度。
锁频激光器的应用非常广泛。
在科学研究领域，锁频激光器可以用于精密测量、光谱分析、原子物理实验等方面。
在工业制造领域，锁频激光器可以用于制造高精度的光学元件、半导体器件等。
在医疗领域，锁频激光器可以用于激光手术、皮肤治疗等方面。
锁频激光器的优点是频率稳定性高、精度高、可靠性好。
但是，锁频激光器的制造和调试难度较大，成本也较高。
此外，锁频激光器对环境的要求较高，需要在恒温、恒湿、无振动的环境下使用。
锁频激光器是一种非常重要的激光器技术，它在科学研究、工业制造和医疗领域都有广泛的应用。
随着技术的不断发展，锁频激光器的应用前景将会更加广阔。
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以原子谱线作参考的半导体激光器的频率锁定3满文庆33 杨世琪 钟旭滨 孙番典(华南师范大学物理系,广州,510631)摘要:研究以原子谱线作参考的半导体激光器的频率锁定系统,在精密控制半导体激光器的工作温度和工作电流的基础上,利用85Rb 的D 2线的一次微分信号对LD 的频率进行锁定。
锁定后LD 的频率最大变化为10MHz/3h ,平均取样时间10s ,用Allan 方差估算LD 频率稳定度为10-9。
关键词:半导体激光器 锁频 稳定度Frequency of LD locked to the atomic spectrum lineM an Wenqi ng ,Y ang S hiqi ,Zhong X ubi n ,S un Fandian(Department of Physics ,S outh China Nornal University ,Guangzhou ,510631)Abstract :This psper described a laser diode frequence stabilization system composed of a precisely temperature control system and a operating current control system of the laser ing the first defferential signal of the resonance line ,the operating frequence of the laser diode can be locked to D 2line of 85 Rb.The measurement results show that the frequence stability evaluated by Allan variance is 10-9order for 10seconds sampling time.K ey w ords :semiconductor laser frequency 2locking stability 引 言从1962年第一台半导体激光器(LD )诞生以来,半导体激光器有了很大的发展,由于具有频率可调谐,能快速调制,易工作在单模以及体积小,价格便宜,可在室温工作等优点,半导体激光器广泛地应用在光纤通信,数据存储,高分辨率光谱学,等离子体的诊断以及激光测量,激光定位等许多领域。
近年来,对LD 的研究及应用方面都有了很大的发展,高稳定度的LD 广泛地使用在光纤通信频分复用系统中;利用微波调制的LD 已直接观察到铷原子基态超精细能级间的相干共振[1];利用脉冲调制的LD 可观察到塞曼能级的相干共振,高稳定度的LD 还可作为全光学化的原子频标用的激光源[2]。
但是,许多很重要的应用都要求半导体激光器的频率比较稳定。
比如在光纤通信的频分复用技术中[3],频率漂移会引起“串扰”(Crosstalk )和增加系统的误码率。
另外,在激光准直系统中,频率漂移将会带来大的误差。
在光信息处理方面,也要求LD 的频率比较稳定,所以LD 的稳频是一个很有意义且很有应用价值的课题,国内外都开展了这方面的研究[4～6]。
可以通过控制工作温度和注入电流的稳定性来实现LD 一定程度的频率稳定。
但要获得更高的稳定度,则要在此基础上,进一步采用LD 的锁定稳频技术[8],即采用一个外部参考(基准)频率,使激光器的频率锁定在这个基准频率上。
比较有趣的是,几乎所有的半导体激光器都能找到一个合适的原子或者分子的吸收谱线作为参考频率来实现锁频。
3广东省高教厅科研基金资助。
33现在广州师范学院物理系任教。
第22卷 第1期1998年2月激 光 技 术LASER TECHNOLO GY Vol.22,No.1February ,1998Fig.1 Block diagram of the LD frequency locked to the rubidium resonanceabsorpt spectral line一、原 理 简 述图1是整个锁频的原理图。
如图所示,LD 的工作温度和注入电流经精密控制后,再使其注入电流有一个小的调幅,从而LD 的频率有一个小的调频,用锁相放大器的输出信号(即吸收谱线的一次微分信号)作为负反馈信号,经过电子自动调节器加到LD 电流驱动电路上,控制注入电流的大小,从而实 Fig.2 Atomic energy level dia 2gram of the rubidium 现把LD 的频率锁定到了吸收谱线上。
假设由于LD 的工作温度和电流的微小变化引起LD 的频率偏离吸收谱线中心,吸收谱线的一次微分信号将会增大或减小,此信号作为负反馈信号去控制LD 的电流,使得LD 的频率拉回吸收谱线中心,即把LD的频率锁定到了吸收谱线上,从而实现LD 的高稳定度的频率稳定。
铷原子有两种同位素,分别为85Rb 和87Rb ,天然的铷中, 85 Rb 的丰度是7212%,87Rb 的丰度为2718%。
在本实验中,就是用这种天然的铷吸收泡。
85Rb ,87Rb 原子第一激发态与基态之间的跃迁所对应的光谱包括两个精细结构成分D 1和D 2线,其中每一条线又分裂为两条超精细结构能级A 和B ,见图2。
在实验中,铷吸收泡的温度恒定在50℃左右。
用铷原子的吸收谱线作为参考频率来锁定LD 的频率。
如果铷吸收泡中充以不同气压的缓冲气体,则吸收线的频率将会有变化,则可得到可调谐的、高稳定度的半导体激光器。
二、实 验 及 结 果11温度和电流的稳定度文献[7]介绍,半导体激光器的频率随温度和电流的变化关系分别是60GHz/℃,6GHz/mA 。
85Rb 原子的共振吸收谱线线宽约为600MHz 。
因此,为了将LD 的频率锁定到85Rb 原子的共振吸收谱线上,必须把电流稳定到μA 数量级,温度稳定到m K 数量级。
我们使用三菱公司生产的ML4102,设计了功率自动控制电路(APC )来实现LD 的恒流。
为了提高LD 工作温度的长期稳定性,我们采用二级自动控温电路(A TC ),一级控温是指LD 工作温度,二级控温是指LD 工作温度的外层温度。
一级温度变化5m K ,二级温度变化50m K 。
其中第一级控温精度较高。
我们采用相敏检波技术(PSD )来探测温度变化,同时在电路中加了电子自动控制器(PID )。
LD 工作温度的短期稳定度为1m K/10min ;LD 工作温度的长期稳定度为5m K/3h 。
LD 可工作在与室温相差±20℃(MAX )的温度范围内,在与室温相差±15℃内的任意温度点都可稳定的工作,即使在室温附近也可稳定的工作。
在参考文献[7]的基础上,我们设计精密控制半导体激光器的工作电流的电路,该电路可安全的工作,不用减小LD 的工作电流就可开关机,可以把LD 的工作电流控制在1μA/10min ,2μA/4h 。
LD 工作电流的短期稳定度为1μA/10min ;LD 工作电流的长期稳定度为±1μA/3h 。
21LD 的频率锁定我们使用的LD 的标称值:24℃时,I th =41mA ,I op =51mA ,波长779nm ,功率3mW 。
控制9第22卷 第1期满文庆 以原子谱线作参考的半导体激光器的频率锁定 Fig.3 The absorpt spectrum of the rubidium D 2line and its first differential signal LD 工作温度在28℃,工作电流在51mA 时,对LD进行扫频,当LD 的频率扫过Rb 原子85Rb ,87Rb 的四个跃迁频率时,示波器上相应有四个微小的吸收峰。
恒定LD 的温度,并使用差分电路消去扫描电流引起的倾斜的功率背景,同时改用三角波电压慢扫描(周期为20s ),用记录仪即可记录四条谱线。
对LD 的频率有一个小的调频,经过调制的共振吸收谱线信号放大后加到锁相放大器上,并用相同频率的信号作为锁相放大器的参考信号,这时锁相放 Fig.4 The recorded trace showing the fre 2quence stability of LD 大器的输出信号即是吸收谱线的一次微分信号。
87B ,85B 两线基本上重合在一起,不适合用来锁定LD 的频率,根据文献[8],87A 线的温度频移是-10118kHz/℃,比其他三条线大得多,不宜用来锁频,所以我们就将LD 的频率锁定在85A 上。
根据图1接好电路,即可进行LD 的频率锁定。
锁定前后的频率偏移如图4。
利用鉴频曲线,可估算LD 频率稳定度,平均取样时间10s ,用Allan 方差估算LD 频率稳定度,可计算得Allan 方差为10-9,直接观察锁相放大器的数字表的输出,系统可锁定长达三个多小时。
三个多小时后,温度会有变化,或者其他因素,系统会失锁,用电流微调可使系统重新锁定。
在我们的系统中,鉴频效率S 等于10V/300MHz ,开环频差F k 为300MHz ,闭环频差F b 约为50MHz ,控制频差F c 约为250MHz 。
三、结 论我们成功地研制出一套以85Rb 的D 2线作参考的半导体激光器频率锁定系统。
实测表明,半导体激光器的工作温度10min 内稳定到1m K ,4h 内5m K ,分别相当于LD 的频率变化60MHz ,300MHz ;电流稳定到1μA 达10min ,2μA 达2h ,分别相当于激光器的频率变化3MHz ,6MHz 。
锁定之前,半导体激光器的频率变化为300MHz/h ,锁定后LD 的频率最大变化为10MHz/3h ,用Allan 方差估计频率稳定度为10-9。
参考文献1 杨世琪1光学学报,1994;14(10):1114～11162 杨世琪1光学学报,1992;12(11):992～9973 王力列,易玺林,谢麟振1中国激光,1991;18(11):811～8154 Yang D H ,Wang Y Q.Opt Commun ,1990;80(1):23～255 王风芝,杨东海,王义遒1计量学报,1994;15(2):155～1576 Villeneuve B.Electro Lett ,1993;23(20):10～137 王义遒,王庆吉1量子频标原理1北京:科学出版社,1986:160～164 333 作者简介:满文庆,男,1971年8月出生。
硕士,助教。
现主要从事光电子技术研究和教学工作。
收稿日期:1996211212 收到修改稿日期:199621122701 激 光 技 术1998年2月。