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(shí)頻技術(shù)及相關(guān)研究現(xiàn)在，廣泛使用的時(shí)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(jí)。近年來,發(fā)展迅速的基于光學(xué)頻率原子躍遷線的光鐘,包括單離子光鐘與光晶格鐘,其準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度都優(yōu)于銫噴泉鐘,目前報(bào)道的光鐘最好的準(zhǔn)確度為10-18量級(jí)。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(shí)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(shí)間頻率傳遞技術(shù)已引起廣泛重視,特別是在遠(yuǎn)程光鐘高精度頻率比對中,起著無可替代的作用。目前,已實(shí)驗(yàn)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(dá)~10-15的窄線寬激光器均具有重要的應(yīng)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(hào)的相位噪聲。利用低溫藍(lán)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(fù)雜,維護(hù)困難。而利用窄線寬光纖激光器結(jié)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(hào),該方法已經(jīng)得到驗(yàn)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(jìn)行周期性校準(zhǔn),可以實(shí)現(xiàn)極高的準(zhǔn)確度。同時(shí),在原子探測周期間提供振蕩信號(hào)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(hào)傳遞過程中的附加噪聲,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光載波頻率的高精度傳遞。中國科學(xué)院國家授時(shí)中心承擔(dān)著我國的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的產(chǎn)生、保持和發(fā)播任務(wù)。以國家戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向,圍繞國防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對時(shí)頻領(lǐng)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(shí)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(jìn)展。1激光頻率鎖定實(shí)驗(yàn)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(jí),因此,為了實(shí)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(shí)驗(yàn)方案是:采用精細(xì)度~103的初穩(wěn)腔和精細(xì)度~105的高穩(wěn)腔對激光進(jìn)行兩級(jí)穩(wěn)頻。第一級(jí)穩(wěn)頻使用初穩(wěn)腔作為頻率參考源,預(yù)期實(shí)現(xiàn)激光線寬kHz量級(jí);第二級(jí)穩(wěn)頻采用高穩(wěn)腔作為頻率參考源,預(yù)期實(shí)現(xiàn)激光器線寬~Hz量級(jí)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。一臺(tái)外腔光柵反饋半導(dǎo)體激光器作為光源,其中心波長為698nm,自由運(yùn)轉(zhuǎn)線寬約1MHz,功率為30mW,該光束經(jīng)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)中采用了傳統(tǒng)的PDH(pounddreverhall)穩(wěn)頻技術(shù),利用電光調(diào)制器EOM對光場進(jìn)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(gè)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(dǎo)入?yún)⒖记?參考腔反射光原路返回,并經(jīng)由偏振分束器導(dǎo)出。利用快速低噪聲光電探測器探測該光場,將該信號(hào)解調(diào)并經(jīng)低通濾波就得到鑒頻信號(hào)。將該信號(hào)輸入比例積分放大PI電路后,通過對激光器驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)激光頻率的反饋控制,由此實(shí)現(xiàn)激光頻率鎖定。初穩(wěn)腔體由殷鋼構(gòu)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(xì)度實(shí)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(shí)間測得光子壽命tlifetime=60μs,如圖2所示。因此,高穩(wěn)腔的精細(xì)度F=2uf070tlifetimeFSR~560000,腔線寬(半高全寬)(35)uf075=1/2tlifetime=2.6kHz。在頻率鎖定時(shí),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(shí)驗(yàn)中需要盡量減小環(huán)境對參考腔的影響。通常,導(dǎo)致參考腔腔長變化的主要因素有機(jī)械震動(dòng)、溫度、空氣壓強(qiáng)、聲學(xué)振動(dòng)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(xué)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(tái)上以減小地面機(jī)械振動(dòng)。2初穩(wěn)腔溫度漂移的控制實(shí)驗(yàn)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(hào)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(shí)初穩(wěn)腔的透射光信號(hào),4條透射峰對應(yīng)著2個(gè)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(hào)。圖3(c)為激光器自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的鑒頻信號(hào)。圖3(d)為激光頻率鎖定后的誤差信號(hào)。利用鑒頻信號(hào)可以計(jì)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(hào),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(shí)現(xiàn),但AOM的工作帶寬約10MHz,無法滿足大頻移的工作要求?？紤]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(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為激光頻率掃描時(shí)高穩(wěn)腔的透射光信號(hào),圖4(b)為對應(yīng)的高穩(wěn)腔鑒頻信號(hào)。與初穩(wěn)腔相比,高穩(wěn)腔的透射信號(hào)不穩(wěn)定且信噪比較差。這說明激光器自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),其頻率噪聲寬度遠(yuǎn)大于高穩(wěn)腔線寬,同時(shí)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(hào)。可以看到,鎖定后的透射光信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于掃描時(shí)的透射信號(hào)。這是由于未鎖頻時(shí)的激光頻率噪聲較大,在相對較短的時(shí)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(hào)。利用鑒頻信號(hào),我們計(jì)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(jié)果可以看出,高穩(wěn)腔的透射光信號(hào)有較大的慢速起伏,據(jù)我們分析,可能是光路中空氣流動(dòng)導(dǎo)致的頻率鎖定點(diǎn)漂移。此外,鎖頻后激光頻率的短期起伏問題還有待改進(jìn),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(xì)度、細(xì)度及誤差本文介紹了中國科學(xué)院國家授時(shí)中心開展的基于698nm半導(dǎo)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(shí)驗(yàn)測量了高穩(wěn)腔光場壽命,可知高穩(wěn)腔的精細(xì)度約為560000。對應(yīng)于10cm腔長,腔線寬為2.6kHz。實(shí)驗(yàn)中采用PDH穩(wěn)頻技術(shù)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