本文作者貢昊，王宇，白金海，胡棟，來(lái)自航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，僅供交流學(xué)習(xí)之用，感謝分享！

引言

激光器具有高相干性、高亮度和高方向性的特點(diǎn)，在醫(yī)療、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著科技的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體激光器被越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)所采用。與其他種類的激光器相比，半導(dǎo)體激光器具有體積小、衍射效率高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于激光光譜、原子分子物理、量子頻標(biāo)、原子核物理等研究領(lǐng)域。半導(dǎo)體激光器通過(guò)電子和空穴的復(fù)合受激發(fā)射出光子產(chǎn)生激光，當(dāng)有超過(guò)閾值的電流注入激光二極管時(shí)，半導(dǎo)體工作介質(zhì)中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在諧振腔中對(duì)一定頻段的光產(chǎn)生增益，當(dāng)增益大于損耗時(shí)，半導(dǎo)體激光器就會(huì)輸出激光。不同溫度下半導(dǎo)體激光器的能隙寬度不同，而且在不同溫度作用下激光二極管的等效內(nèi)腔長(zhǎng)度也不同; 注入電流會(huì)影響半導(dǎo)體激光器內(nèi)部電子和空穴的濃度，進(jìn)而影響電子和空穴復(fù)合時(shí)產(chǎn)生的激光。因此可以通過(guò)改變激光二極管的工作溫度和注入電流情況來(lái)控制輸出激光的頻率。

單模激光二極管自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)典型線寬約為幾十兆赫，對(duì)于冷原子干涉等精密實(shí)驗(yàn)而言過(guò)大，因此通常在激光二極管外部加一個(gè)光學(xué)色散元件光柵，光柵把一部分輸出光反饋回激光器，等效于改變了激光器的諧振腔長(zhǎng)度，對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出的激光進(jìn)行了重新篩選。采用光柵重新對(duì)激光器輸出頻率進(jìn)行篩選的外腔式半導(dǎo)體激光器( External Cavity Diode Laser，ECDL) 主要有 Littrow 和 Littman 兩種結(jié)構(gòu)，將激光投射到閃耀光柵 上，一級(jí)衍射光反饋回激光二極管進(jìn)行“模式競(jìng)爭(zhēng)”，零級(jí)衍射光作為輸出光束，可以將激光器的輸出激光線寬壓窄到 1 MHz 或者更低，但是 ECDL 輸出的激光有慢漂和跳模現(xiàn)象，幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)有可能會(huì)漂移幾吉赫，因此必須對(duì)外腔式半導(dǎo)體激光器進(jìn)行主動(dòng)穩(wěn)頻。

ECDL 穩(wěn)頻的主要思路是: 以原子的特定吸收譜線所提供的穩(wěn)定性較好的頻率作為參考標(biāo)準(zhǔn)，把輸 出的激光頻率與參考頻率相對(duì)比，產(chǎn)生誤差信號(hào)，再 通過(guò)伺服電路系統(tǒng)( PID 控制器) 將誤差信號(hào)負(fù)反饋到激光器的注入電流和 PZT 上，進(jìn)而控制激光器的頻率，最后實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。主動(dòng)穩(wěn)頻不僅可以提高頻率變化的阿 倫方差，還可以使激光器的線寬變窄。

1、半導(dǎo)體激光器的內(nèi)調(diào)制穩(wěn)頻方法

1. 1 飽和吸收光譜穩(wěn)頻

飽和吸收光譜( Saturated Absorption Spectra，SAS) 穩(wěn)頻技術(shù)利用波長(zhǎng)為 780 nm 可調(diào)諧激光照射銣池，由 于銣池中的原子進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)，不同速度的原子與激光的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不同，因此運(yùn)動(dòng)的原子感受到的激光頻率會(huì)發(fā)生變化，即具有一定速度分布的原子會(huì)相對(duì)激光產(chǎn)生多普勒頻移，由于激光的頻率對(duì)應(yīng)銣池中速度 為零的原子的共振頻率，因此銣池中速度為零的原子會(huì)與激光相互作用，對(duì)激光進(jìn)行飽和吸收，形成飽和吸收光譜。銣原子飽和吸收光譜曲線如圖 1 所示。

外腔式半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過(guò)光隔離器后 通過(guò)半波片，再經(jīng)過(guò) PBS 分束后，透射光作為主要輸 出激光，反射光經(jīng)過(guò)一個(gè)較厚的分束鏡，透射過(guò)分束 鏡的激光功率較大，作為泵浦光，在分束鏡前后表面反射的激光功率相對(duì)較小，作為探測(cè)光。泵浦光與其中一路探測(cè)光在銣池中對(duì)射產(chǎn)生飽和吸收光譜，經(jīng)過(guò) 光電探測(cè)器后將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并且與另外一路探測(cè)光做差，可以消除銣池中由于不同速度原子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒本底噪聲。將經(jīng)減法器處理之后得到的電信號(hào)連到示波器上，即可觀測(cè)到 Rb 原子的飽和吸收譜信號(hào)。飽和吸收譜穩(wěn)頻光路圖如圖 2 所示。

以銣原子為例，當(dāng)激光頻率處于某一對(duì)超精細(xì)能級(jí)共振頻率處，由于蘭姆凹陷效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生飽和吸收峰， 當(dāng)激光頻率為兩個(gè)原子超精細(xì)能級(jí)中間位置對(duì)應(yīng)的吸收頻率時(shí)，由于原子與激光之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生飽和吸收譜的交叉峰，因此87Rb 原子的 D2 線躍遷有三個(gè)飽和吸收峰和三個(gè)交叉共振峰，如圖 3 所示。

1. 2 波長(zhǎng)調(diào)制鎖頻

波長(zhǎng)調(diào)制鎖頻( Dither Locking) 與飽和吸收光譜類似，屬于飽和吸收譜穩(wěn)頻方式的拓展，在 PZT 的基礎(chǔ)上增加了幾千赫的聲頻調(diào)制，這樣經(jīng)過(guò)銣池之后的飽 和吸收光譜信號(hào)也攜帶著聲頻調(diào)制信號(hào)的信息，將這 個(gè)聲頻調(diào)制信號(hào)送進(jìn)鎖相放大器作為參考信號(hào)，鎖相 放大器將參考信號(hào)與經(jīng)過(guò)銣池的飽和吸收譜信號(hào)進(jìn)行比較，即可獲得激光器與原子飽和吸收譜線的鎖定位 置之間的誤差信號(hào)，將誤差信號(hào)輸入 PID 控制器，最 后反饋到激光器的 PZT 和注入電流上，實(shí)現(xiàn)激光器的穩(wěn)頻。波長(zhǎng)調(diào)制鎖頻的飽和吸收信號(hào)和誤差信號(hào)曲線如圖 4 所示，光路圖如圖 5 所示。

波長(zhǎng)調(diào)制鎖頻的優(yōu)點(diǎn)是成本比較低，激光穩(wěn)頻效果也能穩(wěn)定在鎖定點(diǎn)的百千赫量級(jí)附近。但是這種穩(wěn)頻方式屬于內(nèi)調(diào)制穩(wěn)頻，即將調(diào)制信號(hào)直接加在激光器上，會(huì)引入額外的頻率噪聲和強(qiáng)度噪聲。

2、半導(dǎo)體激光器的外調(diào)制穩(wěn)頻方法

2. 1 調(diào)制光譜穩(wěn)頻

調(diào)制光譜( Pound Drever Hall Scheme，PHD) 利用高頻射頻源對(duì)電光調(diào)制器( Electro Optical Modulator， EOM) 進(jìn)行調(diào)制，使得經(jīng)過(guò)銣池的飽和吸收譜信號(hào)攜帶高頻射頻源的頻率信息，由于雪崩二極管( APD) 檢測(cè) 出的是高頻交流成分，因此用分束器將光路分離出一部分，經(jīng)過(guò)普通的光電二極管( PD) 進(jìn)入示波器觀測(cè)飽 和吸收譜信號(hào)。最終高頻射頻源在移相器的作用下調(diào) 整相位，與攜帶飽和吸收譜的調(diào)制信號(hào)一同進(jìn)入混頻 器解調(diào)得到類色散的誤差信號(hào)，經(jīng) PID 反饋到激光器的注入電流和 PZT 上，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。調(diào)制光譜光路圖如圖 6 所示。

調(diào)制光譜穩(wěn)頻方式屬于外調(diào)制，其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制頻 率未加在激光器的 PZT 和注入電流上，因此不會(huì)將調(diào)制頻率本身的噪聲和誤差在激光器里進(jìn)行放大而對(duì)激光器的頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，而且誤差信號(hào)斜率很大，可以獲得很好的頻率準(zhǔn)確度，對(duì)于頻率偏差非常敏感。但是 EOM 和 EOM 的驅(qū)動(dòng)射頻信號(hào)源比較昂貴，成本相對(duì)較高。PDH 誤差信號(hào)圖如圖 7 所示。

2. 2 調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜穩(wěn)頻

調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜( MTS) 通過(guò)壓控振蕩器( VCO) 驅(qū)動(dòng) 的聲光調(diào)制器( Acousto Optical Modulator，AOM) 對(duì)泵浦光進(jìn)行頻率調(diào)制，被調(diào)制的泵浦光頻率成分中包含泵 浦光的中心頻率 v 和 ± 1 階邊帶( 二階以上不考慮) ，兩個(gè)邊帶頻率的泵浦光與相向傳輸?shù)奶綔y(cè)光在銣池中銣原子的非線性效應(yīng)下產(chǎn)生四波混頻過(guò)程，因此加載 在泵浦光的調(diào)制信號(hào)可以轉(zhuǎn)移到不加調(diào)制攜帶飽和吸 收譜信號(hào)的探測(cè)光上來(lái)，最終在鎖相放大器中得到激光器與原子躍遷譜線之間的類色散誤差信號(hào)，通過(guò) PID 反饋到激光器的 PZT 和注入電流上，最終實(shí)現(xiàn)激光器的穩(wěn)頻。調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜光路圖如圖 8 所示。

VCO頻率穩(wěn)定性相對(duì)較差一些，因此可以將VCO替換成直接數(shù)字合成器( Direct Digital Synthesis，DDS) ，例如采用33600A型直接數(shù)字合成器來(lái)驅(qū)動(dòng) AOM。另 外如果采用厚玻璃片代替 BS 產(chǎn)生兩束探測(cè)光，再分別 用兩個(gè)探測(cè)器對(duì)探測(cè)光進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)差分放大后，送入鎖相放大器即可消除銣池中的多普勒本底噪聲，激光器的穩(wěn)頻效果更好。

調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜的穩(wěn)頻方式也屬于外調(diào)制，即并不 對(duì)激光器本身進(jìn)行頻率調(diào)制，減少了直接調(diào)制激光器產(chǎn)生的頻率噪聲和強(qiáng)度噪聲。通常采用 EOM 的正負(fù)一級(jí)邊帶代替 AOM 衍射光進(jìn)入銣池發(fā)生四波混頻，但是這種方法會(huì)提高實(shí)驗(yàn)成本?？偟膩?lái)說(shuō)，調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜有著非常平的零背景信號(hào)，誤差信號(hào)斜率較大，穩(wěn)頻效果好，頻率線漂小，很容易將激光器的頻率鎖定在原子超精細(xì)躍遷譜線附近。因此目前大部分實(shí)驗(yàn)室都采用調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。

3、半導(dǎo)體激光器的不加調(diào)制穩(wěn)頻方法

3. 1 雙色激光穩(wěn)頻

雙色激光穩(wěn)頻( Dichroic Atomic Vapour Laser Lock， DAVLL) 利用磁場(chǎng)環(huán)境下原子對(duì)左旋圓偏振光和右旋圓偏振光吸收效果的不同，將得到的兩種飽和吸收譜線 做差，根據(jù)做差后的誤差信號(hào)來(lái)進(jìn)行穩(wěn)頻。

當(dāng)原子暴露在外界磁場(chǎng)環(huán)境中時(shí)，由于塞曼分裂導(dǎo)致吸收譜線的左旋光和右旋光頻率產(chǎn)生位移。在銣池外側(cè)繞上線圈，給線圈供電時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生銣池軸向均勻磁場(chǎng)。線偏振光可以等效為兩個(gè)圓偏振光的疊加，當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，左旋圓偏振光和右旋圓偏振光不產(chǎn)生頻移，在此條件下吸收光譜是重合的。當(dāng)磁場(chǎng)不為零時(shí)，由于左旋光和右旋光激發(fā)態(tài)下的原子躍遷方向相反，使左旋和右旋光譜信號(hào)位置產(chǎn)生相向偏移，左旋偏振光的吸收譜線向頻率減小的方向移動(dòng); 右旋偏振光的吸收譜線與左旋相反。將兩路信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算即可得到在指定飽和吸收峰處對(duì)應(yīng)頻率過(guò)零的類色散誤差信號(hào)。由于左旋光和右旋光產(chǎn)生相向等量的頻率偏移，因此差分放大得到的誤差譜線信號(hào)仍然是關(guān)于中 心頻率對(duì)稱的。消多普勒雙色譜如圖 9 所示。

得到誤差信號(hào)后，利用PID控制器實(shí)現(xiàn)激光器的頻率被鎖定在系統(tǒng)原子超精細(xì)譜線所對(duì)應(yīng)的絕對(duì)頻率上，達(dá)到穩(wěn)頻的目的。雙色激光穩(wěn)頻光路圖如圖 10 所示。

DAVLL 穩(wěn)頻的優(yōu)點(diǎn): ①光路簡(jiǎn)單，對(duì)激光的功率 要求低; ②自動(dòng)捕獲范圍較寬，可達(dá) 500 ～ 800 MHz; ③具有很高的穩(wěn)定性，不易失鎖。④結(jié)構(gòu)易組建，磁場(chǎng)只需要幾十高斯，在銣池外纏繞線圈就可以實(shí)現(xiàn)，反饋系統(tǒng)中采用差分放大器即可，不需要額外添加鎖 相放大器。但是 DAVLL 穩(wěn)頻也存在不足: ①容易受到 外界環(huán)境因素干擾; ②由于誤差信號(hào)斜率很小，鎖定點(diǎn)的頻率不是很準(zhǔn)確。因此對(duì)這種方法進(jìn)行了改進(jìn)，在 DAVLL 的基礎(chǔ)上增加一束泵浦光，利用飽和吸收效應(yīng)消除探測(cè)光的多普勒展寬，可以明顯提高穩(wěn)頻鎖定點(diǎn)測(cè)量的準(zhǔn)確度。消多普勒雙色激光穩(wěn)頻光路圖如圖 11 所示。

3. 2 頻率電壓轉(zhuǎn)換穩(wěn)頻

半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻通常除了將頻率鎖定在穩(wěn)定的參考頻率( 原子的高穩(wěn)定性特征躍遷譜線、高 Q 值的 法-珀腔的透射峰中心) 上之外，也可以鎖定在另外一個(gè)已經(jīng)進(jìn)行穩(wěn)頻的參考激光器上。主要方法是將兩臺(tái)激光器進(jìn)行拍頻，用光電二極管探測(cè)拍頻頻差信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)放大器后，與標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)源一同輸入混頻器，得到了與標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)源頻差的頻率信號(hào)，之后通過(guò)頻率-電壓轉(zhuǎn)換器( Fre- quency to Votage Converter，F(xiàn)VC) 將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。通過(guò)控制電壓對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)整，并 將得到的誤差信號(hào)反饋到 PID 板上，最后反饋到激光器的控制電流和 PZT 上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。頻率-電壓轉(zhuǎn)換穩(wěn)頻光路圖如圖 12 所示。

頻率-電壓轉(zhuǎn)換穩(wěn)頻的優(yōu)點(diǎn)是兩臺(tái)激光器的頻差完 全可調(diào)，可通過(guò)控制電壓信號(hào)對(duì)兩臺(tái)激光器的頻差進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。參考激光器的穩(wěn)頻效果越好，待鎖激光器的穩(wěn)頻效果就會(huì)越好。但是這種穩(wěn)頻方式需要增加一臺(tái)參考激光器，成本昂貴。

4、小結(jié)

本文介紹了 6 種冷原子干涉實(shí)驗(yàn)中常用的穩(wěn)頻方法，其特點(diǎn)對(duì)比如表 1 所示。

這6種方法中，飽和吸收譜穩(wěn)頻和波長(zhǎng)調(diào)制穩(wěn) 頻法屬于半導(dǎo)體激光器內(nèi)調(diào)制穩(wěn)頻，光路簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)成本較低，但是調(diào)制信號(hào)直接加在半導(dǎo)體激光器上，會(huì)引入額外的頻率噪聲和強(qiáng)度噪聲，穩(wěn)頻效果能穩(wěn)定 在鎖定點(diǎn)的百千赫量級(jí)附近; 調(diào)制光譜穩(wěn)頻方法和調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜穩(wěn)頻方法屬于外調(diào)制穩(wěn)頻，調(diào)制信號(hào)不直 接加在半導(dǎo)體激光器上，不會(huì)引入額外的頻率噪聲和強(qiáng)度噪聲，而且誤差信號(hào)斜率大，背景信號(hào)影響小，穩(wěn)頻效果能穩(wěn)定在鎖定點(diǎn)的1 kHz量級(jí)附近，穩(wěn)頻效果最佳，因此被廣泛的用于冷原子干涉實(shí)驗(yàn)中激光器的穩(wěn)頻上; 雙色激光穩(wěn)頻利用塞曼效應(yīng)得到類色散誤差信號(hào)，光路電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，磁場(chǎng)也只需要幾十高斯，但是容易受到外界因素的影響，而且誤差信號(hào)斜率較小，鎖定點(diǎn)頻率不是很準(zhǔn)確，容易產(chǎn)生慢漂，穩(wěn)頻效果能穩(wěn)定在鎖定點(diǎn)的百千赫量級(jí)附近，對(duì)于穩(wěn)頻準(zhǔn)確度要求不是很高的實(shí)驗(yàn)可以采用這種方法; 頻率電壓 轉(zhuǎn)換穩(wěn)頻將半導(dǎo)體激光器的頻率鎖定在一個(gè)具有穩(wěn)定頻率的參考半導(dǎo)體激光器上，由于冷原子干涉實(shí)驗(yàn)中需要的操縱原子團(tuán)分束合束的拉曼光是由主、從拉曼光兩束光組成的，這兩束光需要頻率相差6. 834 GHz， 相位差一定，通常采用這種方式實(shí)現(xiàn)光學(xué)鎖相環(huán)的功 能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。

5、展望

由于不同類型的實(shí)驗(yàn)對(duì)激光質(zhì)量和穩(wěn)頻效果要求不同，還有一些其他的穩(wěn)頻方法沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)介紹，比如塞曼穩(wěn)頻、聲光調(diào)頻等。外腔式半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻結(jié)果直接影響激光對(duì)原子的作用效果，未來(lái)將會(huì)對(duì)激光器頻率穩(wěn)定性提出更高的要求。同時(shí)隨著激光器本身的完善，激光器的穩(wěn)頻方法也會(huì)繼續(xù)向高準(zhǔn)確性、高效率、低成本、低功耗的方向發(fā)展。為了達(dá)到更好的穩(wěn)頻效果，需要深入開(kāi)展微加工技術(shù)和電路 集成技術(shù)的研究，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻系統(tǒng)的小型化甚至芯片化; 同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步利用軟硬件結(jié)合技術(shù)的高穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)激光頻率的長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)鎖定，匹配相關(guān)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的高可靠性應(yīng)用要求。