原子干涉激光技术锁定
激光的调Q与锁模
03 锁模技术
锁模技术的原理
锁模技术是一种控制激光脉冲宽度和重复频率的方法，通过在激光振荡 过程中引入周期性的相位调制，使得激光脉冲在时间上被压缩和固定。
锁模技术利用了激光的相干性，通过在激光腔内引入一个或多个调制器， 对激光的相位进行调制，使得激光脉冲在时间上呈现出周期性的变化。
锁模技术
通过在激光器中引入光学反馈，使激光器的多个纵模同时振荡并保持相位锁定状 态。通过控制反馈强度和频率，可以调节脉冲宽度和重复频率，从而实现超短脉 冲激光输出。
技术特点的比较
调Q技术
调Q激光器结构简单，脉冲能量较高 ，但脉冲宽度较大，通常在毫秒量级 。调Q技术适用于需要高功率脉冲激 光的场合，如材料加工、医疗美容等 。
激光的调q与锁模
目录
• 激光基础知识 • 调Q技术 • 锁模技术 • 调Q与锁模技术的比较 • 调Q与锁模技术的发展趋势
01 激光基础知识
激光原理简介
激光原理
激光是受激发射放大原理产生的相干光。在激光器中，通过外部激励源激发原 子或分子从低能态跃迁到高能态，再通过受激辐射放大实现光的放大。
激光产生过程
随着超快激光技术的进步，锁模技术能够实现更短脉冲宽度和更高重复频率的激光输出， 为科学研究、工业应用等领域提供更多可能性。
锁模技术的集成化与小型化
为了满足不同应用场景的需求，锁模技术将进一步实现集成化和小型化，便于携带和使 用。
锁模技术在光通信、光谱分析等领域的应用拓展
锁模技术能够产生超短脉冲激光，具有极高的时间分辨率和光谱分辨率，因此在光通信、 光谱分析等领域具有广泛的应用前景。
激光原理与激光技术
激光原理与激光技术激光（Laser，即Light Amplification by Stimulated Emissionof Radiation）原理是指利用原子、分子或离子等粒子通过受激辐射发射光子，从而引起其他粒子产生受激辐射的过程，从而使辐射出的光具有相干性、单色性和直线性等特点。
激光技术是基于激光原理的一种应用技术，广泛应用于科学研究、通信、医疗、材料加工、军事等领域。
它具有高度单色性、方向性和相干性等特点，能够产生高亮度、高纯度的单色激光束，并可以进行定向传输、聚焦和控制。
激光原理主要通过三个步骤来实现：激发、放大和光学反馈。
首先是激发过程。
将能量输入到激光介质中，使其处于一个激发态。
这可以通过电子束、光束或电流等方式来实现。
然后是放大过程。
在激发态下，原子、分子或离子等受激发射出来的光子会与其他处于低能级的粒子相互作用，导致这些粒子也被激发至高能级。
这个过程将光子从激光介质中放大，使其能量不断增加。
最后是光学反馈。
在放大过程中，要控制光的传播方向和放大程度，需要将部分放大的光子反馈回激光介质中，形成一个正反馈的光学腔。
这个腔可以是一个反射镜和光学波导等结构，它能够使激光束在垂直方向上相互干涉，进而形成一束单色、单一模式的激光。
激光技术可以广泛应用于科学研究。
激光器的单色性和方向性使得其在光谱学、光学干涉、光学光谱分析等领域有着重要应用。
例如，在拉曼光谱仪中，激光光源通过与样品相互作用，可以提供样品的分子振动信息。
激光技术在通信领域也有着重要的应用。
光纤通信使用激光器作为光源，激光器发出的激光信号可以在光纤中传输，并在接收端被转换为电信号。
激光技术的高方向性和低衰减特性使得光纤通信成为现代通信领域的重要技术。
医疗领域也广泛应用了激光技术。
激光可以用于激光手术、激光治疗以及激光检测等方面。
激光手术是通过高能量的激光束来以非接触、非侵入的方式切割、燃蚀或疏通病变组织。
激光治疗则是利用激光的光热效应和生物刺激效应来达到治疗目的。
激光干涉原理
激光干涉原理激光干涉是利用激光的相干性进行测量和实验的一种重要方法。
激光干涉原理是基于光的干涉现象，通过将激光光束分为两部分，然后使它们在空间中交叉叠加产生干涉图样，从而获得所需的信息。
激光干涉的基本原理可以用两束光的干涉来解释。
首先，我们需要了解光的干涉现象。
干涉是光的两束或多束波相互叠加形成的现象。
当两束光波相遇时，根据光波的波动性质，它们会产生相干干涉。
干涉的结果取决于两束光波之间的相位差。
激光干涉实验中，我们通常使用的是分束器。
分束器是一种光学元件，可以将激光光束分为两束。
其中一束作为参考光束，直接到达干涉屏或检测器，另一束通过样品或待测物体后再到达干涉屏或检测器。
当两束光波相遇时，它们会产生干涉现象。
在干涉屏或检测器上观察到的干涉图样可以提供很多有用的信息。
其中最常见的是干涉条纹。
干涉条纹是一种由光的干涉现象形成的明暗相间的条纹图案。
干涉条纹的形状和间距可以反映出被测物体的形态、表面形貌、折射率等信息。
激光干涉还可以用于测量物体的位移、形变等参数。
当物体发生位移或形变时，干涉图样也会发生变化。
通过分析干涉图样的变化，可以计算出物体的位移或形变量。
激光干涉在工程和科学研究中有着广泛的应用。
例如，在精密测量领域，激光干涉被用于测量微小的位移、形变和振动等参数。
在光学制造中，可以利用激光干涉来检测光学元件的形状和表面质量。
在材料科学中，激光干涉可以用于研究材料的力学性质和变形行为。
激光干涉的精度和灵敏度取决于激光的相干性。
相干性是指光波的相位和振幅在时间和空间上的稳定性。
激光具有非常高的相干性，因此可以产生清晰的干涉图样。
此外，激光的单色性和方向性也有助于提高干涉实验的精度和可靠性。
激光干涉原理是利用激光的相干性和干涉现象进行测量和实验的一种重要方法。
通过将激光光束分为两束，然后使它们在空间中交叉叠加产生干涉图样，可以获得所需的信息。
激光干涉在精密测量、光学制造、材料科学等领域有着广泛的应用。
激光器自动锁频方法研究综述
激光器自动锁频方法研究综述张晓菁，白金海∗，胡栋（航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）摘要：介绍了激光自动锁频的意义与目的，阐述了实现激光自动锁频的算法和常用的光学频率参考，分析了不同算法和频率参考的区别和优劣，探讨了在自动领域下实现激光锁频需要解决的问题和方法，指出了有待加强的领域，提出了部分仍待解决的困难，得出了当前激光自动锁频领域的发展方向和改良趋势，为激光器自动锁频的后续研究提供了参考。
关键词：自动锁频；激光器；频率锁定；闭环反馈；自动控制中图分类号：TB939；TP29；O56 文献标志码：A 文章编号：1674-5795（2024）01-0060-13 Review of automatic frequency locking methods for lasersZHANG Xiaojing, BAI Jinhai∗, HU Dong(Changcheng Institute of Metrology ＆ Measurement, Beijing 100095, China)Abstract: Introducing the significance and purpose of laser automatic frequency locking, expounds the algorithm of laser automatic frequency locking and common optical frequency references, analyzes the differences and advantages and disadvantages of different algorithms and frequency references, discusses the problems and methods to solve in the field of laser automatic frequency locking, and obtains the development direction and improvement trend of the current laser automatic frequency locking field. The areas to be strengthened are pointed out, and some difficulties to be solved are put forward, which provides a reference for the subsequent research on automatic frequency locking of lasers.Key words: automatic frequency locking; laser; frequency locking; closed‐loop feedback; automatic control0 引言激光是二十世纪的重要发明之一，利用受激辐射产生激光的装置被称为激光器，自20世纪60年代世界上第一台红宝石激光器被发明以来，激光因其相干性、单色性、方向性好等优势，在激光加工、激光成像、战术武器、大气通信、干涉测量等领域中被大量运用，是现代社会生产生活和科学研究的重要工具［1-3］。
使用激光技术的物理实验技术使用方法
使用激光技术的物理实验技术使用方法激光技术是现代物理实验中广泛应用的一项重要工具，它具有独特的特点和广阔的应用领域。
本文将介绍一些常见的物理实验使用激光技术的方法，并探讨其在实验中的应用。
一、激光干涉实验激光干涉实验是一种基于激光的干涉现象进行研究的实验方法。
通过使用激光器和分束器，可以产生出非常稳定和单色的激光光束，从而使得干涉条纹更加清晰和稳定。
激光干涉实验在精密测量、光学元件表征和光学材料性能研究等领域都有着广泛的应用。
二、激光光谱实验激光光谱实验是通过激光技术将样品激发产生的光谱进行研究的一种方法。
激光光谱实验可以使用激光来激发样品分子或原子的特定能级跃迁，然后测量产生的特定波长的荧光或吸收谱线。
激光光谱实验在分子结构研究、材料表征和环境污染监测等方面具有重要应用价值。
三、激光冷却实验激光冷却实验是利用激光技术将气体或原子束冷却到极低温度的一种实验方法。
通过激光束对气体或原子束进行辐射，可以使其动能减小，从而达到冷却效果。
激光冷却实验在量子物理、原子物理和凝聚态物理等领域都有着重要的应用，尤其对于研究玻色-爱因斯坦凝聚等超冷原子现象起到了关键作用。
四、激光干扰实验激光干扰实验是一种利用激光光束对物体进行探测和成像的实验方法。
通过对射入物体的激光光束进行探测，可以获得物体的形状和表面特征的信息。
激光干扰实验在光学成像和精密测量中有着广泛的应用，如激光干涉断层扫描成像技术在医学影像学中的应用。
五、激光光刻实验激光光刻实验是利用激光技术对光敏材料进行加工的一种方法。
通过对光敏材料进行激光照射和化学处理，可以制造出微米级别的结构和器件。
激光光刻实验在集成电路制造、微纳加工和光子学器件制备等领域都有着重要的应用，是现代电子和光学工业中不可或缺的一项技术。
六、激光原子束实验激光原子束实验是利用激光束对原子束进行控制和操纵的一种方法。
通过对原子束进行激光辐射，可以改变原子束的运动和内部能级结构，从而实现对原子束的操控。
物理实验技术中的原子物理实验方法与技巧
物理实验技术中的原子物理实验方法与技巧近年来，原子物理实验技术的发展取得了巨大的突破，为我们更深入地认识原子结构和相互作用提供了重要的手段。
本文将介绍一些原子物理实验中常用的方法和技巧，以及它们在实验研究中的应用。
一、光谱分析和激光技术光谱分析是研究原子结构和能级的重要手段，而激光技术则为光谱分析提供了高精度和高分辨率的实验工具。
激光的单色性和定向性使得它可以选择性地激发和探测特定能级的原子，从而得到物质的微观结构信息。
例如，激光冷却技术利用激光光束对原子进行冷却，降低原子的热运动，使其达到低温状态，从而实现冷原子的物理实验研究。
二、原子精细结构测量原子的精细结构是指原子能级的微小分裂和能级跃迁的细节。
测量和研究原子的精细结构可以揭示物质的基本性质和相互作用规律。
典型的实验方法包括光学共振、自由光谱等。
通过调节激光的频率，可以实现对原子精细结构的精确测量。
这些实验方法为原子物理实验提供了有力的工具和手段。
三、原子干涉技术原子干涉技术是一种实验方法，它通过利用原子的波动性，观察原子在区域间的干涉现象，从而研究原子的性质和相互作用。
例如，干涉实验可以用来研究原子的相对相位和动量分布等。
近年来，原子干涉技术的发展进一步拓宽了我们对原子行为的认识。
四、原子操控技术原子操控技术是指通过外部场或局域介质等方式改变原子的位置、能量和自旋等。
通过操控原子，我们可以实现原子的单个探测、精细测量或者量子信息处理等。
例如，通过局域电场操控原子的自旋，可以实现原子的量子比特，从而用于量子计算和量子通信等应用。
五、原子力显微镜技术原子力显微镜（AFM）技术是一种利用原子间相互作用力进行成像的技术。
它通过探测和测量原子之间的相互作用力，可以实现对物质表面的高分辨率成像。
原子力显微镜技术广泛应用于材料科学研究、纳米技术和生物医学等领域，为我们深入了解物质的微观结构和性质提供了重要工具。
以上所介绍的原子物理实验方法和技巧只是其中的一部分，它们在物理学研究中的应用非常广泛。
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
激光干涉实验技术的干涉图像解析与处理方法
激光干涉实验技术的干涉图像解析与处理方法激光干涉实验技术是一种重要的光学实验手段，广泛应用于光学测量、光学成像等领域。
在进行激光干涉实验时，我们常常需要对干涉图像进行解析与处理，以获得所需的信息。
本文将介绍一些常见的干涉图像解析与处理方法，希望能给读者带来参考和启发。
首先，对于激光干涉实验中获得的干涉图像，我们需要进行图像分析，以获取感兴趣区域的干涉条纹信息。
常见的方法包括调整图像的对比度和亮度，以增强图像的清晰度和可读性。
可以使用图像处理软件进行调整，也可以使用物理方法，如调整光源的亮度和方向等。
在获得干涉条纹信息后，我们可以利用干涉图像的特点来进行进一步的处理。
例如，干涉条纹的间距和相位信息与被测物体的形状和表面变化有关。
通过对干涉条纹进行分析，我们可以获得被测物体的形态和表面高度信息。
常用的方法包括傅里叶变换和小波变换等。
傅里叶变换是一种常见的信号处理方法，可以将信号从时域转换到频域。
在干涉图像处理中，我们可以将干涉条纹信号进行傅里叶变换，得到条纹的频谱信息。
通过对频谱进行分析，我们可以获取干涉条纹的间距和相位信息。
这对于测量被测物体的形态和高度分布非常有用。
小波变换是一种时频分析方法，可以将信号在时域和频域同时进行分析。
在干涉图像处理中，我们可以利用小波变换来对干涉条纹进行分析。
小波变换具有局部性和多分辨率特点，能够更好地提取干涉图像中的细节信息。
通过对干涉图像进行小波变换，我们可以获取局部形态和高度信息，从而更准确地测量被测物体。
除了傅里叶变换和小波变换，还有许多其他的图像处理方法可以用于干涉图像的解析与处理。
例如，自适应滤波方法可以根据图像的局部特征来选择合适的滤波算法，以提高图像的清晰度和对比度。
形态学图像处理方法可以利用形状和结构信息来分析干涉图像中的特征，并进行目标的检测和测量。
这些方法都可以为干涉图像的解析与处理提供更多的选项和可能性。
总结起来，激光干涉实验技术的干涉图像解析与处理需要结合图像分析和信号处理的方法，以获得所需的信息。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
主激光器经过高频声光晶体移频后得到功率分别3mw和4mw的士1级光,分别注入两个输出功率为80mw的半导体激光管,实现了两个从激光器的注入锁定。
两个从激光器的频差为,在200MHz频率范围内频差线性变化,功率稳定,满足冷原子干涉仪的实验要求。
2实验装置实验原理如图1所示,主激光器用外腔反馈半导体激光器(ToPtica,DLllo),激光波长为780mn,输出功率为36mw,主激光通过一个直径为
50mm的大透镜聚焦到的高频声光调制器(,GPF一1500一200一780),经过往返两次调制后的衍射效率可以达到20%。
主激光通过声光移频后得到士1级衍射光,将70%透过的零级光用全反镜反射后原路返回,重新通过声光移频得到一1级衍射光。
微波源(Agilent,E8257C一PSG)驱动声光调制器,驱动频率为,因此,士1级衍射光的频率差为。
我们将士1级衍射光(注入光)分别注入两台从激光器,从激光器采用自制的半导体激光器,用自主研发的电流控制电路和温度控制电路控制半导体激光管[z0],用非球面镜(ThorlabS,c230TME一B)对激光管(ThorlabS,DL741o一205)输出的激光束进行准直。
在注入锁定过程中,先把注入光与从激光器的输出光调重合,用波长计观测从激光器的波长,通过调节从激光器的驱动电流和温度控制,使从激光器的输出波长在780nm附近,用三角波扫描主激光器,同时观察主激光器和从激光器的吸收谱线,通过微调从激光器的电流,将从激光器调节到最佳模式,实现两个从激光器和两个注入光的激光模式完全匹配,此时,两个从激光器的频率完全依赖于主激光器,功率为从激光器自身输出功率,实现了拉曼光激光功率的有效放大。
完成注入锁定后,将两个从激光器输出的激光通过偏振分束棱镜藕合到保偏光纤,送到原子干涉区。
拉曼光的相对光强可以通过入/2波片调节,以消除acStark频移睁‘]。
在冷原子干涉实验过程中,采用偏振光谱稳频技术,将主激光器锁定在”SRb原子的护S!/ZF=3一52P华Fl二2,3的交叉峰上。
3实验结果当从激光器被注入锁定后,利用三角波对主激光器进行外腔扫描,可以得到Rb原子的吸收谱线,两台从激光器被主激光器经过声光调制器移频后的士1级光分别注入锁定,主激光器 (masterlaser箭头标示位置)和士1级光被注入锁定后的两个从激光器 (slaverlaserl和 slaverlaserZ箭头标示位置)的吸收谱线如图2所示,可以看出,主激光器与从激光器被注入锁定后的吸收谱线(ssRb原子5251/2,F=3一5“P3/2,F’跃迁)的形状一致,两台从激光器被主激光器经过声光调制器移频后分别注入锁定,从激光器相对于主激光器的频率分别左、右失谐,由此可以看出两个从激光器被完全注入锁定。
两个从激光器的频率完全依赖于主激光器,频率相差,为““Rb原子超精细结构基态能级的微波跃迁频率,相位保持相对稳定,同时两个从激光器相对“SRb原子的DZ线负失谐,实现了大失谐的拉曼光激光系统,可以实现原子干涉仪中波包的相干操作。
我们将两个从激光器的输出激光进行拍频,用25GHz快速响应光电二极管(New-foclls1434一25G)进行探测,用频谱仪观察到的拍频信号如图3所示,在附近的拍频峰半高宽约为17kHz,信噪比优于55dB. 在主激光器的功率为的情况下,拉曼光经过光纤藕合后总的输出功率为4(i8mw,其中+1级光输出功率为,一1级光为,两束拉曼光的光强比例为1:[al}。
用微波源对拍频信号进行扫描,拍频信
号的频率随着微波源的扫描频率线性变化,如图4所示,实心圆点曲线为拍频信号中心频率变化,中空方块曲线为拍频信号的功率随着微波源扫描频率的变化关系,可以看出在200MHz的频率扫描范围内,拍频信号的功率保持相对稳定。
由于主激光器被正负移频后注入从激光器,因此拉曼光拍频信号的频率是微波源扫描频率的两倍,通过拍频信号的强度可以判断从激光器是否被完全锁定。
我们用频谱分析仪实时监测拍频信号的频率和功率,两个从激光器被完全注入锁定长达几十个小时。
4结论我们利用注入锁定技术实现了拉曼光的功率放大,克服了用高频声光调制器产生的拉曼光功率较低的问题,在原子干涉仪实验中,使更多的原子参与到波包相干操作过程中,提高了冷原子干涉仪的条纹对比度,为冷原子干涉仪在精密测量领域中的应用奠定了技术基础。