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基于高阶模激光稳频的热噪声分析

光学学报 2024年第13期 161-170页

作者：杜联联刘静芳刘佳敏杨荣国孙恒信郜江瑞山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学极端光学协同创新中心山西大学物理与电子工程学院

理论分析高阶激光模式在激光稳频系统中的热噪声，并给出模式类型和阶数、激光功率、分析频率等参数对热噪声、散粒噪声以及总噪声的影响。给出激光稳频系统的一般噪声模型，将其应用于高阶模式的稳频系统并分析噪声传递过程。理论计算... 详细信息

理论分析高阶激光模式在激光稳频系统中的热噪声，并给出模式类型和阶数、激光功率、分析频率等参数对热噪声、散粒噪声以及总噪声的影响。给出激光稳频系统的一般噪声模型，将其应用于高阶模式的稳频系统并分析噪声传递过程。理论计算高阶模稳频系统中参考腔的热噪声，对比高阶厄米-高斯和拉盖尔-高斯模式的基底热噪声，在同一阶数下，拉盖尔模式比厄米模式的热噪声更低。LG10,0模式在1 Hz处产生的热噪声相比于基模热噪声降低了16%。综合散粒噪声的影响，得到LGp,0模式在0≤p≤25范围内参考腔的最低总噪声在1 Hz处可以达到0.022 Hz/Hz1/2，相比于基模总噪声降低了23%。使用该方式可以很好地控制激光器频率噪声以减少对引力波探测的影响。

关键词：激光光学激光稳频高阶模热噪声散粒噪声

光泵磁力仪中垂直腔面发射激光器激光波长锁定

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上海交通大学学报 2024年第4期58卷 438-448页

作者：骆曼箬李绍良黄艺明张弛吴招才刘华上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240 上海航天控制技术研究所上海空间智能控制技术重点实验室上海201109 自然资源部第二海洋研究所杭州310012

针对光泵磁力仪(OPM)对小型化、低功耗以及激光光源波长稳定性的要求,提出一套垂直腔面发射激光器激光波长锁定控制方案.所提基于多普勒吸收的光反馈波长锁定方案以133 Cs原子D1线F_(g)=4→F_(e)=3超精细能级跃迁波长为参考波长,OPM的... 详细信息

针对光泵磁力仪(OPM)对小型化、低功耗以及激光光源波长稳定性的要求,提出一套垂直腔面发射激光器激光波长锁定控制方案.所提基于多普勒吸收的光反馈波长锁定方案以133 Cs原子D1线F_(g)=4→F_(e)=3超精细能级跃迁波长为参考波长,OPM的原子蒸汽气室同时作为波长锁定的工作气室,无需任何额外装置即可将激光波长锁定在该D1线跃迁波长.使用数字比例积分微分控制与模糊控制算法进行激光的温度控制,使温度波动在±0.005℃内;采用基于电流镜的激光电流驱动方案,使电流波动在±50 nA内,为激光波长锁定提供了良好的硬件基础.最后,在实验室环境下实现OPM长达2 h的稳定信号输出.

关键词：光泵磁力仪垂直腔面发射激光器波长锁定激光稳频

基于多普勒效应的双峰荧光光谱激光稳频技术研究

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光子学报 2022年第6期51卷 334-340页

作者：刘忠征陈海军蔡军冯进军北京真空电子技术研究所微波电真空器件国家级重点实验室北京100015

提出了一种使用斜光诱导荧光光谱进行激光稳频的方法,该荧光光谱是通过铯原子束与斜入射激光相互作用产生,具有结构简单、可靠性高的优点。斜光诱导荧光光谱的中心峰的半高宽是可调谐的,在不同入射角度下,分别得到了半高宽为16.3 MHz,18... 详细信息

提出了一种使用斜光诱导荧光光谱进行激光稳频的方法,该荧光光谱是通过铯原子束与斜入射激光相互作用产生,具有结构简单、可靠性高的优点。斜光诱导荧光光谱的中心峰的半高宽是可调谐的,在不同入射角度下,分别得到了半高宽为16.3 MHz,18.7 MHz,21.7 MHz,24.4 MHz及26.9 MHz的谱线,这些比单峰荧光光谱(实际测量值为42.5 MHz)的半高宽更加窄。当使用中心峰为24.4 MHz的双峰荧光光谱进行激光稳频时,激光频率波动的峰峰值被限制在70 kHz以内,频率稳定度为2.7×10^(-11)@1s,1.2×10^(-11)@10 s,4.0×10^(-12)@100 s,1.4×10^(-12)@1000 s,优于使用单峰荧光光谱进行激光稳频时的频率稳定度,3.9×10^(-11)@1 s,1.4×10^(-11)@10 s,4.7×10^(-12)@100 s,3.4×10^(-12)@1000 s。该方法有利于提高小型光抽运铯束频标的性能及可靠性。

关键词：激光稳频双峰荧光光谱多普勒效应频率稳定度光抽运铯束频标

激光稳频技术在大气探测激光雷达中的应用研究进展

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计量学报 2023年第2期44卷 186-194页

作者：黄聪张圣梓王将常建华南京信息工程大学电子与信息工程学院江苏南京210044 中国计量科学研究院北京100029

大气探测激光雷达因其时空分辨率高、探测精度高等特点,在大气探测、环境监测、国防安全等研究领域应用广泛。根据大气探测激光雷达的测量原理,其光源的频率稳定性会对大气参数的测量和反演产生巨大影响,因此,对光源进行稳频尤为重要。... 详细信息

大气探测激光雷达因其时空分辨率高、探测精度高等特点,在大气探测、环境监测、国防安全等研究领域应用广泛。根据大气探测激光雷达的测量原理,其光源的频率稳定性会对大气参数的测量和反演产生巨大影响,因此,对光源进行稳频尤为重要。综述了目前应用于大气探测激光雷达的4种激光稳频技术及特点,介绍了这些稳频技术在大气探测激光雷达中的应用研究现状,为未来研制高精度大气探测激光雷达提供参考和借鉴。

关键词：计量学大气探测激光雷达激光稳频大气参数

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用于小型铯原子喷泉钟的紧凑型激光系统

光学学报 2024年

作者：金双浩林平卫茹宁马彦宁江文松罗哉中国计量科学研究院前沿计量科学中心中国计量大学计量测试工程学院先进溯源技术创新中心

紧凑而简单的激光系统对于实现小型铯原子喷泉钟至关重要。本研究介绍了一种紧凑型激光系统，提供小型铯原子喷泉钟所需的全部激光，其体积不到0.015 m3。通过开环移频法取代双通声光调制器移频方法，实现了激光频率快速且大范围失谐。... 详细信息

紧凑而简单的激光系统对于实现小型铯原子喷泉钟至关重要。本研究介绍了一种紧凑型激光系统，提供小型铯原子喷泉钟所需的全部激光，其体积不到0.015 m3。通过开环移频法取代双通声光调制器移频方法，实现了激光频率快速且大范围失谐。实验结果表明，频率锁定运行的激光系统在喷泉钟偏振梯度冷却时序到达的瞬间打开锁频环路，控制电压逐渐升高，进而改变激光注入电流，实现了激光频率在2 ms内约150 MHz的变化，并能够在5 ms短时间内重新锁定。激光系统产生的上抛下落冷原子数信号波动控制在10%，为喷泉钟连续运行提供了稳定的基础。

关键词：半导体激光器激光稳频激光移频自动化小型化

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基于光学锁相环的高稳定度激光稳频方法研究

计量学报 2022年第9期43卷 1154-1160页

作者：张超超王建波殷聪张宝武刘若男席路李孟瑶中国计量大学计量测试工程学院浙江杭州310018 中国计量科学研究院北京100029 北京理工大学光电学院北京100081

报道了一种基于光学锁相环的高稳定度激光稳频方法,用于提高可调谐外腔半导体激光器(TECDL)的频率稳定度和准确度。自行研制的光学锁相环电路采用数字鉴相与差分运算相结合的方式获得高灵敏度的鉴频鉴相误差信号,并通过高速模拟PID实现... 详细信息

报道了一种基于光学锁相环的高稳定度激光稳频方法,用于提高可调谐外腔半导体激光器(TECDL)的频率稳定度和准确度。自行研制的光学锁相环电路采用数字鉴相与差分运算相结合的方式获得高灵敏度的鉴频鉴相误差信号,并通过高速模拟PID实现整个系统的闭环锁定。利用该光学锁相环系统进行了TECDL偏频锁定至光学频率梳(OFC)的实验,实验结果表明环路锁定后拍频频率波动在±0.3 Hz范围内,偏置频率为50 MHz时,光学锁相环系统在1 s和1000 s积分时间的相对阿伦方差分别为1.5×10^(-9)和8.5×10^(-13)。系统锁定后,拍频线宽由500 kHz压缩至2 kHz。该研究表明采用基于光学锁相环的激光稳频方法可以实现亚Hz级的激光频差控制,通过将TECDL偏频锁定至高稳定度的参考激光源可显著提高其频率稳定度,使其能够满足超精密测量、冷原子/离子干涉测量等领域对激光频率稳定度和准确度的要求。

关键词：计量学激光稳频光学锁相环偏频锁定光频梳

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激光稳频中的数字控制系统研究

激光稳频中的数字控制系统研究

作者：张超群山西大学

学位级别：硕士

激光频率稳定技术是一种旨在减小激光频率抖动的技术。在计量学、原子分子物理学、量子光学等领域,稳定的激光频率对于精确测量至关重要。自上世纪70年代以来,激光稳频技术已经得到了广泛的研究和应用。其中,PDH稳频技术是最重要的方法... 详细信息

激光频率稳定技术是一种旨在减小激光频率抖动的技术。在计量学、原子分子物理学、量子光学等领域,稳定的激光频率对于精确测量至关重要。自上世纪70年代以来,激光稳频技术已经得到了广泛的研究和应用。其中,PDH稳频技术是最重要的方法之一。PDH稳频技术使用Fabry-Perot腔作为激光频率进行比较的参考,从而实现精确的频率稳定。在PDH稳频实验的锁定过程中,模拟控制存在着参数不易调节、传输过程易信息失真、灵活性差等缺点,数字控制比模拟控制更灵活且信息鲁棒性高。由于其优越的性能和易于实施,数字控制已成为大多数现代光学实验中的首选方法。为此,本文研究一种基于FPGA的数字控制系统,以提高锁定的稳定性和灵活操作性,该系统可应用于精密的量子传感和量子态制备等前沿科技研究。同时,激光稳频技术的发展有助于推动广泛的科学技术领域的发展。本论文将主要研究以下内容:1.我们首先使用Red-Pitaya进行数字锁定技术实验,介绍了PDH稳频技术,在用Red-Pitaya进行PDH稳频实验时,发现因为Red-Pitaya的输出电压范围仅为±1V,导致实验易失锁,无法满足实验的要求。为了弥补Red-Pitaya的缺陷,我们决定设计其他数字控制系统来进行激光稳频实验;然后我们基于NI公司的PXI-7852 R板卡设计了激光稳频系统的数字控制器。介绍了PXI-7852 R板的硬件和软件组件和控制器的基本原理。然后总结了两种测量系统响应的方法,以及使用基于PXI-7852 R板卡的数字控制系统的锁定步骤和优化PID参数的方法。PXI-7852 R板卡为激光稳频提供了一种经济高效且灵活的解决方案。2.实验时发现模式清洁器控制环路音频段引入了大量噪声,通过实验分析噪声的主要来源,建立反馈控制理论模型,依据奈奎斯特稳定性准则,并结合临界比例度法,采用基于PXI-7852 R板卡设计的数字控制系统放在环路中实现了最优的环路参数调试,将反馈控制环路增益幅值提升了30 d B,大幅抑制了模式清洁器控制环路引入的音频噪声。这为模式清洁器在精密测量中的应用提供了分析的基本手段。

关键词：激光稳频 PDH锁定数字控制系统

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消多普勒饱和吸收激光稳频教学实验平台

实验技术与管理 2023年第7期40卷 178-182,227页

作者：全伟段利红刘清波杜鹏程李光慧北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191

激光器是原子磁强计、原子陀螺仪等量子传感器的核心部件。量子传感器通过激光、磁场等与原子的相互作用,实现对相应物理量的高精度测量。激光频率优化及稳定是实现量子精密测量的关键技术。该文在理解原子能级跃迁、激光饱和吸收稳频... 详细信息

激光器是原子磁强计、原子陀螺仪等量子传感器的核心部件。量子传感器通过激光、磁场等与原子的相互作用,实现对相应物理量的高精度测量。激光频率优化及稳定是实现量子精密测量的关键技术。该文在理解原子能级跃迁、激光饱和吸收稳频原理基础上,搭建了消多普勒激光饱和吸收稳频教学实验平台,通过扫描铷原子的消多普勒饱和吸收光谱,将激光频率锁定在铷原子的D1线上,获得了频率高度稳定的激光输出。该平台能够使学生直接观测原子吸收与激光频率稳定的过程,有助于学生对激光与原子相互作用的深入理解以及实验动手能力的提升,为研究生和本科生的相关课程教学提供了有力支撑。

关键词：量子传感器量子精密测量精细能级激光稳频消多普勒饱和吸收谱

基于FPGA的DBR半导体激光器稳频系统的研究

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基于FPGA的DBR半导体激光器稳频系统的研究

作者：李朗华中科技大学

学位级别：硕士

半导体激光器具有单色性好、光强高、体积小的优点,在积分球冷原子钟,光通信等各个领域都有重要应用。小型化积分球冷原子钟具有体积小、重量轻、结构简单、集成度高、输出钟频率稳定度高的等众多优点。半导体激光器常用作小型化积分球... 详细信息

半导体激光器具有单色性好、光强高、体积小的优点,在积分球冷原子钟,光通信等各个领域都有重要应用。小型化积分球冷原子钟具有体积小、重量轻、结构简单、集成度高、输出钟频率稳定度高的等众多优点。半导体激光器常用作小型化积分球冷原子钟的光源,光源的频率稳定度是积分球冷原子钟的稳定度的重要影响因素之一,且半导体激光器的频率漂移易受温度、振动等的影响。因此,需要稳频系统来保持半导体激光器输出频率的高稳定度。针对基于铯原子的小型化积分球冷原子钟的光源的需求,开发了一种基于可编程逻辑阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的分布式布拉格反射(Distributed Bragg Reflector,DBR)激光器稳频系统。本论文的内容主要包括以下几个方面:(1)根据实际应用需求和DBR半导体激光器的特点,提出了一种基于FPGA的DBR半导体机激光器稳频系统的硬件设计方案。整个系统以模块化的思想进行设计,以每个模块的实现的功能为基础设计了小型化饱和吸收光路和硬件电路两大部分。硬件电路部部分包括压控电流源、热电制冷器(Thermo Electric Cooler,TEC)控制电路等模块。基于Solidwork和Altiumdesigner软件完成了各硬件模块的设计和实现。(2)设计并开发了一种饱和吸收光谱信号处理和寻峰算法。该算法由误差信号提取、中值滤波、自动识别饱和吸收峰和提取锁频点三部分组成。根据软件设置,可自动识别对应的饱和吸收峰和提取锁频点进行稳频。设计并开发了FPGA程序,并对FPGA中部分功能的实现过程,进行了功能仿真,均符合设计要求。设计并开发了电脑上位机人机交互界面,实现稳频系统的软件控制。(3)对稳频系统中的压控电流源和TEC温控电路进行了测试,电流源稳定度达到0.005%以内,且具有很好的线性度;TEC温控电路控制作用下激光器的温度波动低于0.01℃。还对整个稳频系统进行了功能和性能上的测试,系统运行正常,且稳频后的激光器的输出频率秒稳定度达到3.38×10@1 s。满足设计指标要求。

关键词： DBR半导体激光器激光稳频可编程逻辑阵列数字信号处理