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。
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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。