Frequency-stabilized laser diode based on the saturated absorption spectrum of Cs D2 line
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摘要:
半导体激光器在自由运转过程中容易受到温度、振动等外界因素的影响，输出激光的频率稳定性难以满足量子精密测量、高精度光谱、激光通信等领域的技术要求。为了获得频率稳定的输出激光，设计了一种稳频半导体激光器。基于133Cs原子D2线的超精细能级结构特性和饱和吸收原理，将|62 S1/2,F=4⟩→|62P3/2,F′=5⟩饱和吸收峰对应的原子跃迁频率作为参考标准，采用反馈控制的方法实现了输出激光频率闭环锁定。结果表明，闭环锁定下秒级频率稳定度达3.88×10-12，积分时间16 s时频率稳定度最低达1.70×10-12，12 h拍频信号波动小于140 kHz，线宽为438.41 kHz@10 μs，12 h功率稳定性为6.11×10-4，整机体积为9×103 cm3；饱和吸收光谱和反馈控制的共同作用可以大幅度减小半导体激光器自由运转时的频率波动。该激光器频率稳定度等部分关键指标达到较高水平，实现小型化并长期稳定运行，能够满足量子测量等应用领域对频率锁定激光光源的技术要求。
Abstract:Laser diode were easily affected by temperature, vibration and other external factors during free-running operation, and the frequency stability of the output laser was difficult to meet the technical requirements of the fields such as quantum precision measurement, high-precision spectroscopy and laser communication. In order to obtain output laser with stable frequency, a frequency-stabilized laser diode was designed, which was constructed based on the ultra precision energy level structure of the D2 transition line of 133Cs atoms and the principle of saturated absorption. The atomic transitionline of |62 S1/2,F=4⟩→|62P3/2,F′=5⟩ was taken as the reference standard of the frequency locked loop (FLL). The results show that, the out-put laser frequency was stabilized by feedback control method. The frequency stability is measured to be 3.88×10-12 at the integration time of 1 s, and the lowest frequency stability is 1.70×10-12 at the integration time of 16 s. The long-term frequency fluctuation of 12 h is less than 140 kHz measured from the beat frequency signal. The linewidth is 438.41 kHz@10 μs. The responding rms power stability is 6.11×10-4.The volume of the whole device is 9×103 cm3. The combination of saturated absorption spectroscopy and feedback control can significantly reduce the frequency fluctuation of free-running semiconductor lasers. The laser has good performance in some key indicators such as frequency stabilization. It has been miniaturized, which makes it easy to move and maintain. And it operates stably for a long time and is capable of meeting the technical requirements for frequency-locked laser light sources in applications such as quantum measurements.
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Keywords:
- lasers /
- laser diode /
- saturated absorption /
- frequency stabilization
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0. 引言
半导体激光器具有输出波长范围广、能量利用率高、驱动调谐方式简单、使用寿命长、重量轻、体积小、价格低廉等特点[1]，在量子精密测量、高精度光谱、激光通信等领域发挥重要作用[2-6]。但是由于半导体激光器在自由运转的过程中容易受到温度、振动、噪声等外界因素的影响，输出激光的频率会发生起伏，难以满足量子精密测量等领域对半导体激光光源频率稳定性能的较高要求[7-8]。因此需要基于一个参考频率，如饱和吸收光谱，对激光器输出频率进行反馈控制，将闭环锁定时的频率波动限制在一定范围内。
输出频率锁定于铯原子跃迁谱线的稳频激光器可用于研制原子钟、原子干涉仪、重力梯度仪等设备，还可用于里德堡微波电场测量等应用[9]。目前用于该类激光器的稳频方法可分为外调制稳频和内调制稳频，两种方法调制方式不同，但都需保证作为稳频核心的参考频率稳定、精确，因此常选用原子跃迁谱线作为参考频率[10-11]。
2012年，法国FEMTO-ST的LIU和BOUDOT[12]通过饱和吸收技术在895 nm的铯原子D1线上实现稳定，线宽小于1 MHz、积分时间200 s时频率稳定性最低达到4×10-12。2023年，芬兰坦佩雷大学MAJUMDER等人基于频率调制光谱和现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FPGA)平台实现了在852.35 nm波长下多个吸收峰处锁定，频率锁定后标准偏差小于700 kHz[13]。
2019年，中国科学院大学国家授时中心的YU研制了一台用于铯喷泉钟的调制转移光谱稳频激光器，并将其锁定在852.355 nm处，测得激光系统秒级频率稳定度达到6.6×10-12[14]。2023年，山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室ZHANG等人用FPGA代替传统信号发生器等器件，将输出频率稳定到|62 S1/2,F=4⟩→|62P3/2,F′=5⟩和|62 S1/2,F=4⟩→|62P3/2,F′=4,5⟩吸收峰上，实现80 s内输出频率起伏3.0 MHz[15]，其中F和F ′分别是两个能级原子总角动量量子数。
为满足量子精密测量等领域对频率稳定激光光源的相关要求，本文作者以133Cs原子D2线对应的饱和吸收光谱为基础，设计了一种结构紧凑的稳频激光器，并对频率稳定度、频率长期波动、线宽和输出功率长期稳定性等指标进行了测量评估。
1. 稳频激光器设计
稳频激光器结构如图 1所示。图中红色箭头表示光束传输方向，蓝色箭头表示电信号传输方向。隔离器(isolator, ISO)可隔离后端光反馈，抑制高频噪声。半波片(half-wave-plate, HWP)结合偏振分光棱镜(polarized beam splitter, PBS)PBS 2可将进入稳频光路的激光分为大功率抽运光和小功率探测光。探测光被PBS 2反射穿过铯原子气室后进入光电二极管(photodiode, PD)，抽运光经过反射镜R1和R2后被PBS 3反射穿过铯(cesium, Cs)原子气室。两束光方向相反、路径重合，高功率抽运光通过原子气室时将特定跃迁频率的原子抽运到高能级，此时低功率探测光通过，原子气体对探测光吸收能力减弱，产生突出的饱和吸收峰，这就是饱和吸收效应。其产生的饱和吸收光谱的吸收峰能够消除多普勒展宽带来的影响，又由于原子气室内气压较低，原子碰撞展宽等因素的影响也很小，可作为激光器稳频的参考频率[16-18]。
电路部分中，模数转换器(analog-to-digital converter, ADC)和数模转换器(digital-to-analog converter, DAC)进行信号接收和输出；种子源驱动用于接受命令，控制种子光源的温度和电流；三角波信号用于扫描激光频率产生饱和吸收信号；信号发生模块可以产生调制信号，该调制信号一方面加载到种子光源上对饱和吸收信号进行调制，另一方面经过移相后对受调制的饱和吸收信号进行解调获得鉴频误差信号；将鉴频误差信号送入比例-积分-微分(proportional-integral-derivative, PID)控制电路后可输出反馈到种子源驱动，控制种子光源的电流，实现激光频率闭环锁定[19-21]。
激光器整机由光学模块、稳频电路、种子源驱动和散热系统组成。图 2所示为将上述系统安装在机箱内部后的实物图。测得激光器整体体积为9×103 cm3，易于搬运、安装和调试。
2. 实验结果与分析
实验中，调节探测光功率为500 μW，抽运光功率为1.5 mW；扫频三角波信号的扫描电压幅值为±3 V，频率为10 Hz；调制信号幅度为10 mV，频率为97 kHz；解调信号与调制信号相位差60°。图 3a所示为扫频信号加载到种子光源后通过示波器观察到的饱和吸收信号。图中可见D2线中的本征吸收峰和交叉吸收峰。图 3b所示为饱和吸收信号经过调制和解调后在上位机上观察到的鉴频误差信号。获得误差信号后，调节扫描电压幅值使上位机示波器内仅存在T5饱和吸收峰及其对应的误差信号，规定锁频起止范围和阈值，调节PID后可实现频率闭环锁定，稳频功能开启后，扫频信号不再工作。
图 3a所示为通过外接示波器观察到133Cs的D2线饱和吸收信号。实验中选择|62 S1/2,F=4⟩→|62P3/2,F′=5⟩超精细跃迁谱线作为参考频率，对应图中的T5饱和吸收峰。T5吸收峰与|62 S1/2,F=4⟩→|62P3/2,F′=4,5⟩交叉跃迁谱线对应的C45吸收峰之间的相对频率差值约为125.5 MHz，据此可推算出T5吸收峰半峰全宽为7.2 MHz，饱和吸收峰的半峰全宽与误差信号的线性部分有关，可用于估算频率稳定度[22]。
输出频率锁定后，可观察到光信号在0 V附近起伏，可以判断此时激光频率已稳定在饱和吸收峰顶点对应频率附近。使用波长计可直接对输出激光的频率进行观察，设定波长计采样率为10 Hz。图 4所示为通过波长计观察闭环锁定状态下与自由运转状态下各运行300 s的频率起伏对比。可以测得在闭环锁定状态下10 s频率波动约为450 kHz，而自由运转状态下频率起伏约为22.4 MHz，稳频系统显著减小了输出频率的起伏。
![图 4 闭环锁定300 s与自由运转300 s频率起伏对比]()
图 4 闭环锁定300 s与自由运转300 s频率起伏对比Figure 4. Comparison of frequency fluctuation between frequency-locking in 300 s and free-running in 300 s稳频激光器的稳频性能可以用频率稳定度衡量[23-24]。考虑到测量误差等因素，通过波长计直接观察到的频率波动无法作为计算频率稳定度的依据。频率稳定度可通过拍频法和频率计数器记录的拍频数据进行计算，实验中搭建了两台同样的激光器，分别锁定在|62 S1/2,F=4⟩→|62P3/2,F′=5⟩吸收峰和|62 S1/2,F=4⟩→|62P3/2,F′=4,5⟩交叉吸收峰对应的频率上，然后从两台激光器中分别引出一束光进行拍频，拍频光经过高速光电二极管产生拍频信号，使用频率计数器对拍频信号进行测量并记录数据。设定频率计数器门宽为1 s，监测时间为12 h，测得拍频信号12 h内波动小于140 kHz, 图 5所示为拍频数据。
Allan偏差是评价频率稳定性最常用的时域度量，可通过下式进行计算[25]：
σ2y(τ)=12(M−1)M−1∑i=1(yi+1−yi)2 (1) 式中：σy为Allan偏差；τ为积分时间；M为测量总次数；yi为第i次测量的频率值。
由于通过频率计数器测量数据计算的是两台激光器拍频信号的Allan偏差，而这两台激光器性能相近，可视为相同的激光器，每台激光器输出频率的Allan偏差需在拍频信号Allan偏差基础上除以√2。图 6所示为拍频信号Allan偏差。可计算出该稳频激光器秒级稳定度为3.88×10-12，在16 s时频率稳定度达到最低为1.70×10-12。
线宽可用于表征激光器输出激光的单色性，是量子精密测量用单频半导体激光器的核心参数。表 1所示为用线宽分析仪对输出激光线宽不同积分时间进行线宽测量。表中，Δνfree为自由运转状态下输出激光线宽，Δνlock为闭环锁定状态下输出激光线宽，测得自由运转积分时间0.01 ms时线宽为342.96 kHz，闭环锁定积分时间0.01 ms时线宽为438.41 kHz。图 7所示为两种状态下线宽测量图片。
表 1 不同运转状态下激光器线宽Table 1. Laser linewidth in different running stateobservation time/ms running state Δνfree/kHz Δνlock/kHz 0.01 342.96 438.41 0.1 626.13 2921.47 1 834.88 2970.80 10 959.39 2991.10 100 1210.99 2991.42 1000 1210.99 2991.42 稳频激光器闭环锁定状态下的输出功率稳定性同样是关键参数[26-27]。图 8所示为稳频激光器12 h功率监测，采样率为1 Hz。经计算可知，功率波动峰峰值为0.11 mW，功率稳定性为6.11×10-4，满足对稳频激光器的应用需求。
3. 结论
频率锁定于铯原子跃迁频率的稳频半导体激光器在铯原子钟、里德堡原子微波电场测量、原子干涉仪、量子重力梯度仪等方面广泛应用。本文中研制了一种结构紧凑的的稳频半导体激光器(整机体积9×103 cm3)，评估了激光器的闭环锁定功能短期和长期频率稳定度、线宽和输出功率稳定性等指标。闭环锁定时，输出激光的秒级频率稳定度可达3.88×10-12，积分时间16 s时频率稳定度达到最佳，为1.70×10-12；双激光器12 h拍频信号波动小于140 kHz；线宽为438.41 kHz@10 μs；12 h功率稳定性为6.11×10-4。该激光器频率稳定性和功率稳定性等部分指标在同技术领域内有较高水平、结构紧凑、易于搬运和维护，可以实现长期稳定闭环锁定、非常适合应用于量子精密测量仪器的研制。此外，还可通过更换原子气室和与目标波长匹配的光学器件进行技术拓展，实现不同波长的稳频激光输出，满足其它应用领域的需求。
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图 4 闭环锁定300 s与自由运转300 s频率起伏对比
Figure 4. Comparison of frequency fluctuation between frequency-locking in 300 s and free-running in 300 s
表 1 不同运转状态下激光器线宽
Table 1 Laser linewidth in different running state
observation time/ms running state Δνfree/kHz Δνlock/kHz 0.01 342.96 438.41 0.1 626.13 2921.47 1 834.88 2970.80 10 959.39 2991.10 100 1210.99 2991.42 1000 1210.99 2991.42 
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