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毕业设计说明书
基于F-P腔的激光器稳频技术
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2013年6月
基于F-P腔的激光器稳频技术的研究
摘要
线宽稳频激光器在高分辨光谱、基本物理常数测量、冷原子系统和光学频率标准等研究领域有着重要的应用。
为了获得频率稳定且窄线宽的激光,可以采用PDH技术将激光频率锁定在高精细度光学谐振腔的共振频率上。
本文主要以PDH技术为手段,开展了对激光器频率稳定特性的理论和实验研究。
本文回顾了PDH技术的原理和特点,从理论上分析了电光相位调制的调制频率、调制度对光学谐振腔相位调制光外差光谱色散型谱线线型和鉴频曲线斜率的影响.实验上,测量了F-P腔的相关参数。
建成了利用PDH技术的激光稳频系统,将激光器的频率锁定在F-P腔的共振频率上。
通过实验结果表明,锁定在光学参考腔上激光器的频率稳定度为量级(1s积分时间)和量级(100s积分时间),实验还观测了温度变化所引起的频率漂移情况。
关键词:
光外差光谱,PDH技术,F-P腔,电光相位调制,激光稳频
BasedonF-Pcavitylaserfrequencystabilizationtechnologyreserch
Abstract
Linewidthlaserfrequencystabilizationinhigh-resolutionspectroscopy,thebasicphysicalconstantsmeasurements,coldatomsystemsandopticalfrequencystandardsresearchhasimportantapplications.InordertoobtainstablefrequencyandnarrowlinewidthlaserPDHtechnologycanbeusedinthelaserfrequencyislockedhighfinesseopticalresonatorattheresonantfrequency.ThispapermainlyPDHtechnologyasameanstocarryoutonthelaserfrequencystabilitycharacteristicsofthetheoreticalandexperimentalresearch.
ThispaperreviewstheprinciplesandcharacteristicsofPDHtechnology,fromthetheoreticalanalysisofelectro-opticalphasemodulationmodulationfrequency,modulationphasemodulationoftheopticalresonatoropticalheterodynespectroscopydispersivespectrallineandtheslopeofthefrequencydiscriminator.Experimental,theproductionofelectro-opticalphasemodulatorandtheF-Pcavity,measuringtherelevantparametersoftheF-Pcavity.PDHtechnologybuiltusingthelaserfrequencystabilizationsystem,laserfrequencylockedF-Pcavityresonancefrequency.Thelaserfrequencystabilizationthroughwithanotherusingtwolongitudinalmodefrequencystabilizationoflaserbeatfrequency,resultinginlockingtheF-Pcavitylaserfrequencystability.Experimentalresultsshowthatthelockingcavityintheopticalreferencefrequencystabilityofthelaserisorder(1sintegrationtime)andorder(100sintegrationtime),experimentsalsoobservedtemperaturechangescausedbythefrequencydrift.
Keywords:
opticalheterodynespectroscopy,PDHtechnology,F-Pcavity,electro-opticalphasemodulation,laserfrequencystabilizatio
1绪论
1.1研究背景与意义
激光由于具有良好的单色性及相干性,被广泛应用于精密激光光谱和精密计量等诸多研究领域。
频率稳定度极高的激光器已在计量研究领域提供长度基准和时间频率标准。
自由运转的激光器因受到外界振动、温度起伏等因素的扰动,导致激光频率随时间变化,难以满足精密计量等应用上的要求。
要使激光频率稳定输出就必须利用激光稳频技术,采取一定的措施来减小外界扰动所引起的激光频率漂移。
实现激光频率稳定性的提高,通常可以选取一个频率参考标准,通过激光频率与频率参考标准进行比较,得到激光频率偏离频率参考标准的误差信号,通过伺服控制系统和执行机构调整激光器的某一参数,使激光频率锁定在频率参考标准上,从而获得频率稳定的激光。
常用的稳频频率参考标准主要有两类:
一类是以原子或分子的跃迁谱线中心频率作为频率参考标准;另一类以光学谐振腔的共振频率作为频率参考标准。
早在1946年,R.V.Pound就首先采用微波谐振腔[1]现微波频率稳定。
由于光学谐振腔可以设计成具有极高的Q值,可提供窄共振谱线以及能满足各种特定波长等优点,所以它成为实现窄线宽激光稳频的一个有效的方法。
20世纪80年代初,华东师范大学马龙生教授和J.LHall合作发展起来的调制转移光外差光谱是一种高灵敏的激光光谱技术,并成功地将该光谱技术用于实现高精度激光稳频。
该技术通过相位调制光场与非线性介质的四波混频作用过程实现调制信号从调制光束转移到未调制光束,再经过光外差检测及相敏解调过程,得到无多普勒背景的超精细结构光谱信号,可作为优质的鉴频信号,实现高精度的激光稳频。
例如,在90年代末,美国科罗拉多大学天体物理联合实验室(JILA)采用该方法,实现了频率稳定度优于
量级的波长为532nmYAG固体激光器稳频[2]
而利用光学谐振腔的共振频率作为频率参考标准时,提供的是相对频率参考标准,其稳定度取决于腔的长度稳定性。
该方法源于微波频率稳定,早在1946年,RvPound就首先采用微波谐振腔用于实现微波频率稳定。
由于光学谐振腔可以设计成具有极高的Q值,可提供窄共振谱线以及能满足各种特定波长等优点,所以它成为实现窄线宽激光稳频的一个有效的方法。
20世纪80年代初,R.w.P.Drever和J.LHall等人成功地将激光频率锁定在光学参考腔的共振频率上,取得了线宽小于100Hz的稳频激光,以后人们一般把这种稳频方法称为Pound-Drever-Hall(PDH)稳频法[3],J.Hough与D.Hils等人通过把F-P腔放置在悬挂托架上,从而显著降低外界环境振动对腔体的影响,并把一台染料激光器锁定在此F-P腔上,通过对两套相同激光系统的输出光进行拍频,测得激光频率稳定度达到2.2×10-13(1s积分时间),线宽小于750Hz。
90年代初,TimothyDay等人把两个二极管泵浦Nd:
YAG激光器锁定在一个精细度F=27500的F-P腔上,得到两个激光器的拍频线宽为700mHz。
90年代末B.C.Young等人把563nm的染料激光器锁定在稳定且高精细度的F-P腔[4]细度F>150000),并把F-P腔置于V型槽中固定,将激光线宽压缩到600mHz,其频率稳定度为3×10-16(1s积分时间)。
2004年,美国JILA实验室将支撑点选取在竖直放置参考腔的中央,使腔的通光轴线与重力在一个方向,利用支撑面上下部分形变相消的原理来降低腔体的振动,使激光器的线宽压缩到0.7Hz(分辨率带宽为0.5Hz)。
2007年,A.D.Ludiow,X.huang等人采用热噪声极限下的被动光学谐振腔,将半导体泵浦的激光器线宽压窄至220mHz(分辨率带宽为150mHz)。
综上所述,由于F-P腔具有很高的稳定性和超窄的共振谱线宽度,并能满足几乎各个波段的激光稳频系统的要求。
所以采用PDH技术将激光锁定在光学谐振腔上具有其它技术无法相比的优势,可以得到极高的频率稳定性和Hz量级或者亚HZ量级的超窄输出线宽。
随着激光冷却技术的发展和应用,国际上许多小组在进行冷原子、单离子精密光谱检测和光钟系统的研究。
由于冷原子的跃迁谱线宽度在Hz或亚HZ量级,因此需要超窄线宽的激光作为探测光。
而采用PDH技术的稳频[5]能得到宽度在Hz或mHz量级的谱线,己成为冷原子精密光谱和光钟研究中关键的光源。
华东师范大学精密光谱实验室一直致力于激光器频率的稳定性研究。
先后采用包括饱和吸收光外差光谱、三次谐波探测技术、调制转移光外差光谱技术以及光学谐振腔内吸收增强调制转移光外差光谱技术,得到了碘分子在532nm附近的无多普勒背景的超精细结构光谱,并山此实现了激光频率的绝对锁定。
根据锁定误差信号分析,激光频率稳定度优于(1s积分时间)的频率高精度绝对锁定。
近年来,结合冷原子光钟研究,开展了超稳窄线宽激光系统研制工作。
采用振动免疫结构高精细度光学谐振腔(腔的精细度为F=300,000,采用超低膨胀系数的微品材料)和PDH稳频技术,将两台1064nmYAG激光器[6]定在两个独立竖直放置的参考腔上,实现了线宽为Hz量级的激光输出。
在此前提下研究PDH技术激光稳频特性,对于进一步提高稳频激光器的性能,为原子冷却及跃迁谱线探测提供实用的稳频激光,具有一定的意义。
1.2研究现状及发展前景
1.2.1F-P腔的研究现状和发展前景
光纤F-P干涉仪就是可调谐F-P滤波器的原型,它可以直接形成传感器,这种传感器可以是多光束干涉,也可以是双光束干涉;可以是白光干涉,也可以是单色干涉,该类型传感器在微弱应变、压力、位移的测量等方面,具有不可替代的位置,并已经形成产业。
同样,在军用光通信领域、军用光纤传感器技术领域,光纤F-P干涉仪也具有重要的应用价值,例如,光纤F-P干涉型水听器,水听器的复用,舰船的状态监测,飞行器的健康监测,大型建筑物的结构安全监测,储油罐的温度、压力监测,生化传感器等都要用到光纤F-P干涉技术。
利用光纤祸合器和光纤干涉仪的选频作用就可以制作出光纤滤波器,目前市面上的可调谐光滤波器[7]多,其中研究的比较多且具有实用价值的主要有以下几种:
Mach-Zenhder光纤滤波器,光纤光栅滤波器,声光滤波器,以及可调谐Fabry-Perot滤波器。
其中,由于F-P滤波器具有许多独特的优点而被广泛应用于光纤通信和光纤传感系统中,该滤波器的实用化研究也越来越受到人们的重视,是光纤技术推广应用的关键器件之一。
从整体性能上看,它具有极低的插入损耗,较宽的调谐范围,调谐速度也很快,同时能够保证较高的精细度,结构灵活可变,在实际工业使用中可做成不同结构来满足各种需求。
可调谐F-P滤波器在光纤光栅传感系统中用作解调器件,整个测量系统的性能都由其性能的好坏直接决定。
在光通信系统中,可调谐F-P滤波器[8]波分复用(WDM)的解复用及信号解调等,可与探测器,激光器,波长转换器结合使用进行波长探测、光源信道设定和波长转换,在光纤放大器中它被用作信号滤波器,而且在光纤激光器,光传感和测量领域中也有非常重要的应用。
目前世界上所广泛研究的F-P滤波器主要分为以下几类:
微型电动机械系统(MEMS)形式的F-P滤波器,光纤光栅型F-P滤波器,液晶型F-P滤波器,固体腔型F-P滤波器和光纤型F-P滤波器。
(1)MEMS型F-P可调谐滤波器
目前,在工业应用和实验研究报道中提及的MEMS型可调谐F-P滤波器[9]很多,它可以采用不同的材料和几何结构来制作。
本节主要介绍一种比较典型有代表性MEMS可调谐F-P滤波器,它采用的是薄膜材料的InP形成平面反射镜,中间腔体介质为空气,其垂直结构如图1.1所示。
该滤波器结构主要分为三个部分:
顶部和底部分别为不同掺杂的分布布喇格反射镜,中间为空气腔。
该滤波器的两端均为金属层。
首先制备出数层InP薄膜,层与层之间的空气隙厚度为4,InP薄膜的折射率和空气折射率的对比度非常高,一般只需制备几层薄膜就能够达到高于99%的反射率,这样的多层薄膜平行布置就形成了分布布喇格反射镜。
顶部和底部的分布式布喇格反射镜正对平行放置,中间介质为空气,形成了具有高反射率的F-P腔滤波器,可以很容易得到一个非常宽的抑制频带(1250-800nm)。
通过在上下两个分布布喇格反射镜上加载反偏电压可以产生静电力,在静电力的作用下腔长发生收缩,该方法能够持续调节滤波器的谐振波长,从而达到电压控制F-P腔的腔长调节的目的。
图1.1MEMS型F-P可调谐滤波器
该滤波器具有非常好的性能:
较高的精细度,以及相对较宽的自由光谱区,驱动电压低调谐范围大,抑制频带很宽。
现在有报道称己研制出性能能够达到自由谱区为630nm的F-P滤波器,加载3.2v电压就可实现140nm调谐范围,主要是应用于无线电通讯和光信号处理,以及可调谐激光器等方面。
另外也有采用化学方法辅助离子束蚀刻来制备F-P腔滤波器的研究,如图1.2所示,该短腔F-P滤波器是由GaAsP/InP波导制成,通过加载电流可以达到调谐波长的目的,调谐速度非常快,能够达到<3ns,同时其波长调谐与电流注入值表现出非常好的线性关系,可用于波分多址(WDMA)系统中高速处理信息包转换。
图1.2化学方法制备的短腔F-P滤波器结构
(2)惆啾光纤光栅F-P滤波器
如图1.3所示,在一个光纤上由两个线性惆啾的光纤光栅组成F-P腔从而形成惆啾光纤光栅F-P滤波器[10]器是全光纤结构器件,由光栅构成反射镜,中间的一段空白光纤将每个光栅隔开。
光纤中光栅的长度、折射率调制强度以及相关的惆啾参数共同决定该滤波器F-P腔的反射率和反射谱带宽,制作时要求光栅具有相同的惆啾系数和折射率调制深度。
光栅中调谐点会不断发生变化,入射光信号经过每个光栅反射镜后将形成色散,这种类型的光栅型F-P腔中产生的总的响应与普通的由两个平行平板反射镜组成的F-P谐振腔相似。
与块状滤波器相比,该全光纤型滤波器可与光纤设备达到更高的祸合效率,可用于信号解调、WDM系统的解复用,以及CWDM系统中的频率编码等方面。
图1.3惆啾光纤光栅型F-P滤波器
(3)液晶型F-P可调谐滤波器
液晶F-P可调谐滤波器[11]构如图1.4所示,该结构类似于一个标准具(Etalon),F-P腔中间的介质为液晶,两边为平行的玻璃衬底,液晶与玻璃衬底相对的表面上分别镀上多层介质高反膜和透明电极,一般为了降低损耗也会增加一个准直层,这样就形成了液晶型F-P滤波器。
利用液晶分子的双折射效应,通过改变两电极间的电场来调谐液晶分子的晶相排列方向,进而改变介质折射率并实现滤波功能。
采用这种方法调谐滤波器的中心波长,其调谐速度非常快。
图1.4可调谐液晶FP滤波器的基本结构
只是液晶分子为双折射材料,这样就使可调谐F-P滤波器成为与偏振相关的器件。
同时,该滤波器属于块状结构,与光纤的祸合损耗较大,液晶本身也存在散射损耗与吸收,目前研究得到的器件自由光谱范围在50nm左右,插入损耗为4dB,分辨率很大,多在0.17一0.4nm范围内。
材料的温度特性也会影响器件的性能。
这种可调谐F-P滤波器多用于WDMA光网络系统中作为信号解调器,也可用于可调谐激光器中作为调谐元件,或是用在光谱成像系统中进行目标识别。
(4)固体腔型F-P滤波器
在武汉理工大学的一个实用新型专利中涉及到一种典型结构的固体腔型F-P滤波器[12]器结构如图1.5所示,固体腔中介质为PMN-PT透明光电陶瓷,这种驰豫材料属于钙钦矿型多晶结构,具有各向同性的最小能量稳定结构和容易扭曲的电场。
在外电场作用下,所有的畴都倾向于外电场排列,即发生极化,光就会产生双折射,从而表现出很强的电光效应。
输入光波在通过前准直器后变成平行光,该平行光穿过前透射膜2和前反射膜3后,进入镀有前透明电极4的PMN-PT光电透明陶瓷块体5中,PMN-PT光电透明陶瓷块体5和前反射膜3、后反射膜8形成了法布里-泊罗腔,光波在其中发生双折射效应,并且伴随有由反射形成的多光束干涉;光波经法布里-泊罗腔后,穿过后反射膜8、后透射膜9再传输到后准直器10上面,从而得到输出光波。
同时,利用PMN-PT光电透明陶瓷的光电效应,在透明电极上施加外电场,通过改变外加电场强度来改变光电透明陶瓷的折射率,可达到折射率调谐的目的,从而产生滤波器可调谐滤波的作用。
图1.5固体腔型F-P滤波器结构示意图
(5)光纤型F-P滤波器
国内外关于光纤型可调谐F-P滤波器[13]展了几十年,期间发明了许多结构滤波器的制备方法,研制最多并写入教材中的主要结构有三种,其区别就是能够满足不同自由光谱区(FSR)的需要并降低该滤波器的插入损耗。
图1.6就是这三种光纤型可调谐滤波器的结构示意图,图1.6(a)显示的就是光纤波导腔型F-P滤波器。
在光纤两端面直接镀上高反射率薄膜,入射光在光纤中发生多光束干涉,这样就由光纤本身构成F-P谐振腔,将这一段光纤缠绕在PZT压电陶瓷上,通过外加电场作用于压电陶瓷并拉伸光纤从而调节F-P腔的长度。
但由于受到结构限制,一般F-P腔长从厘米到米量级不等,造成该结构的自由光谱区(FSR)非常小。
图1.6光纤可调谐F-P滤波器的结构示意图
图1.6(b)显示的是空气隙型F-P滤波器,F-P腔中介质为空气,也是直接在两个平行正对的光纤端面上镀高反射膜,这两个平行端面与其间的空气介质一起组成F-P腔。
通过支撑结构将压电陶瓷与一端或两端光纤固定,外加电场作用于压电陶瓷产生伸缩形变,于是引起光纤端面反射镜也沿轴向运动,腔长随之改变。
这种结构的光纤F-P滤波器的自由光谱区范围较大,一般腔长都小于10m,但是其插入损耗较大。
D.Marcuse等人经过研究讨论后指出,损耗过大是因为开腔的模场分布与光纤的模场分布不匹配,J.stone等人利用大模场与光纤模场的匹配,制备出插入损耗为4.3dB的可调谐F-P滤波器,其精细度是100,光纤模场半径是7.15m,腔长是7.
图1.6(c)显示为改进型波导腔F-P可调谐滤波器,它是由上述空气介质型腔滤波器演变发展起来的,直接在F-P腔内加入一段光纤波导,可以通过改变波导段的长度来调整滤波器的自由谱区范围(该波导长度一般为100到厘米量级),该结构形成的F-P腔长可以大于10,解决了光纤与空气介质的模式失配和插入损耗较大的问题,有效的降低了插入损耗。
J.Stone等人报道了细度为1000,插入损耗为4dB的滤波器研制结果。
但是由于该结构采用三段波导,增加了器件制作工艺步骤和加工难度,难以大规模产业化推广应用。
针对F-P滤波器普遍存在祸合损耗和衍射损耗较大的问题,研究中往往在滤波器结构中加入自聚焦透镜组成藕合型结构,如图1.7所示。
这种结构可分为两类:
一种是在F-P标准具两端直接增加自聚焦透镜,起到准直、聚焦的作用;另一种是由两个自聚焦透镜平行对准形成F-P腔,直接在其两个平行端面上镀高反射膜就形成了F-P滤波器,该结构的腔长调谐范围较大。
图1.7自聚焦透镜光纤F-P可调谐滤波器
光纤型F-P可调谐滤波器中的光信号全部是通过光纤输入和输出,这样降低了解调设备的接入损耗,也有利于光通信系统的全光纤化,其自由谱区覆盖范围很大、分辨率高、带宽窄、结构灵活可变,而且调谐简单,精细度可以做到上千。
不足之处是其结构稳定性不高,对温度和振动较敏感,但由于设计和制作工艺方面的进步,光纤F-P滤波器的性能有了很大提高。
现在世界范围内,美国企业是光纤F-P可调谐滤波器的主要供应商,其技术领先,且积累了深厚的产业化生产经验,目前己经研制了几千种光纤F-P可调谐滤波器,可用于信道监视、OADM、光学噪声滤除等。
上述的这些不同种类的可调谐Fabry-Perot滤波器[14]点,在实际使用中可根据不同的应用需要来选择不同性能的器件。
近年来我国的光通信技术和光纤传感技术得到迅猛发展,随着光网络复杂化和光纤传感精度的不断提高,作为其核心器件的光纤F-P滤波器,人们对其各项综合性能以及成本控制提出了更高的要求,目前国内外关于可调谐Fabry-Perot滤波器的研究朝着调谐范围更广,精细度更高,调谐速度更快,损耗更低的方向发展,另外器件的微型化,低成本也是研究的重点,本论文就是在低成本控制下展开对光纤型F-P滤波器的高性能研究。
1.2.2激光器稳频的发展现状及前景
半导体激光器广泛应用于光纤传感和光纤通信等领域,它的频率受周围环境的影响很大,作为通信光源频率波动会给信道带宽造成很大的浪费,同时限制了长距离传感的应用,因此,半导体激光器的稳频至关重要。
以下为几种常见稳频方法的特点和发展趋势。
(1)原子或分子线稳频
原子或分子线稳频[15]子线稳频主要是利用原子或分子的饱和吸收特性。
将激光器的频率锁定在原子或分子的饱和吸收峰上,使激光器的频率保持稳定。
基本原理为:
对激光器的频率进行调制,产生误差信号。
将误差信号反馈到激光器实现了将激光器的频率稳定到原子或分子的饱和吸收峰,达到稳频的目的。
人们利用多种原子、分子以及不同的实验装置实现了饱和吸收法稳频。
目前,用原子或分子饱和吸收法稳频广泛应用于冷原子实验等各个领域。
图1.8为典型的原子饱和吸收稳频的实验装置图。
输出
耦合器
隔离器
布拉格光栅
气室
激光器
压电陶瓷
直流
光谱分析仪
示波器
2f1滤波器
高压放大器
f1
~
耦合器
光电探测
锁相放大器
f1
3f1滤波器
鉴相仪
×3
~
图1.8原子饱和吸收稳频的实验装置图
实验装置中使用了三次谐波锁定技术,主要是用于消除由于饱和吸收峰的顶点偏离原子吸收线的中心频率而造成的复现性变差的现象。
这项技术用基频f1调制激光频率,与经过f3滤波后的信号一同送入鉴相器,反馈到激光器的恒流驱动部分,通过控制电流的大小来稳定激光器的频率。
该实验装置具有较好的频率稳定性,能够达到10-10的频率稳定度。
由于实验装置中使用了三次谐波的频率锁定技术,使鉴相器在3倍频下工作,消除了背景功率的影响,提高了饱和吸收光谱信号的信噪比,从而大大提高了半导体激光器的频率锁定灵敏度和长期稳定性。
不过这种稳频的方法实验结构比较复杂,而且短期稳定性不好。
(2)法布里-珀罗(F-P)腔稳频
偏振分束棱镜电子科学与技术
F-P腔具有很高的稳定性和超窄的共振谱线宽度,而且能够满足各个波段激光稳频的需要,所以采用相位调制光外差(PDH)技术将激光频率锁定在光学谐振腔的共振频率上,可以得到极高的频率稳定性和Hz量级或者亚Hz量级的超窄输出线宽。
随着激光冷却技术的发展和应用,国际上许多小组在进行冷原子、
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