北京优立光太科技有限公司 UniQuanta 实验十三激光稳频实验 实验目的: 1)掌握饱和吸收光谱产生的基本原理,掌握激光稳频的基本原理; 2)学会搭建用于观测饱和吸收光谱的光学系统和电学系统,并得到其光谱 3)通过调节光强等参数观察饱和吸收光谱的变化规律; 4)通过实验加深对原子结构的认识,并为进一步的饱和吸收稳频实验打下基 5)学会搭建用于激光稳频的光学系统和电学系统,并得到用于稳频的频率误 差信号 6)通过调节调制频率的相位等参数观察误差信号的变化规律,最后优化各种 用于稳频的参数并将激光频率锁定于8Rb原子的跃迁线中心 7)学会激光频率锁定的方法。 二.实验器材: 1光栅外腔半导体激光器,、光隔离器 2饱和吸收光路; 3.激光器电源、光电探测器、示波器等。 实验原理: 图1.1为稳频激光系统的整体内部结构图,我们把它分为:激光主振(见 实验十二),隔离器和饱和光路三部分 激光器的控温 控流和PZT Isolator Mirror 2 oscillosce 3.饱和吸收光路
北京优立光太科技有限公司 实验十三 激光稳频实验 一．实验目的： 1）掌握饱和吸收光谱产生的基本原理，掌握激光稳频的基本原理； 2）学会搭建用于观测饱和吸收光谱的光学系统和电学系统，并得到其光谱； 3）通过调节光强等参数观察饱和吸收光谱的变化规律； 4）通过实验加深对原子结构的认识，并为进一步的饱和吸收稳频实验打下基 础。 5）学会搭建用于激光稳频的光学系统和电学系统，并得到用于稳频的频率误 差信号； 6）通过调节调制频率的相位等参数观察误差信号的变化规律，最后优化各种 用于稳频的参数并将激光频率锁定于 87Rb 原子的跃迁线中心； 7）学会激光频率锁定的方法。 二．实验器材： 1.光栅外腔半导体激光器，、光隔离器； 2.饱和吸收光路； 3.激光器电源、光电探测器、示波器等。 三．实验原理： 图 1.1 为稳频激光系统的整体内部结构图，我们把它分为：激光主振（见 实验十二），隔离器和饱和光路三部分。 3. 饱和吸收光路 41
北京优立光太科技有限公司 UniQuanta 饱和吸收光谱技术是一种在原子汽室中直接获得消除多普勒增宽的简便 激光光谱方法,它是一种高分辨率光谱,广泛应用于激光频率标准、激光冷却等 方面。饱和吸收光谱技术有效的消除了多普勒增宽对谱线的影响,实现了对亚多 普勒线宽的原子、分子气体样品的吸收谱线的探测。其基本物理原理是将传播方 向相反而路径重合的两束光(泵浦光与探测光)穿过气体样品,当激光频率扫描 到其原子或分子的精细能级的共振频率时,根据多普勒效应,只有在探测光路径 上速度分量为零的那部分原子或分子由于其多普勒频移为零,才能同时与泵浦光 和探测光发生共振相互作用,由于相对较强的泵浦光使这部分原子在基态的数目 减少,所以对探测光的吸收减少,因而谱线呈吸收减弱的尖峰即超精细跃迁峰 即是利用单色可调谐激光,将具有速度为零的原子从具有多普勒速度分布的原子 气体中选出,使其对激光的吸收产生饱和,形成饱和吸收光谱。图12铷原子的 饱和吸收光谱,图1.1中有其饱和吸收光路 Saturated Absorption Signal F-P Cavity Signal 1.5GHz 图12铷原子的780nm饱和吸收光谱 4.稳频原理 图13是半导体激光器的稳频系统,它由五大模块组成:可调谐半导体激光 器,精密电流控制,精密温度控制,PZT外腔驱动器,稳频电路系统(伺服环路)。 可调谐半导体激光器用于获得可以调谐的激光输出。精密电流控制主要是向激光 器供流,电流的精度要求很高,半导体激光器的电调率在GHz/mA的量级,所 以供电电流的起伏因控制在微安量级以下。精密温度控制是控制激光器中工作物
北京优立光太科技有限公司 饱和吸收光谱技术是一种在原子汽室中直接获得消除多普勒增宽的简便 激光光谱方法，它是一种高分辨率光谱，广泛应用于激光频率标准、激光冷却等 方面。饱和吸收光谱技术有效的消除了多普勒增宽对谱线的影响，实现了对亚多 普勒线宽的原子、分子气体样品的吸收谱线的探测。其基本物理原理是将传播方 向相反而路径重合的两束光（泵浦光与探测光）穿过气体样品，当激光频率扫描 到其原子或分子的精细能级的共振频率时，根据多普勒效应，只有在探测光路径 上速度分量为零的那部分原子或分子由于其多普勒频移为零，才能同时与泵浦光 和探测光发生共振相互作用，由于相对较强的泵浦光使这部分原子在基态的数目 减少，所以对探测光的吸收减少，因而谱线呈吸收减弱的尖峰即超精细跃迁峰。 即是利用单色可调谐激光，将具有速度为零的原子从具有多普勒速度分布的原子 气体中选出，使其对激光的吸收产生饱和，形成饱和吸收光谱。图 1.2 铷原子的 饱和吸收光谱，图 1.1 中有其饱和吸收光路。 图 1.2 铷原子的 780nm 饱和吸收光谱 4. 稳频原理 图 1.3 是半导体激光器的稳频系统，它由五大模块组成：可调谐半导体激光 器，精密电流控制，精密温度控制，PZT 外腔驱动器，稳频电路系统（伺服环路）。 可调谐半导体激光器用于获得可以调谐的激光输出。精密电流控制主要是向激光 器供流，电流的精度要求很高，半导体激光器的电调率在 GHz/mA 的量级，所 以供电电流的起伏因控制在微安量级以下。精密温度控制是控制激光器中工作物 42
北京优立光太科技有限公司 UniQuanta 质(半导体)的温度,其精度要求也非常高,因此激光器的温调率很大,在10GHzK 的量级。PZT外腔驱动器用于控制半导体激光器的外腔长,由此可以进行激光频 率调谐。 精密电流控制 精密温度控制 PZT高压驱动器 半导体激光器 饱和光谱探测 信号移相输出 低通滤波放大 「光电信号转换 「带通滤波整形 「鉴相器 「带通滤波放大 信号发生器 图1.3半导体激光器稳频系统 稳频电路系统由几个部分组成:信号发生器,带通滤波整形,信号移相, 带通滤波放大,鉴相器,低通滤波放大。信号发生器提供稳频所需要的调制信号 三种稳频的鉴相参考信号(基频,三次谐频,五次谐频)。带通滤波整形是把信 号发生器输出的方波信号整形为谐波抑制比很高的正弦信号,调制信号的谐波抑 制比应该在70-80分贝以上,鉴相的参考信号的谐波抑制比应该在50-60分贝以 上。信号移相是对信号的相位进行移动,同时不改变信号的幅度大小,由于半导 体激光器稳频环路(特别是光电信号的转换以及激光器本身的工作状态)对信号 相位产生不应有的移动,这将对鉴相有明显的环影响,会降低伺服环路的控制性 能,所以设计出这一部分的电路是必需的。带通滤波放大是对得到的光电信号进 行选频放大,滤掉其余的频率成分,对于三类稳频方法,带通滤波放大选出相应 鉴频信号:基频,三次谐频,五次谐频成分。鉴相器实际是一个乘法器,它实现 了参考信号和相应的鉴频信号的相乘运算。低通滤波放大实际是一个积分放大 器,它对输入的信号在基频信号的周期进行积分运算,最后得到输入信号的直流
北京优立光太科技有限公司 质（半导体）的温度，其精度要求也非常高，因此激光器的温调率很大，在 10GHz/K 的量级。PZT 外腔驱动器用于控制半导体激光器的外腔长，由此可以进行激光频 率调谐。 图 1.3 半导体激光器稳频系统 稳频电路系统由几个部分组成：信号发生器，带通滤波整形，信号移相， 带通滤波放大，鉴相器，低通滤波放大。信号发生器提供稳频所需要的调制信号， 三种稳频的鉴相参考信号（基频，三次谐频，五次谐频）。带通滤波整形是把信 号发生器输出的方波信号整形为谐波抑制比很高的正弦信号，调制信号的谐波抑 制比应该在 70-80 分贝以上，鉴相的参考信号的谐波抑制比应该在 50-60 分贝以 上。信号移相是对信号的相位进行移动，同时不改变信号的幅度大小，由于半导 体激光器稳频环路（特别是光电信号的转换以及激光器本身的工作状态）对信号 相位产生不应有的移动，这将对鉴相有明显的环影响，会降低伺服环路的控制性 能，所以设计出这一部分的电路是必需的。带通滤波放大是对得到的光电信号进 行选频放大，滤掉其余的频率成分，对于三类稳频方法，带通滤波放大选出相应 鉴频信号：基频，三次谐频，五次谐频成分。鉴相器实际是一个乘法器，它实现 了参考信号和相应的鉴频信号的相乘运算。低通滤波放大实际是一个积分放大 器，它对输入的信号在基频信号的周期进行积分运算，最后得到输入信号的直流 43
北京优立光太科技有限公司 UniQuanta 成分,对此直流成分进行放大,然后输出到PZT驱动器,实现稳频。 其中本三次稳频模块的误差信号如图14所示,而且我们的三次稳频系统(目 前锁定时间大于100个小时)大概能稳100个小时。 e M POS: 400OUS SAVE REC 动作 存图傻 格式 BMP 图像 文件夹 储存 TEKOOOO BMP CHI+100my CH2 1.009 M100s 26-Feb-1021:34<10H2 图14三次稳频模块的误差信号 四.实验主要指标 波长范围:780,795.852等 输出功率:≥10mW 工作物质Rb,Cs等 无跳模调谐范围( Mode-hop free tuning range):10-15GHz 激光线宽( Linewidth):1MHza50ms 边模抑制比( Side mode suppression):40~-50dB 光束质量( Beam Quality)M2<1.5 工作温度( Operating temperature):15~45°C 光隔离度( Optical isolation ratio)≥50dB 饱和吸收光谱使用功率:≤0.5mW 信噪比( Signal to noise ratio)≥30dl 工作环境条件:温度. .5℃~35℃ 相对湿度 80% 工作环境内无强烈机械振动,无强磁场。 五.实验主要内容: l学习操作光栅反馈激光器,学习光栅反馈的调整方法,实现激光反馈的最佳 耦合。(见实验十二)
北京优立光太科技有限公司 成分，对此直流成分进行放大，然后输出到 PZT 驱动器，实现稳频。 其中本三次稳频模块的误差信号如图 1.4 所示，而且我们的三次稳频系统（目 前锁定时间大于 100 个小时）大概能稳 100 个小时。 图 1.4 三次稳频模块的误差信号 四．实验主要指标 波长范围: 780,795,852 等 输出功率：≥10mW 工作物质:Rb, Cs 等 无跳模调谐范围（Mode-hop free tuning range）:10~15GHz 激光线宽（Linewidth）:1MHz@50ms 边模抑制比（Side mode suppression）:40~50dB 光束质量（Beam Quality）M2<1.5 工作温度 (Operating temperature）：15~45°C 光隔离度(Optical isolation ratio) ≥50dB 饱和吸收光谱使用功率：≤0.5mW 信噪比(Signal to Noise Ratio) ≥30dB 工作环境条件： 温度……………………5℃～35℃ 相对湿度………… 80﹪ 工作环境内无强烈机械振动，无强磁场。 五．实验主要内容： 1.学习操作光栅反馈激光器，学习光栅反馈的调整方法，实现激光反馈的最佳 耦合。（见实验十二） 44
北京优立光太科技有限公司 UniQuanta 2学习光电检测器的使用,通过光电检测器测量实现激光反馈的最佳工作点 3.学会搭建用于激光稳频的光学系统(即搭建用于观测饱和吸收光谱的光学系 统和电学系统,并得到其光谱)和电学系统,并得到用于稳频的频率误差信 学会激光频率锁定的方法
北京优立光太科技有限公司 2.学习光电检测器的使用，通过光电检测器测量实现激光反馈的最佳工作点。 3.学会搭建用于激光稳频的光学系统（即搭建用于观测饱和吸收光谱的光学系 统和电学系统，并得到其光谱）和电学系统，并得到用于稳频的频率误差信 号； 4.学会激光频率锁定的方法。 45