由于半导体激光器的体积小,操作方便使其在光学领域得到广泛的应用,如在冷原子实验、原子钟、原子磁力仪中均采用半导体激光器作为抽运光源,并且实验中需将激光器的工作频率锁定在原子超精细共振线处^[1,2,3]。常用的半导体激光器的稳频方案通常采用饱和吸收谱(SAS)技术,但这种方法需要外加调制信号,增大激光的频率噪声^[4];同时,在原子磁力仪系统中,抽运光的工作频率将影响被抽运原子的极化率,进而影响磁力仪灵敏度^[5]。为此,研究了二向色性原子蒸气激光稳频技术(dichroic atomic vapor laser lock,DAVLL),该方法无需外加调制信号,非常适用于原子磁力仪激光器频率锁定^[6,7]。

本文采用DFB894.6 nm半导体激光器和铯(Cs)原子气室搭建了DAVLL稳频装置,测量了不同磁场条件下的DAVLL谱,并采用DAVLL谱实现分布反馈半导体激光器频率锁定。 1 DAVLL原理

DAVLL技术的基本原理如图 1(a)所示^[8],在磁场中原子二能级跃迁模型F_g=1→F_e=0的基态能级因塞曼效应将产生分裂和移动,频移量为gμB,其中g、μ和B分别表示朗德因子、玻尔磁子和磁感应强度。当采用线偏振光照射原子时,由于塞曼子能级的移动,导致组成线偏振光的左旋圆偏振成分σ⁺和右旋圆偏振成分σ^-所感受的共振频率不同,其透射谱χ₊和χ_-如图 1(b)所示,其中横坐标Δ代表频率的相对失谐;通过原子后,两圆偏振成分的透射谱不同,其差值满足:

图 1

Fig. 1

图 1 DAVLL稳频的基本原理 Fig. 1 The principle of DAVLL

DAVLL实验装置如图 2所示。光源选用DFB894.6 nm半导体激光器,线宽约为10 MHz,长为30 mm的圆柱形Cs原子气室置于长直螺线管内部。激光经准直透镜和小孔光阑后变成平行光,经半反镜分成两束,一束用来搭建饱和吸收光谱作为频率参考,另一束经偏振片A和B变成线偏振光照射Cs气室,采用双偏振片A和B同时调节输入光信号的幅度和偏振态,经偏振片B后的入射光强约为0.5 mW/cm²。检测系统由λ/4波片和PBS组成,并要求λ/4波片的快轴和 PBS的夹角为π/4,采用低噪声光电检测电路将光信号转换成电信号,做差后送入示波器和控制电路,在示波器上将同步显示饱和吸收谱和DAVLL谱。

图 2

Fig. 2

图 2 DAVLL实验装置图 Fig. 2 Experimental schematic diagram of DAVLL

当采用三角波信号调制激光器的驱动电流时,将使激光器的输出频率产生周期性连续变化,依次扫过Cs原子D1线的超精细共振线,测量得到的Cs原子D1线F=4→F′=3,F=4→F′=4,F=3→F′=3,F=3→F′=4跃迁的4个DAVLL谱和SAS谱,如图 3所示。横坐标表示激光器的相对工作频率,相邻较近的两谱线的频率间隔为1.167 GHz,对应Cs原子D1线激发态超精细能级间隔,纵坐标表示信号的幅度。从图中可见,DAVLL谱具有典型的色散线型,可直接作为反馈信号控制激光器的工作电流,将激光器频率锁定在图中色散线型的中心点处。实验测量了不同磁场条件下的DAVLL谱,发现随着磁场强度的增加,DAVLL谱的峰峰值逐渐增大,导致色散曲线中心零点处斜率增大,而色散曲线零点处的频率保持不变。因此,采用Cs原子D1线DAVLL谱锁频仅能将激光频率稳定在Cs原子超精细共振线处。

图 3

Fig. 3

图 3 DAVLL谱和SAS谱 Fig. 3 DAVLL spectrum and SAS spectrum

半导体激光器驱动电路工作流程如图 4所示,主要由温度控制电路和电流源组成。电流驱动电路包括:三角波信号、DAVLL反馈信号和高稳电压源。电路控制流程为:①首先断开DAVLL反馈信号,通过调整高稳电压源的输出电压改变激光器驱动电流静态工作点,三角波信号叠加在静态工作点上,使激光器输出电流小范围内周期变化,通过改变静态工作点,在示波器上将同时观察到DAVLL谱和SAS谱;②逐渐减小三角波信号,减小扫频范围,选定锁频点,并调节DAVLL谱峰峰值和反相器;③断开三角波信号,同时接通DAVLL反馈信号即可实现激光器频率锁定。

图 4

Fig. 4

图 4 电路设计流程图 Fig. 4 Schematic diagram of the circuit design

半导体激光器的工作温度将直接影响其工作频率,实验选用DFB894.6 nm半导体激光器的温度系数为0.06 nm/℃,即当温度变化ΔT=0.001 ℃时,波长变化量Δλ=0.000 06 nm,相应频率变化量Δν≈22.4 MHz,此时才能满足激光频率控制的要求。而温度稳定性达到0.001 ℃的控制系统很难实现,因此激光器控制电路将主要通过调节激光器的工作电流实现激光器频率锁定。温度控制电路主要保证周围环境温度不会引起激光器输出频率产生较大波动,系统中采用半导体制冷硅和热敏电阻组成闭环温度控制系统,温度稳定度可达到0.1 ℃。

随着半导体激光器驱动电流的增加,测量得到如图 3所示的饱和吸收谱,发现当半导体激光器的驱动电流改变5 mA时,恰好观察到4个饱和吸收谱,且已知饱和吸收谱F=4→F′=3 与F=3→F′=4跃迁的频率间隔为10.359 GHz,由此可知激光器随驱动电流的变化率约为2 GHz/mA。若实现激光器频率稳定度为20 MHz,驱动电流的稳定度需达到10 μA。为此采用高稳电压基准器件LTZ1000作为电压源,其温度系数仅为0.05×10^-6/℃,电路中采用低温漂AD707运算放大器和塑封金属箔电阻。为测试半导体激光器的频率稳定性,实验中采用安捷伦8位半万用表对锁频后的激光器工作电流进行测量,此时激光器频率锁定在F=4→F′=3共振线处,测量结果如图 5所示。测量1小时条件下,电流噪声的峰峰值约13 μA,说明此激光器频率的小时稳定度为26 MHz,而曲线短期电流噪声仅为8 μA,激光器频率的分稳定度可达16 MHz。

图 5

Fig. 5

图 5 锁频下的电流稳定性 Fig. 5 Current stabilization of frequency locking

本文介绍了DAVLL半导体激光器稳频技术的基本原理,采用DFB894.6 nm半导体激光器和Cs原子气室搭建DAVLL实验装置,测量了不同磁场条件下的DAVLL谱,实验结果证明磁场强度的大小仅影响DAVLL谱零点处的斜率,而不影响零点处的频率。根据锁频原理设计制作了半导体激光器温度控制电路和电流控制电路,通过对稳频后激光器工作电流的测试,证明此稳频装置可实现激光器频率的小时稳定度为26 MHz,分稳定度达16 MHz。