铷87原子双光子跃迁光谱稳频特性研究

铷87的双光子光谱具有高信噪比、无多普勒展宽、窄线宽等特点。构建了基于⁸⁷Rb原子双光子跃迁的光学频率参考，分析测试了影响其短期稳定度的因素。利用778 nm外腔半导体激光器激发双光子跃迁产生420 nm荧光信号，通过荧光信号锁定激光器频率。探讨了谱线线宽、信噪比、功率、温度相关的谱线展宽、光频移、系统结构稳定性和调制宽度等对频移和稳定度的影响。采用螺栓锁紧结构固定光学元件，大幅改善了光学对准引起的稳频误差，通过直接调制激光器电流实现了秒级稳定度为1.5×10^-12、500 s稳定度为2.88×10^-13的光学频率参考。与其他基于饱和吸收的光学频率参考相比，构建的基于⁸⁷Rb原子双光子跃迁的光学频率参考的稳定度提高了10～100倍。光学对准对于提高荧光探测信噪比和优化长期稳定度具有重要意义。验证了内调制实现双光子光学频率参考的可行性，并提出了进一步优化短期稳定度和长期稳定度可采用的技术方案。     

633nm内腔式He-Ne激光器热-频率特性研究

研究了在-20～40℃环境温度下633nm内腔式He-Ne激光管的自由运转特性,设计了激光器系统的预热和稳频控制方案,实现了633nm内腔式He-Ne激光器的频率稳定。当室温约为24℃时,锁定后的热稳频激光器与高精度碘稳定激光器的拍频结果显示,3h内频率的相对标准不确定度为u=6.4×10^-9,阿伦方差为7.0×10^-11（采样时间τ=1s）,3个月内的频率复现性优于4.6×10^-9。研究了在-20～40℃范围内不同环境温度下锁定后输出激光的频率漂移规律,实验结果显示,稳频后激光输出频率随环境温度的漂移量约为293kHz/℃,与采用压力估算模型计算得到的漂移值268kHz/℃相一致。因此,当激光器工作在一个较大的温度范围内时,可以通过插值校准来获得更准确的参考输出频率。     

基于纵模拍频控制的激光稳频技术

介绍了一种新的双纵模激光稳频技术:基于激光频率与纵模频率间隔的对应关系,通过精密锁相控制技术将两相邻纵模的拍频频率锁定在射频频率标准上,以控制激光谐振腔腔长,实现锁定激光频率的目的.理论分析表明,激光频率稳定度与两相邻纵模拍频频率的稳定度相同;实验上以射频频率标准为参考,精密锁定了He-Ne激光两相邻纵模的拍频频率及激光频率,且对采用该技术稳频的两套He-Ne激光系统进行了比对.实验结果表明,激光频率的稳定度为5×10-10(1 s积分时间),5×10-11(100 s积分时间).     

用于激光原子囚禁的二极管激光器的稳频和移频

用饱和吸收光谱法对二极管激光器进行了稳频,使得激光器的等效线宽小于1～MHz,并利用声光调制器使激光的频移量得到控制,能满足激光冷却与囚禁原子对激光频率稳定性和频移量的要求,实现了Rb原子的激光囚禁。     

一种基于控制点偏移修正的纵向塞曼稳频方法与系统

针对目前普遍采用的功率平衡法实现热稳频的纵向塞曼激光器存在的稳频控制点偏移问题,建立了左右旋圆偏振光光功率差调谐曲线零点与稳频控制点之间频率偏移量的数学模型,提出了稳频控制点偏移的修正方法。该方法通过对左右旋圆偏振光的精确偏振分光和对称功率检测来抑制稳频控制点偏移的随机扰动分量,同时补偿其相对稳定偏置分量,可有效降低稳频控制点偏移引起的激光频率漂移。实验表明,基于稳频点偏移修正方法构建的纵向塞曼热稳频系统,在2h40min内输出光频率相对变化小于4×10-9,阿伦方差频率稳定度为1.9×10-10(采样时间1000s),在24h的重复实验中系统输出光中心频率漂移小于1.3×10-9。故该方法可有效抑制激光器稳频控制点漂移,提高激光频率稳定度。     

LD相对于铯原子超精细跃迁线的偏频锁定

对于单纵模半导体激光器（ＬＤ）,应用往返两次通过一个声光频移系统的方法,结合铯原子饱和吸收稳频技术,实现了激光频率相对于铯原子Ｄ２线６２Ｓ１／２（Ｆ＝４）→６２Ｐ３／２（Ｆ′＝５）超精细跃迁的偏频锁定。其特点是可通过调谐声光频移系统的工作频率方便地改变偏频量,而不需要对光路进行再调整     

基于铷原子调制转移光谱技术的1560nm光纤激光器频率锁定研究

1560 nm窄线宽激光器作为光学C波段的重要波长成分,在光纤传感和激光雷达等领域有着广泛的应用,实现该波段的激光稳频对光谱学和精密测量具有重要意义。本文采用1560 nm窄线宽光纤激光器作为种子光源,倍频至780 nm波段后,利用调制转移光谱（MTS）将倍频光锁定在铷原子(⁸⁵Rb)D2线的3-4交叉峰上;并研究探测光和泵浦光功率比、调制解调信号的频率和幅值来优化MTS信号,最终同时实现1560 nm光纤激光器的频率锁定及780 nm的稳频输出。激光器稳频后与低噪声精密锁定的光学频率梳进行拍频,通过频率计测量拍频信号并进行Allan方差分析,积分时间为10 s时,相对频率稳定度为1.4×10^-11。     

光学锁相环的研究进展

光学锁相环（OPLL）根据其锁定的两束激光间是否存在频差可分为零差光学锁相环和外差光学锁相环。主要介绍了外差光学锁相环的研究进展,它是一种通过鉴频鉴相方式使激光间的频率差保持相对稳定的偏频锁定方法。相较于其他激光偏频锁定方法,光学锁相环具有结构简单、伺服频率带宽大、频率偏置范围宽、锁定准确度高等优势,在原子相干、冷原子系统、相干功率合成以及外差干涉测量等领域都得到了越来越广泛的应用。首先介绍了激光偏频锁定的主要方法及光学锁相环的特点;其次介绍了光学锁相环的基本模型,分析了光学锁相环的误差反馈过程,并按照光学锁相环实现方法的不同详细介绍了其采用的关键技术和研究进展,对近年来光学锁相环在不同领域的应用进展做了简要介绍;最后对该方法的发展路线进行了总结和展望。     

偏频锁定法稳定塞曼氦氖激光频率

研制成一种互锁的无调制的塞曼He-Ne激光稳频器。稳频中心调谐在左右旋光差频曲线的最大斜率点上,以获得有较大的激光输出功率,环路能给出快速锁定,秒级频率稳定度优于2×10~(-10)。     

He-Ne双折射塞曼双频激光器的等光强稳频研究

在精密测量领域,He-Ne 激光器是制造激光干涉仪的首选光源,因波长作为测量的尺子,激光器的频率稳定性至关重要。介绍了双频激光器的稳频技术原理,利用调谐腔中平行光和垂直光的等光强点作为稳频点,以光强平衡为依据设计热伺服控制电路,采用数字和模拟电路共同控制,实现了He-Ne双折射塞曼双频激光器的频率稳定。对大频差(7.95 MHz)的双频激光器进行拍频测试,单次频率稳定度达10-9量级,重复多次多日测量,频率不确定度达1.07410-8(k=2)。同时对频差稳定度进行测试,频差波动范围在8 kHz以内,相对偏差度为0.001,完全达到商用双频干涉仪的标准。     

应用于积分球冷原子钟的窄线宽激光稳频系统

通过调制转移光谱稳频的方式，将外腔半导体激光器频率锁定于⁸⁷Rb原子D₂线超精细跃迁5²S_1/2,F=2→5²P_3/2,F=3，使激光器线宽由自由运转的382.18 k Hz压窄至稳频后的37.94 k Hz。稳频后的窄线宽激光用于积分球冷原子钟的探测光，可以将激光频率噪声对原子钟短期稳定度的影响降低至5.6×10^-14τ^-1/2。     

一种光学时标的研制

首次描述了一个用稳频的He-Νe激光器的光学振荡周期做为时标的时间标准。我们获得了超高频波段的具有极高频率稳定度的振荡，超高频振荡被锁定于由甲烷吸收共振稳定的He-Ne激光上，后者的振荡频率为3.39微米。直接比较了铷频标和He-Ne/CH4激光器的频率稳定度。对Ηe-Ne/CH4激光频率进行绝对测量得到一个新的频率值。     

采用射频调制实现对单频激光器频率噪声的抑制

在使用铷原子饱和吸收谱线作为激光频率参考进行稳频的激光稳频系统中,环路带宽是影响激光输出频率噪声的重要因素之一。对激光稳频系统中限制环路带宽的主要因素进行分析,使用射频调制信号直接调制商用外腔半导体激光器的高速电流调制端来对激光稳频系统的环路带宽进行拓展。根据对稳频环路的分析,合理设置反馈电路,实现激光稳频。使用低频谱分析仪对稳频后的鉴频信号进行分析,发现带宽拓展后,在傅里叶频率为5kHz处对频率噪声的抑制度达到了20dB以上。通过将该稳频激光器输出的激光与锁定在极稳恒温晶振上的飞秒光学频率梳进行拍频,测量了该稳频激光相对光梳的频率噪声,测量结果与直接分析鉴频信号的结果吻合。经过测量,通过拓展带宽抑制频率噪声,稳频激光器的短期频率稳定度得到改善。最后,测量了稳频激光相对于锁定在恒温晶振上的飞秒光学频率梳的频率稳定度,Allan方差在平均时间1s时达到4.52×10~(-12),在平均时间20s时达到1.65×10~(-12)。     

星间相干激光通信中科斯塔斯锁相系统设计

光学锁相环(OPLL)是相干激光通信系统中的重要组成部分。设计了科斯塔斯数字光学锁相系统,用于星间相干通信中零差接收和多普勒频移跟踪。锁相系统采用可编程逻辑门阵列(FPGA)作为主控单元,本振激光器(LO)采用调制边带注入锁定的可调谐激光器,中心波长为1550 nm,具有窄线宽和快速调谐的优点。与传统锁相环相比,系统具有更快的频率捕获速度,具有更高的稳定性。实验中,能够实现140 MHz频差范围内的快速锁定,保持锁定时间大于1 h,并能够对20 MHz/s多普勒频移跟踪,为后续星间相干通信实验提供支持。     

532 nm碘分子光频标

建立了两套可搬运型碘分子稳频的532 nm固体激光频标装置,其中一套采用了自行研制的半非平面单块固体环形激光器作为光源,在该激光器中采用密封隔离罩消除了气压抖动造成的影响。在两套装置中,利用折叠光路实现了4倍碘室长度的1.8 m的实际光学吸收程,大大提高了误差信号的信噪比。设计并建立了主动温度反馈控制系统,有效抑制了电光相位调制器中剩余幅度调制的变化。两套系统频率同时锁定在碘分子的超精细谱线R(56)32-0的a10分量上。连续不间断15×104s的拍频测量结果表明:1 s采样时间的激光频率稳定度的Allan方差优于2.4×10-14,大于200 s采样时间的激光频率稳定度的最小Allan方差典型值可达到4×10-15。     

密集波分复用激光光源的声光偏频无调制频率锁定

利用声光调制器(AOM)的偏频特性,以CH4分子吸收线R9支一条强吸收线(λ=1.6378μm)作为参考频率,实现了对外腔式半导体激光器的无调制频率锁定。实验中在100 s内典型的频率起伏小于5.6 MHz,较激光器自由运转时的频率起伏34 MHz有了显著的改善,而误差信号的阿仑(Allan)方差平方根(即稳定度)在平均积分时间为16 s时达到最小值5.75×10-10。该方法实现了基于气体分子吸收线的半导体激光器无调制锁频,并且CH4分子在1.6~1.7μm处有丰富的振转光谱,满足光纤通信中对激光器输出波长的要求,可应用于光纤通信中激光光源的频率锁定。     

亚稳态氪原子饱和吸收光谱无调制激光稳频

利用亚稳态氪原子2P3/25p[5/2]3-2P3/15s[3/2]2饱和吸收光谱,分别使用电光调制器相位调制和声光调制器移频调制的方法,结合相敏检测,实现了钛宝石激光器相对于亚稳态氪原子的811.5 nm饱和吸收线的频率锁定.由获得的鉴频曲线以及误差信号估算,激光频率漂移从稳频回路开路时的超过8 MHz;减小到回路闭合时的约1 MHz,并可实现对激光频率数小时的稳定.该稳频后的激光光源被成功地用于激光冷却亚稳态氪原子各个稳定同位素.     

用改变激光等离子体折射率的方法稳定He-Ne激光器的频率

本文介绍一种Zeeman He-Ne气体激光器新的稳频方法,通过控制激光等离子体介质的折射率来稳定激光器的频率。系统使用普通单模He-Ne激光管,不需要特殊加工的、带压电陶瓷(PZT)的稳频激光管。由于采用了锁相技术,它的自差拍频率的变化率小于1Hz,其光频的稳定度为2.2×10~(-11)(取样时间τ=10s)。两个月内,频率再现性为2×10~(-8)。频率锁定点可在大于200MHz的范围内连续调谐。     

半导体激光器的原子法拉第反常色散光学滤波器光反馈稳频

为提高半导体激光器的频率稳定性，利用原子法拉第反常色散光学滤波器（FADOF）超窄带的选频透射特性，将其置于半导体激光器的外腔中作选频元件，采用光反馈的方法，使得透射率低的激光频率分量被抑制，透射率高的激光频率分量被加强，有效地实现了光反馈激光稳频。利用Cs原子法拉第反常色散光学滤波器工作于D2线852nm的4峰窄带透射状态。通过调节半导体激光器的温度和电流，调谐半导体激光器的输出波长，将激光器锁定在任何一个透射峰上，用26％的光反馈量，使稳频后的激光频率长期稳定性保持在75MHz／2h以内，而且采用这种稳频方法的输出激光中心波长一直稳定在频率基准上，没有单方向漂移。同时，还实现了Cs原子法拉第反常色散光学滤波器稳频半导体激光器结构的一体化，使其具有实用性。     

高功率碘稳频He-Ne激光波长参考源

为满足精密测量对高稳定激光单色光源功率的要求,研制了全封闭、一体化结构的高功率碘稳频He-Ne激光系统。对该系统所采用的饱和光谱探测原理、吸收峰识别与锁定方法以及激光波长的稳频效果进行了研究。首先,介绍了三次谐波方法探测饱和吸收光谱的基本原理,分析了其消除功率背景的方法。接着,分析了碘稳频激光中一体化谐振腔的稳定性,详细讨论了谐振腔轴向膨胀和横向非对称形变对输出功率的影响。然后,分析了激光输出功率与碘分子饱和吸收峰之间的对应关系,介绍了利用二次谐波信号实现吸收峰识别的可行性,并展示了高稳定谐振腔的长时间锁定能力。最后,分析了高功率碘稳频He-Ne激光波长的稳定度与复现性。实验结果表明:高功率碘稳频He-Ne激光波长抖动标准差为33 kHz,1 000 s稳定度达到4.1×10?13;三个月内激光波长的复现性达到3.3 kHz （7.0×10?12）,与国际计量委员会推荐的频率差为3.0 kHz。