FTP設計說明書

1、中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書畢業(yè)設計說明書基于F-P腔的激光器穩(wěn)頻技術學生姓名： 學號： 學 院： 專 業(yè)： 指導教師： 2013年 6 月基于F-P腔的激光器穩(wěn)頻技術的研究摘 要線寬穩(wěn)頻激光器在高分辨光譜、基本物理常數(shù)測量、冷原子系統(tǒng)和光學頻率標準等研究領域有著重要的應用。為了獲得頻率穩(wěn)定且窄線寬的激光，可以采用PDH技術將激光頻率鎖定在高精細度光學諧振腔的共振頻率上。本文主要以PDH技術為手段，開展了對激光器頻率穩(wěn)定特性的理論和實驗研究。本文回顧了PDH技術的原理和特點，從理論上分析了電光相位調制的調制頻率、調制度對光學諧振腔相位調制光外差光譜色散型譜線線型和鑒頻曲線斜率的影響.實驗上

2、，測量了F-P腔的相關參數(shù)。建成了利用PDH技術的激光穩(wěn)頻系統(tǒng)，將激光器的頻率鎖定在F-P腔的共振頻率上。通過實驗結果表明，鎖定在光學參考腔上激光器的頻率穩(wěn)定度為量級(1s積分時間)和量級(100s積分時間)，實驗還觀測了溫度變化所引起的頻率漂移情況。關鍵詞: 光外差光譜，PDH技術，F(xiàn)-P腔，電光相位調制，激光穩(wěn)頻Based on F-P cavity laser frequency stabilization technology reserchAbstractLinewidth laser frequency stabilization in high-resolution spectr

3、oscopy, the basic physical constants measurements, cold atom systems and optical frequency standards research has important applications. In order to obtain stable frequency and narrow linewidth laser PDH technology can be used in the laser frequency is locked high finesse optical resonator at the r

4、esonant frequency. This paper mainly PDH technology as a means to carry out on the laser frequency stability characteristics of the theoretical and experimental research.This paper reviews the principles and characteristics of PDH technology, from the theoretical analysis of electro-optical phase mo

5、dulation modulation frequency, modulation phase modulation of the optical resonator optical heterodyne spectroscopy dispersive spectral line and the slope of the frequency discriminator. Experimental , the production of electro-optical phase modulator and the F-P cavity, measuring the relevant param

6、eters of the F-P cavity. PDH technology built using the laser frequency stabilization system, laser frequency locked F-P cavity resonance frequency. The laser frequency stabilization through with another using two longitudinal mode frequency stabilization of laser beat frequency, resulting in lockin

7、g the F-P cavity laser frequency stability. Experimental results show that the locking cavity in the optical reference frequency stability of the laser is order (1s integration time) and order (100s integration time), experiments also observed temperature changes caused by the frequency drift.Keywor

8、ds: optical heterodyne spectroscopy, PDH technology, F-P cavity,electro-optical phase modulation, laser frequency stabilizatio中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書目 錄1 緒論11.1 研究背景與意義11.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景31.2.1 F-P腔的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景31.2.2 激光器穩(wěn)頻的發(fā)展現(xiàn)狀及前景102 .Fabry-Perot腔的基本原理與技術參數(shù)152.1 F-P腔原理及理論分析：152.2 F-P腔的調制原理172.3 F-P腔的技術參數(shù)192.4 調制度

9、、調制頻率的選取對色散譜線線型和鑒頻曲線斜率的關系212.4.1 調制頻率的選取與激光的幅度噪聲212.4.2 調制頻率選擇對鑒頻曲線的斜率的影響213 Pound-Drever-Hall穩(wěn)頻技術233.1 PDH技術的原理及其優(yōu)點：233.2 相位調制光外差原理：244 PDH方法進行激光器鎖頻264.1 PDH方法進行激光器鎖頻的實驗裝置圖264.2 實驗所得數(shù)據(jù)及其圖像的處理274.2.1 激光器邊帶的產生274.2.2 經過F-P腔激光產生的鑒頻曲線284.2.3 穩(wěn)頻后的所得的圖像及數(shù)據(jù)295 總結與展望30參考文獻31致謝33第 頁 共 頁1 緒論11 研究背景與意義激光由于具有良

10、好的單色性及相干性，被廣泛應用于精密激光光譜和精密計量等諸多研究領域。頻率穩(wěn)定度極高的激光器已在計量研究領域提供長度基準和時間頻率標準。自由運轉的激光器因受到外界振動、溫度起伏等因素的擾動，導致激光頻率隨時間變化，難以滿足精密計量等應用上的要求。要使激光頻率穩(wěn)定輸出就必須利用激光穩(wěn)頻技術，采取一定的措施來減小外界擾動所引起的激光頻率漂移。實現(xiàn)激光頻率穩(wěn)定性的提高，通常可以選取一個頻率參考標準，通過激光頻率與頻率參考標準進行比較，得到激光頻率偏離頻率參考標準的誤差信號，通過伺服控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構調整激光器的某一參數(shù)，使激光頻率鎖定在頻率參考標準上，從而獲得頻率穩(wěn)定的激光。常用的穩(wěn)頻頻率參考標準主

11、要有兩類:一類是以原子或分子的躍遷譜線中心頻率作為頻率參考標準;另一類以光學諧振腔的共振頻率作為頻率參考標準。早在1946年, R.V.Pound就首先采用微波諧振腔1現(xiàn)微波頻率穩(wěn)定。由于光學諧振腔可以設計成具有極高的Q值，可提供窄共振譜線以及能滿足各種特定波長等優(yōu)點，所以它成為實現(xiàn)窄線寬激光穩(wěn)頻的一個有效的方法。20世紀80年代初，華東師范大學馬龍生教授和J.LHall合作發(fā)展起來的調制轉移光外差光譜是一種高靈敏的激光光譜技術，并成功地將該光譜技術用于實現(xiàn)高精度激光穩(wěn)頻。該技術通過相位調制光場與非線性介質的四波混頻作用過程實現(xiàn)調制信號從調制光束轉移到未調制光束，再經過光外差檢測及相敏解調過程

12、，得到無多普勒背景的超精細結構光譜信號，可作為優(yōu)質的鑒頻信號，實現(xiàn)高精度的激光穩(wěn)頻。例如,在90年代末，美國科羅拉多大學天體物理聯(lián)合實驗室(JILA)采用該方法，實現(xiàn)了頻率穩(wěn)定度優(yōu)于量級的波長為532nmYAG固體激光器穩(wěn)頻2而利用光學諧振腔的共振頻率作為頻率參考標準時，提供的是相對頻率參考標準，其穩(wěn)定度取決于腔的長度穩(wěn)定性。該方法源于微波頻率穩(wěn)定，早在1946年，RvPound就首先采用微波諧振腔用于實現(xiàn)微波頻率穩(wěn)定。由于光學諧振腔可以設計成具有極高的Q值，可提供窄共振譜線以及能滿足各種特定波長等優(yōu)點，所以它成為實現(xiàn)窄線寬激光穩(wěn)頻的一個有效的方法。20世紀80年代初，R.w.P.Drever

13、和J.LHall等人成功地將激光頻率鎖定在光學參考腔的共振頻率上，取得了線寬小于100Hz的穩(wěn)頻激光，以后人們一般把這種穩(wěn)頻方法稱為Pound-Drever-Hall(PDH)穩(wěn)頻法3，J.Hough與D.Hils等人通過把F-P腔放置在懸掛托架上，從而顯著降低外界環(huán)境振動對腔體的影響，并把一臺染料激光器鎖定在此F-P腔上，通過對兩套相同激光系統(tǒng)的輸出光進行拍頻，測得激光頻率穩(wěn)定度達到2.210-13 (1s積分時間)，線寬小于750Hz。90年代初，TimothyDay等人把兩個二極管泵浦Nd:YAG激光器鎖定在一個精細度F=27500的F-P腔上，得到兩個激光器的拍頻線寬為700mHz。9

14、0年代末B.C.Young等人把563nm的染料激光器鎖定在穩(wěn)定且高精細度的F-P腔4細度F150000)，并把F-P腔置于V型槽中固定，將激光線寬壓縮到600mHz，其頻率穩(wěn)定度為310-16 (1s積分時間)。2004年，美國JILA實驗室將支撐點選取在豎直放置參考腔的中央，使腔的通光軸線與重力在一個方向，利用支撐面上下部分形變相消的原理來降低腔體的振動，使激光器的線寬壓縮到0.7Hz(分辨率帶寬為0.5Hz)。2007年，A.D.Ludiow，X.huang等人采用熱噪聲極限下的被動光學諧振腔,將半導體泵浦的激光器線寬壓窄至 220mHz(分辨率帶寬為150mHz)。綜上所述，由于F-P

15、腔具有很高的穩(wěn)定性和超窄的共振譜線寬度，并能滿足幾乎各個波段的激光穩(wěn)頻系統(tǒng)的要求。所以采用PDH技術將激光鎖定在光學諧振腔上具有其它技術無法相比的優(yōu)勢，可以得到極高的頻率穩(wěn)定性和Hz量級或者亞HZ量級的超窄輸出線寬。隨著激光冷卻技術的發(fā)展和應用，國際上許多小組在進行冷原子、單離子精密光譜檢測和光鐘系統(tǒng)的研究。由于冷原子的躍遷譜線寬度在Hz或亞HZ量級，因此需要超窄線寬的激光作為探測光。而采用PDH技術的穩(wěn)頻5能得到寬度在Hz或mHz量級的譜線，己成為冷原子精密光譜和光鐘研究中關鍵的光源。華東師范大學精密光譜實驗室一直致力于激光器頻率的穩(wěn)定性研究。先后采用包括飽和吸收光外差光譜、三次諧波探測技術

16、、調制轉移光外差光譜技術以及光學諧振腔內吸收增強調制轉移光外差光譜技術，得到了碘分子在532nm附近的無多普勒背景的超精細結構光譜，并山此實現(xiàn)了激光頻率的絕對鎖定。根據(jù)鎖定誤差信號分析，激光頻率穩(wěn)定度優(yōu)于(1s積分時間)的頻率高精度絕對鎖定。近年來，結合冷原子光鐘研究，開展了超穩(wěn)窄線寬激光系統(tǒng)研制工作。采用振動免疫結構高精細度光學諧振腔(腔的精細度為F=300,000，采用超低膨脹系數(shù)的微品材料)和PDH穩(wěn)頻技術，將兩臺1064 nmYAG激光器6定在兩個獨立豎直放置的參考腔上，實現(xiàn)了線寬為Hz量級的激光輸出。在此前提下研究PDH技術激光穩(wěn)頻特性，對于進一步提高穩(wěn)頻激光器的性能，為原子冷卻及躍

17、遷譜線探測提供實用的穩(wěn)頻激光，具有一定的意義。1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景1.2.1 F-P腔的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景光纖F-P干涉儀就是可調諧F-P濾波器的原型，它可以直接形成傳感器，這種傳感器可以是多光束干涉，也可以是雙光束干涉;可以是白光干涉，也可以是單色干涉，該類型傳感器在微弱應變、壓力、位移的測量等方面，具有不可替代的位置，并已經形成產業(yè)。同樣，在軍用光通信領域、軍用光纖傳感器技術領域，光纖F-P干涉儀也具有重要的應用價值，例如，光纖F-P干涉型水聽器，水聽器的復用，艦船的狀態(tài)監(jiān)測，飛行器的健康監(jiān)測，大型建筑物的結構安全監(jiān)測，儲油罐的溫度、壓力監(jiān)測，生化傳感器等都要用到光纖F-P干涉技術。

18、利用光纖禍合器和光纖干涉儀的選頻作用就可以制作出光纖濾波器，目前市面上的可調諧光濾波器7多，其中研究的比較多且具有實用價值的主要有以下幾種：Mach-Zenhder光纖濾波器，光纖光柵濾波器，聲光濾波器，以及可調諧Fabry-Perot濾波器。其中，由于F-P濾波器具有許多獨特的優(yōu)點而被廣泛應用于光纖通信和光纖傳感系統(tǒng)中，該濾波器的實用化研究也越來越受到人們的重視，是光纖技術推廣應用的關鍵器件之一。從整體性能上看，它具有極低的插入損耗，較寬的調諧范圍，調諧速度也很快，同時能夠保證較高的精細度，結構靈活可變，在實際工業(yè)使用中可做成不同結構來滿足各種需求?？烧{諧F-P濾波器在光纖光柵傳感系統(tǒng)中用作

19、解調器件，整個測量系統(tǒng)的性能都由其性能的好壞直接決定。在光通信系統(tǒng)中，可調諧F-P濾波器8波分復用(WDM)的解復用及信號解調等，可與探測器，激光器，波長轉換器結合使用進行波長探測、光源信道設定和波長轉換，在光纖放大器中它被用作信號濾波器，而且在光纖激光器，光傳感和測量領域中也有非常重要的應用。目前世界上所廣泛研究的F-P濾波器主要分為以下幾類:微型電動機械系統(tǒng)(MEMS)形式的F-P濾波器，光纖光柵型F-P濾波器，液晶型F-P濾波器，固體腔型F-P濾波器和光纖型F-P濾波器。(1) MEMS型F-P可調諧濾波器目前，在工業(yè)應用和實驗研究報道中提及的MEMS型可調諧F-P濾波器9很多，它可以采

20、用不同的材料和幾何結構來制作。本節(jié)主要介紹一種比較典型有代表性MEMS可調諧F-P濾波器，它采用的是薄膜材料的InP形成平面反射鏡，中間腔體介質為空氣，其垂直結構如圖1.1所示。該濾波器結構主要分為三個部分：頂部和底部分別為不同摻雜的分布布喇格反射鏡，中間為空氣腔。該濾波器的兩端均為金屬層。首先制備出數(shù)層InP薄膜，層與層之間的空氣隙厚度為4，InP薄膜的折射率和空氣折射率的對比度非常高，一般只需制備幾層薄膜就能夠達到高于99%的反射率，這樣的多層薄膜平行布置就形成了分布布喇格反射鏡。頂部和底部的分布式布喇格反射鏡正對平行放置，中間介質為空氣，形成了具有高反射率的F-P腔濾波器，可以很容易得到

21、一個非常寬的抑制頻帶(1250-800nm)。通過在上下兩個分布布喇格反射鏡上加載反偏電壓可以產生靜電力，在靜電力的作用下腔長發(fā)生收縮，該方法能夠持續(xù)調節(jié)濾波器的諧振波長，從而達到電壓控制F-P腔的腔長調節(jié)的目的。圖1.1 MEMS型F-P可調諧濾波器該濾波器具有非常好的性能:較高的精細度，以及相對較寬的自由光譜區(qū)，驅動電壓低調諧范圍大，抑制頻帶很寬?，F(xiàn)在有報道稱己研制出性能能夠達到自由譜區(qū)為630nm的F-P濾波器，加載3.2v電壓就可實現(xiàn)140nm調諧范圍，主要是應用于無線電通訊和光信號處理，以及可調諧激光器等方面。另外也有采用化學方法輔助離子束蝕刻來制備F-P腔濾波器的研究，如圖1.2所

22、示，該短腔F-P濾波器是由GaAsP/InP波導制成，通過加載電流可以達到調諧波長的目的，調諧速度非?？?，能夠達到 3ns，同時其波長調諧與電流注入值表現(xiàn)出非常好的線性關系，可用于波分多址(WDMA)系統(tǒng)中高速處理信息包轉換。圖1.2 化學方法制備的短腔F-P濾波器結構(2) 惆啾光纖光柵F-P濾波器如圖1.3所示，在一個光纖上由兩個線性惆啾的光纖光柵組成F-P腔從而形成惆啾光纖光柵F-P濾波器10器是全光纖結構器件，由光柵構成反射鏡，中間的一段空白光纖將每個光柵隔開。光纖中光柵的長度、折射率調制強度以及相關的惆啾參數(shù)共同決定該濾波器F-P腔的反射率和反射譜帶寬，制作時要求光柵具有相同的惆啾系

23、數(shù)和折射率調制深度。光柵中調諧點會不斷發(fā)生變化，入射光信號經過每個光柵反射鏡后將形成色散，這種類型的光柵型F-P腔中產生的總的響應與普通的由兩個平行平板反射鏡組成的F-P諧振腔相似。與塊狀濾波器相比，該全光纖型濾波器可與光纖設備達到更高的禍合效率，可用于信號解調、WDM系統(tǒng)的解復用，以及CWDM系統(tǒng)中的頻率編碼等方面。圖1.3 惆啾光纖光柵型F-P濾波器(3) 液晶型F-P可調諧濾波器液晶F-P可調諧濾波器11構如圖1.4所示，該結構類似于一個標準具(Etalon)，F(xiàn)-P腔中間的介質為液晶，兩邊為平行的玻璃襯底，液晶與玻璃襯底相對的表面上分別鍍上多層介質高反膜和透明電極，一般為了降低損耗也會

24、增加一個準直層，這樣就形成了液晶型F-P濾波器。利用液晶分子的雙折射效應，通過改變兩電極間的電場來調諧液晶分子的晶相排列方向，進而改變介質折射率并實現(xiàn)濾波功能。采用這種方法調諧濾波器的中心波長，其調諧速度非常快。圖1.4 可調諧液晶FP濾波器的基本結構只是液晶分子為雙折射材料，這樣就使可調諧F-P濾波器成為與偏振相關的器件。同時，該濾波器屬于塊狀結構，與光纖的禍合損耗較大，液晶本身也存在散射損耗與吸收，目前研究得到的器件自由光譜范圍在50nm左右，插入損耗為 4dB，分辨率很大，多在0.17一0.4nm范圍內。材料的溫度特性也會影響器件的性能。這種可調諧F-P濾波器多用于WDMA光網絡系統(tǒng)中作

25、為信號解調器，也可用于可調諧激光器中作為調諧元件，或是用在光譜成像系統(tǒng)中進行目標識別。(4) 固體腔型F-P濾波器在武漢理工大學的一個實用新型專利中涉及到一種典型結構的固體腔型F-P濾波器12器結構如圖1.5所示，固體腔中介質為PMN-PT透明光電陶瓷，這種馳豫材料屬于鈣欽礦型多晶結構，具有各向同性的最小能量穩(wěn)定結構和容易扭曲的電場。在外電場作用下，所有的疇都傾向于外電場排列，即發(fā)生極化，光就會產生雙折射，從而表現(xiàn)出很強的電光效應。輸入光波在通過前準直器后變成平行光，該平行光穿過前透射膜2和前反射膜3后，進入鍍有前透明電極4的PMN-PT光電透明陶瓷塊體5中，PMN-PT光電透明陶瓷塊體5和前

26、反射膜3、后反射膜8形成了法布里-泊羅腔，光波在其中發(fā)生雙折射效應，并且伴隨有由反射形成的多光束干涉;光波經法布里-泊羅腔后，穿過后反射膜8、后透射膜9再傳輸?shù)胶鬁手逼?0上面，從而得到輸出光波。同時，利用PMN-PT光電透明陶瓷的光電效應，在透明電極上施加外電場，通過改變外加電場強度來改變光電透明陶瓷的折射率，可達到折射率調諧的目的，從而產生濾波器可調諧濾波的作用。圖1.5 固體腔型F-P濾波器結構示意圖(5) 光纖型F-P濾波器國內外關于光纖型可調諧F-P濾波器13展了幾十年，期間發(fā)明了許多結構濾波器的制備方法，研制最多并寫入教材中的主要結構有三種，其區(qū)別就是能夠滿足不同自由光譜區(qū)(FSR

27、)的需要并降低該濾波器的插入損耗。圖1.6就是這三種光纖型可調諧濾波器的結構示意圖，圖1.6(a)顯示的就是光纖波導腔型F-P濾波器。在光纖兩端面直接鍍上高反射率薄膜，入射光在光纖中發(fā)生多光束干涉，這樣就由光纖本身構成F-P諧振腔，將這一段光纖纏繞在PZT壓電陶瓷上，通過外加電場作用于壓電陶瓷并拉伸光纖從而調節(jié)F-P腔的長度。但由于受到結構限制，一般F-P腔長從厘米到米量級不等，造成該結構的自由光譜區(qū)(FSR)非常小。圖1.6 光纖可調諧F-P濾波器的結構示意圖圖1.6(b)顯示的是空氣隙型F-P濾波器，F(xiàn)-P腔中介質為空氣，也是直接在兩個平行正對的光纖端面上鍍高反射膜，這兩個平行端面與其間的

28、空氣介質一起組成F-P腔。通過支撐結構將壓電陶瓷與一端或兩端光纖固定，外加電場作用于壓電陶瓷產生伸縮形變，于是引起光纖端面反射鏡也沿軸向運動，腔長隨之改變。這種結構的光纖F-P濾波器的自由光譜區(qū)范圍較大，一般腔長都小于10m，但是其插入損耗較大。D.Marcuse等人經過研究討論后指出，損耗過大是因為開腔的模場分布與光纖的模場分布不匹配，J.stone等人利用大模場與光纖模場的匹配，制備出插入損耗為4.3dB的可調諧F-P濾波器，其精細度是100，光纖模場半徑是7.15m，腔長是7.圖1.6(c)顯示為改進型波導腔F-P可調諧濾波器，它是由上述空氣介質型腔濾波器演變發(fā)展起來的，直接在F-P腔內

29、加入一段光纖波導，可以通過改變波導段的長度來調整濾波器的自由譜區(qū)范圍(該波導長度一般為100到厘米量級)，該結構形成的F-P腔長可以大于10，解決了光纖與空氣介質的模式失配和插入損耗較大的問題，有效的降低了插入損耗。J.Stone等人報道了細度為1000，插入損耗為 4dB的濾波器研制結果。但是由于該結構采用三段波導，增加了器件制作工藝步驟和加工難度，難以大規(guī)模產業(yè)化推廣應用。針對F-P濾波器普遍存在禍合損耗和衍射損耗較大的問題，研究中往往在濾波器結構中加入自聚焦透鏡組成藕合型結構，如圖1.7所示。這種結構可分為兩類:一種是在F-P標準具兩端直接增加自聚焦透鏡，起到準直、聚焦的作用;另一種是由

30、兩個自聚焦透鏡平行對準形成F-P腔，直接在其兩個平行端面上鍍高反射膜就形成了F-P濾波器，該結構的腔長調諧范圍較大。圖1.7 自聚焦透鏡光纖F-P可調諧濾波器光纖型F-P可調諧濾波器中的光信號全部是通過光纖輸入和輸出，這樣降低了解調設備的接入損耗，也有利于光通信系統(tǒng)的全光纖化，其自由譜區(qū)覆蓋范圍很大、分辨率高、帶寬窄、結構靈活可變，而且調諧簡單，精細度可以做到上千。不足之處是其結構穩(wěn)定性不高，對溫度和振動較敏感，但由于設計和制作工藝方面的進步，光纖F-P濾波器的性能有了很大提高。現(xiàn)在世界范圍內，美國企業(yè)是光纖F-P可調諧濾波器的主要供應商，其技術領先，且積累了深厚的產業(yè)化生產經驗，目前己經研制

31、了幾千種光纖F-P可調諧濾波器，可用于信道監(jiān)視、OADM、光學噪聲濾除等。上述的這些不同種類的可調諧Fabry-Perot濾波器14點，在實際使用中可根據(jù)不同的應用需要來選擇不同性能的器件。近年來我國的光通信技術和光纖傳感技術得到迅猛發(fā)展，隨著光網絡復雜化和光纖傳感精度的不斷提高，作為其核心器件的光纖F-P濾波器，人們對其各項綜合性能以及成本控制提出了更高的要求，目前國內外關于可調諧Fabry-Perot濾波器的研究朝著調諧范圍更廣，精細度更高，調諧速度更快，損耗更低的方向發(fā)展，另外器件的微型化，低成本也是研究的重點，本論文就是在低成本控制下展開對光纖型F-P濾波器的高性能研究。1.2.2 激

32、光器穩(wěn)頻的發(fā)展現(xiàn)狀及前景半導體激光器廣泛應用于光纖傳感和光纖通信等領域，它的頻率受周圍環(huán)境的影響很大，作為通信光源頻率波動會給信道帶寬造成很大的浪費，同時限制了長距離傳感的應用，因此，半導體激光器的穩(wěn)頻至關重要。以下為幾種常見穩(wěn)頻方法的特點和發(fā)展趨勢。(1) 原子或分子線穩(wěn)頻原子或分子線穩(wěn)頻15子線穩(wěn)頻主要是利用原子或分子的飽和吸收特性。將激光器的頻率鎖定在原子或分子的飽和吸收峰上，使激光器的頻率保持穩(wěn)定?；驹頌椋簩す馄鞯念l率進行調制，產生誤差信號。將誤差信號反饋到激光器實現(xiàn)了將激光器的頻率穩(wěn)定到原子或分子的飽和吸收峰，達到穩(wěn)頻的目的。人們利用多種原子、分子以及不同的實驗裝置實現(xiàn)了飽和吸

33、收法穩(wěn)頻。目前，用原子或分子飽和吸收法穩(wěn)頻廣泛應用于冷原子實驗等各個領域。圖1.8為典型的原子飽和吸收穩(wěn)頻的實驗裝置圖。輸出耦合器隔離器布拉格光柵氣室激光器壓電陶瓷直流光譜分析儀示波器2f1濾波器高壓放大器f1耦合器光電探測鎖相放大器f13f1濾波器鑒相儀3圖1.8 原子飽和吸收穩(wěn)頻的實驗裝置圖實驗裝置中使用了三次諧波鎖定技術，主要是用于消除由于飽和吸收峰的頂點偏離原子吸收線的中心頻率而造成的復現(xiàn)性變差的現(xiàn)象。這項技術用基頻f1調制激光頻率，與經過f3濾波后的信號一同送入鑒相器，反饋到激光器的恒流驅動部分，通過控制電流的大小來穩(wěn)定激光器的頻率。該實驗裝置具有較好的頻率穩(wěn)定性，能夠達到10-10

34、的頻率穩(wěn)定度。由于實驗裝置中使用了三次諧波的頻率鎖定技術，使鑒相器在3倍頻下工作，消除了背景功率的影響，提高了飽和吸收光譜信號的信噪比，從而大大提高了半導體激光器的頻率鎖定靈敏度和長期穩(wěn)定性。不過這種穩(wěn)頻的方法實驗結構比較復雜，而且短期穩(wěn)定性不好。(2) 法布里-珀羅(F-P)腔穩(wěn)頻偏振分束棱鏡電子科學與技術F-P腔具有很高的穩(wěn)定性和超窄的共振譜線寬度，而且能夠滿足各個波段激光穩(wěn)頻的需要，所以采用相位調制光外差(PDH)技術將激光頻率鎖定在光學諧振腔的共振頻率上，可以得到極高的頻率穩(wěn)定性和Hz量級或者亞Hz量級的超窄輸出線寬。隨著激光冷卻技術的發(fā)展和應用，國際上許多小組在進行冷原子、單離子精密

35、光譜檢測和光鐘系統(tǒng)的研究。由于冷原子的躍遷譜線寬度在Hz或亞Hz量級，因此需要超窄線寬的激光作為探測光。而采用PDH技術的穩(wěn)頻激光器能得到寬度在Hz或MHz量級的譜線，已成為冷原子精密光譜和光鐘研究中關鍵的光源。PDH技術的原理是將激光進行射頻電光相位調制，利用F-P腔的共振特性和光譜檢測技，得到具有良好鑒頻特性的色散型譜線以及鑒頻后激光的頻率與F-P腔共振頻率的誤差信號。通過反饋系統(tǒng)來控制激光器的腔長進而改變激光器的頻率，將激光頻率鎖定在光學諧振腔的共振頻率上。圖1.9為基于PDH技術和F-P腔穩(wěn)頻的實驗原理圖。F-P電光調制聲光調制 激光器1/4波長壓電陶瓷1/2波長電子與計算機科學技術探

36、測器射頻驅動本振射頻10MHz高壓驅動電路電流光束雙平衡混頻相移中頻放大器控制器圖 1.9 基于PDH技術和F-P腔穩(wěn)頻的實驗原理圖從圖1.9中可以看出激光首先經過作為光隔離器件的聲光調制器,選擇一級衍射光，再調節(jié)二分之一波片，改變激光入射到電光調制器上的偏振方向。使電光調制器對入射的激光產生相位調制。入射到偏振分束棱鏡的激光被分成兩束，其中一束穿過四分之一波片垂直入射到F-P腔。當激光器出射的激光在F-P腔共振時，反射出來的光在經過四分之一波片由圓偏振光變?yōu)榫€偏振光，并且方向旋轉了90度。經過偏振分束棱鏡進入到探測器中，探測器能夠將光信號轉換為電信號，并且與另個經過移相后的本振信號一起進入雙

37、平衡混頻器混頻，混頻后的光外差信號通過控制器(PID)改變其幅頻和相頻特性，然后進入高壓驅動電路控制激光器上的壓電陶瓷調節(jié)激光器的腔長。將激光頻率鎖定在F-P腔的共振頻率上，從而實現(xiàn)了激光器的穩(wěn)頻。PDH技術具有很高的靈敏度和信噪比，而且具有很大的調節(jié)范圍，穩(wěn)頻效果好。能達到10-10的頻率穩(wěn)定度：F-P腔幾乎能適合各種波長的激光系統(tǒng)，所以PDH技術是一種理想的激光穩(wěn)頻技術，具有實用性。(3) 外腔穩(wěn)頻法外腔穩(wěn)頻法16導體激光器得到極窄的線寬和穩(wěn)定的輸出功率。外腔半導體激光器具有結構緊湊、效率高、壽命長、線寬窄、波長調諧范圍寬等特點,是較理想的穩(wěn)頻激光光源。目前主要的外腔半導體激光器有閃耀光柵

38、外腔半導體激光器和光纖光柵外腔半導體激光器。圖1.10為一種Littrow結構的外腔半導體激光器穩(wěn)頻結構圖。輸出光束激光器準直器閃耀光柵圖1.10 Littrow結構的外腔半導體激光器穩(wěn)頻結構圖外腔半導體激光器最終輸出的模式不與作為外腔反饋元件的閃耀光柵有關。光柵方程17中d為光柵常數(shù)，為衍射角，m為衍射級次。由此看出，由于光柵有很強的色散性，回饋的光束不再是平行光而是按光譜散開成一定角度，因此反饋光不能全部反饋回激光器的有源區(qū)。通過改變可改變回饋到有源區(qū)的光譜成分，當回饋光中的某一波長與激光器的某一本征模波長一致時，造成該本征模與其余本征模之間很強的損耗差，導致半導體激光器穩(wěn)定在這一本征模狀

39、態(tài)。因此，利用光柵可對激光器的縱模進行選擇和調制，實現(xiàn)激光器頻率的穩(wěn)定。用這種穩(wěn)頻方法得到的半導體激光器可廣泛應用于外差干涉儀、調頻干涉儀、光柵干涉儀等高精度光學測量系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景。(4) 直接電控穩(wěn)頻技術影響半導體激光器頻率穩(wěn)定度的因素有很多,但最主要的因素是工作電流的變化和工作溫度的漂移。這種穩(wěn)頻技術的關鍵是檢測出頻率變化(誤差信號)，然后將其轉化為電信號，通過微控制器控制激光器的驅動電流和溫度，從而穩(wěn)定激光器的頻率。一般情況下，通過控制電流的變化來補償溫度對頻率造成的影響。因此,直接電控穩(wěn)頻技術是在半導體激光器工作在最佳工作溫度的情況下，通過調整激光器的工作電流來達到穩(wěn)頻的目的

40、。直接電控穩(wěn)頻系統(tǒng)如圖1.11所示，激光器波長測量系統(tǒng) 微控制器溫度控制系統(tǒng)數(shù)控電流源圖1.11 直接電控穩(wěn)頻系統(tǒng)對于半導體激光器而言，一般的穩(wěn)頻方法是對其波長進行測量和調節(jié)。在這個系統(tǒng)中具體的調節(jié)方法是：當半導體激光器的輸出頻率增大時。波長減小，波長測量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)就會相應地減小。通過增加數(shù)控電流源的輸出電流來調節(jié)激光器的頻率穩(wěn)定。同理，當輸出頻率減小時，減小數(shù)控電流源的輸出電流直到頻率穩(wěn)定。對于一般的半導體激光器，其典型的輸出波長與電流的變化關系是0.01nm/mA。采用直接電控穩(wěn)頻技術19率穩(wěn)定度可達到6.7310-7，這種穩(wěn)頻方法仍然有提高頻率穩(wěn)定度的潛力。通過采用高性能的微控制器件

41、20，可使穩(wěn)頻系統(tǒng)達到更高的穩(wěn)定度。這種采用微控制器控制的穩(wěn)頻系統(tǒng)不僅僅適用于半導體激光器，對其它各種激光器也可以起到很好的穩(wěn)頻效果，因此具有很好的應用前景。通過比較幾種典型的穩(wěn)頻方法，基于F-P腔的激光器頻率鎖定技術在激光器頻率穩(wěn)定、研制高穩(wěn)定性光源方面有著重要應用。因此，本畢業(yè)設計將采用基于F-P腔實現(xiàn)對激光器頻率的鎖定，通過穩(wěn)頻技術的運用，獲得穩(wěn)定的激光器頻率。這將是進行后續(xù)精密測量和高端科研實驗的有力依據(jù)，將為后續(xù)相關原子鐘、高精度頻率梳等方面的研究奠定必要的研究基礎。2 Fabry-Perot腔的基本原理與技術參數(shù)2.1 F-P腔原理及理論分析：F-P干涉儀是根據(jù)多光束干涉的原理，利

42、用高反射膜間的多次反射而設計制作的，而法布里-拍羅濾波器實質上就是F-P干涉儀。多光束干涉是指一組相互平行的任意兩束光之間光程差(或相位差)都相同的同頻光束的相干疊加。許多光學現(xiàn)象，如薄膜干涉、布喇格衍射、牛頓環(huán)和干涉濾光片等，都是由多光束干涉產生的。同樣，激光器的諧振腔也可視為一種特殊的F-P干涉儀，廣泛應用于計量學、原子光譜學、天文學、光散射和等離子體診斷學等方面。圖2.1 可調諧F-P干涉儀圖2.2 具有高度平行平面的玻璃板如上圖所示，可調諧F-P干涉儀有兩種形式:一種是由相互平行的、內表面具有高反射率的兩塊平面玻璃板組成的，它們之間的距離可以通過調諧裝置改變，距離可調的F-P諧振器即為

43、濾波器;另一種是用一塊外表面都是高反射率的平行平面玻璃板制成，它的兩個反射面之間的距離是固定的，這種形式稱為標準具。圖2.3為法布里一泊羅諧振器的工作原理示意圖。圖2.3 F-P干涉儀工作原理示意圖對于穩(wěn)態(tài)振蕩，初始光脈沖的幅度必定等于它被來回反射之后的幅度。由于多光束干涉形成如圖2.4所示的透射特性可表示為: At=T1-Rexp(i)Ai （2.1） It=T21+R2-2RcosIt=T2(1-R)2+4Rsin2(2)Ii （2.2）其中，分別為入射光場得振幅和光強，為出射光場的振幅及光強，為相鄰兩束光的相位差: =40nLcos （2.3）其中，R，T分別為鏡面的反射率和透射率，在理

44、想狀況下，R+T=l；n為腔中介質折射率，L為腔長。當光波長使得滿足(m為正整數(shù))時，有極大透射峰。這就形成了F-P腔的具有波長選擇性的透過特性，從而達到濾波的效果。圖2.4 F-P諧振腔的典型透射譜F-P腔的工作原理：F-P腔激光器是指采用法布里-珀羅諧振腔作為光反饋裝置的半導體激光器的統(tǒng)稱。圖2.5所示為F-P腔的理論模型，它的工作原理為：當法布里-珀羅腔透射光拍頻信號分析激光經電光相位調制后入射到法布里珀羅腔，其入射鏡M1，對振幅的反射因數(shù)和透射因數(shù)分別為r1和t1，理想情況下r12+t12=1；出射鏡M2對振幅的反射因數(shù)和透射岡數(shù)分別為r2和t2，理想情況下同樣有r22+t22=1Eo

45、utEinM2M1圖2.5 法布里珀羅腔的理論模型設Ein和Eout分別表不法布里-珀羅腔的入射場和出射場。理論推導可得 （2.4）式中為入射光在法布里-珀羅腔中往返一周的相位延遲(其中為法布里-珀羅腔的自由光譜程，f為載波或調制邊帶的頻率,L為法布里-珀羅腔的腔長，c為真空中的光速，n為空氣的折射率，計算中n近似取1，則法布里-珀羅腔的透射因數(shù)為: （2.5） 2.2 F-P腔的調制原理法布里-羅諧振腔(F-P)非常適合于制作成光纖可調諧濾波器，通過在兩個相互靠近的光纖端面鍍上高反射率的薄膜可形成F-P干涉諧振腔。人們可以通過改變兩個光纖端面間隙間的距離來調諧諧振腔的腔長，腔長的調節(jié)一般是通

46、過壓電微位移器(PZT)來實現(xiàn)的。在兩塊高反射率的平行平板中間填充介質(該介質可以為光纖波導、空氣、液晶或電光晶體等)，構成一諧振腔，通過多光束干涉來選擇所輸出的波長。根據(jù)多光束干涉原理，在F-P腔內發(fā)生諧振的條件為nLCOS=N2 N=1,2,3, （2.6）式中n為介質的折射率，L為腔長，為入射角，為中心(諧振)波長，N為發(fā)生的干涉級數(shù)。對于理想的F-P濾波器來說，其功率傳輸系數(shù)為 TFP=T2(1+R)21+4R1+R2sin2(knLcos)-1 （2.7）式中，R,T分別為F-P腔兩平行端面的反射系數(shù)和透射系數(shù)。由(2.6)式得到峰值功率傳輸系數(shù)為 TMAX=T2(1-R)2 （2.

47、8）不計平行端面的損耗(吸收或散射)時，Tmax=1。考慮端面損耗A時A=1-(T+R)，將其代人(2.7)式得到 TM=(TT+A)2 （2.9）由(2.6)式可以看出，當改變F-P腔內介質的折射率n、入射角或是F-P的腔長L時，都能夠改變該濾波器的中心諧振波長。通過改變n，或L任何一個參量都可以達到調諧的目的。下面介紹這三種調制方法的理論原理。(1)角度調制(2.6)式兩邊對微分可得 =-2nLNsin() （2.10）上式表明入射角變化引起中心波長的偏移。這種調制法實現(xiàn)起來比較簡單，但存在著嚴重的缺點和不足，主要是對溫度和振動非常敏感，結構穩(wěn)定性難以控制，很難適應實際應用的需求。(2)折

48、射率n調制當光垂直入射，即=0，且L固定時，若n變化，由式可得與的關系為： =nn （2.11）當腔內介質改變，其折射率將發(fā)生變化，這樣濾波器的中心波長也隨之變化。(2.6)式兩邊對L微分可得 =-LL （2.12）這種調制方法主要問題是，為了保證F-P濾波器的精細度不會降低，在改變腔長L時光纖端面必須嚴格保持平行，這樣就對傳動裝置的精密性提出了很高的要求。2.3 F-P腔的技術參數(shù)(l) 自由光譜區(qū) FSR(FreespectralRange)表示兩個相鄰縱模的頻率間隔，其值由F-P腔的腔長和兩鏡間介質的折射率n來決定。 FSR=c2nl （2.13）(2) 腔的線寬定義為在透射峰半高度處的

49、全寬度(FWHM)，如下式表示， vc=c(1-R)2nLR （2.14）改變光學諧振腔的腔長，當入射光束信號的光譜寬度小于腔的相鄰模式的頻率差時，腔一長每改變便能掃出兩個透射峰極大值。對于每個透射峰，當透射峰強度值下降到峰極大值一半時兩邊頻率之差，其被稱為腔的半峰全寬，即腔的線寬。圖2.6 腔的線寬測量示意圖由于調制邊帶和載波的頻率間隔為調制頻率，則F-P腔的線寬可表示為， vc=N2N1 （2.15）選擇合適的調制頻率，可實現(xiàn)對線寬的精確測量。在實驗中=10MHz，實驗得到載波與邊帶如下圖2.7，圖2.7 透射光的載波和邊帶由此便可以計算出邊帶的寬度。(3) 精細度(Finesse)是用以

50、度量光學諧振腔的損耗大小的量，F(xiàn)(Finesse)定義為和的比值。 F=FSRvc=R1-R （2.16）由上式可看出腔鏡反射率越高，腔的精細度越高，其分辨率也越高。(4) Q值定義為諧振腔振蕩頻率和線寬的比值，腔的損耗越低品質因數(shù)就越高。Q=vc （2.17）自由光譜區(qū)FSR、Q越高，F(xiàn)-P腔的損耗就越小，線寬就越窄，能提供的參考頻率標準就越穩(wěn)定值是描述F-P腔特性的重要參數(shù)。在F-P腔的各項參數(shù)中，Q值的大小很關鍵，因為Q值綜上所述，為了將窄的諧振腔共振譜線用于穩(wěn)定性好的激光系統(tǒng)，需要使用窄線寬、精度細高的F-P腔作為參考頻率標準，使獲得的光學諧振腔光外差光譜的中心斜率很大，提高鑒頻的靈敏

51、度。當激光頻率對應于鎖定點有微小的偏移，檢測系統(tǒng)便能獲得較大的誤差信號，從而把激光精確鎖定在參考腔的共振頻率中心上。2.4 調制度、調制頻率的選取對色散譜線線型和鑒頻曲線斜率的關系2.4.1 調制頻率的選取與激光的幅度噪聲激光的幅度噪聲的存在會影響光譜信號信噪比，導致激光頻率鎖定精度降低，激光的幅度噪聲主要分布在低頻部分。利用射頻信號對激光進行調制，使得探測信號的頻率移到射頻區(qū)域，這樣就可避開幅度噪聲很大的低頻區(qū)域。如圖2.8當調制頻率大于 1MHz時，幅度噪聲下降3個量級(相當于60dB，達到散粒噪聲的水平)。圖2.8 激光幅度噪聲頻譜分布2.4.2 調制頻率選擇對鑒頻曲線的斜率的影響圖2.

52、9 鑒頻曲線斜率隨調制頻率的變化圖2.9中，tracel、traceZ、trace3分別對應調制頻率 10MHz， 1MHz，100kHz的情況，從圖中可以看出，當調制頻率為100kHZ時，鑒頻曲線的中心斜率最大，當激光煩率對應于鎖定點有微小的偏移，檢測系統(tǒng)便能獲得較大的誤差信號，從而把激光精確鎖定在參考腔的共振頻率中心上，但調制頻率太低將影響控制系統(tǒng)的頻率捕捉范圍。綜合上述，結合激光隔度噪聲、鑒頻曲線的斜率以及頻率的捕捉范圍等因素，實驗中調制頻率選取在10MHz，這樣既能有效的避開激光幅度噪聲的影響，又能在較大失諧頻率范圍鎖定激光。3 Pound-Drever-Hall穩(wěn)頻技術3.1 PDH

53、技術的原理及其優(yōu)點：穩(wěn)頻激光器是高分辨分子光譜學、精密計量、量子光學、原子冷卻和基本物理量測量中不可缺少的工具。最近十幾年，具有極高頻率穩(wěn)定性的激光器已被研制，并用于作為時間頻率率標準和長度基準。精密計量和精密光譜研究對激光頻率穩(wěn)定性有著很高的要求。而一般激光器由于受環(huán)境溫度及振動等影響，通常達不到如此高的頻率穩(wěn)定性，采用動態(tài)系統(tǒng)反饋控制原理是實現(xiàn)激光頻率穩(wěn)定的有效辦法。圖3.1 激光穩(wěn)頻系統(tǒng)原理圖通常采用的激光穩(wěn)頻技術將激光頻率鎖定在一個參考頻率標準上，原理如圖3.1所示。精密光譜檢測系統(tǒng)提供激光頻率與參考頻率標準偏差的鑒頻信號，經過伺服控制系統(tǒng)再傳送到執(zhí)行系統(tǒng)，通過對激光頻率的調整，使激光

54、頻率鎖定在參考頻率標準上。激光穩(wěn)頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于:參考頻率標準的穩(wěn)定性;鑒頻信號分布特性;伺服系統(tǒng)的控制精度。常見的穩(wěn)頻方法主要有兩種：一種是利用原子分子的躍遷譜線，如蘭姆凹陷穩(wěn)頻、塞曼穩(wěn)頻、分子飽和吸收穩(wěn)頻；另一種是利用光學片振腔的共振譜線穩(wěn)頻，即PDH穩(wěn)頻技術。PDH技術是20世紀80年代發(fā)展起來的激光穩(wěn)頻技術，它利用光學諧振腔的共振頻率作為參考頻率標灘。該項技術的原理是將激光進行射頻電光相位調制，利用F-P腔的共振特性和光外差光譜告檢測技術，得到具有良好鑒頻特性的色散型曲線，以及鑒頻得到激光的頻率；F-P腔共振頻率的誤差信號，通過反饋系統(tǒng)來控制激光的腔長，進而改變激光的頻率，將激光頻率鎖定在光學諧振腔的共振頻率。采用該技術鎖定激光器的頻率穩(wěn)定性主要由F-P腔長變化，探測器的噪聲和伺服控制系統(tǒng)的控制精度決定。PDH技術的優(yōu)點在于:(l)由于F-P腔可以具有極高的Q值，能滿足窄線寬激光穩(wěn)頻的要求;(2)F-P腔幾乎能適合各種波長的激光系統(tǒng)，而不是局限在某一特定的波長上;(3)由于參