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半导体激光器的稳频和移频

张晨  
【摘要】: 近年来,冷原子物理由于其对基础物理研究,量子物理和量子通信方面的研究起到了极大的推动作用而成为物理研究的热点。冷原子的获得通常是采用对原子进行激光冷却与囚禁的方法来实现的,具体技术包括“光学粘胶”,磁光阱等。 在原子的激光冷却与囚禁(冷原子)实验中,激光光源的性能是影响实验的重要因素。本文所介绍的工作是围绕对铷原子进行激光冷却和囚禁的实验进行的,主要工作内容有以下两点: (1)提供线宽窄,稳定性高的激光光源。 冷原子实验是非常精密的物理实验,对环境和仪器的精确度要求很高,尤其是对激光的频率稳定性提出了很高的要求。实验中使用的半导体激光器的输出激光频率不够稳定,存在显著的频率漂移特征。为了克服半导体激光器的这种缺点,我们利用铷原子的饱和吸收峰频率作为参考频率,通过光电转换,利用比例加积分(PI)反馈控制将激光输出频率锁定在参考频率上的方法设计并实现了一套稳频系统。在作为反馈环节的PI控制器中,我们采用了高精度的放大器件,以提高激光器输出频率的稳态精度,并设置了可调节的参数调节装置,以适应不同的稳频环境。对稳频系统的调试和测试结果表明稳频系统可以将激光器的输出激光频率锁定在铷原子的饱和吸收峰频率上,且具有一定的抗干扰能力,有良好的长期稳定性。 (2)提供多种实验所需频率的激光,并且实现用TTL电平控制激光光源的开关,以协同激光光源和其他实验设备的时序控制。 冷原子实验还需要多种不同频率的激光来实现不同的物理目标。我们的实验方案是利用声光调制器(AOM)的对激光的频率偏移特性来实现。主要工作是设计和实现了AOM的驱动信号源,它产生一个正弦信号输出到AOM使其工作,正弦的频率等于激光的频率偏移量。信号源产生信号的频率和幅度可调,以便于使用。信号源的设计主要是采用压控振荡器(VCO)和TTL电平控制的微波开关构成。 在冷原子量子存储的实验中,还要用激光对冷原子进行量子信息的读写等操作,因此需要对激光进行开关操作。实现TTL电平控制激光开关的实验方案是利用了AOM对激光光路的偏转实现的:AOM在有正弦信号驱动时,不仅会使激光频率发生偏移,还会使激光光路偏转一个角度。这样在AOM之后加一个光栅,只能够让光路偏转后的激光通过,这样实际上就可以通过对信号源的开关控制实现对激光开关的控制。对AOM以及信号源的测试结果表明,AOM信号源的开关隔离度达到-70dB,激光开关的切换速率(以末端探测到的激光功率信号沿上升和下降时间表示)小于100ns,系统延迟400ns左右,可以满足实验需求。


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