趙亞楠

(陜西廣播電視大學(xué)工程管理系， 陜西 西安 710119)

0 引 言

半導(dǎo)體激光穩(wěn)頻技術(shù)是半導(dǎo)體激光的一種重要技術(shù)，它不但可用于長度的精密測(cè)量，而且在激光通訊、原子鐘、納米計(jì)測(cè)、三維精密控制以及原子、分子結(jié)構(gòu)的精密測(cè)量和能態(tài)的標(biāo)定、物理基本常數(shù)的精密測(cè)量等方面有著廣泛的應(yīng)用[1].

1 激光穩(wěn)頻原理

在很多冷原子物理實(shí)驗(yàn)中，常采用半導(dǎo)體激光器作為冷卻與俘獲光源以及再泵浦光源,但是半導(dǎo)體激光器在自由運(yùn)轉(zhuǎn)下頻率偏移以及跳動(dòng)較大，不能滿足冷原子實(shí)驗(yàn)要求,因此通常需要對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行頻率鎖定[2].

用于激光冷卻與俘獲研究系統(tǒng)中的半導(dǎo)體激光器，其頻率鎖定通常選定原子吸收譜線或熒光譜線的中心頻率作為參考頻率標(biāo)準(zhǔn)，用飽和吸收譜或熒光譜裝置提供參考信號(hào)[3].而鎖頻環(huán)路中的反饋則可以通過半導(dǎo)體的注入電流或外部反饋控制元件如控制光柵反饋角度的壓電陶瓷施加,還可以利用電流和壓電陶瓷不同的響應(yīng)帶寬用濾波器對(duì)反饋的信號(hào)分頻并適當(dāng)調(diào)整,相位相同時(shí)把高頻信號(hào)反饋入電流，低頻信號(hào)反饋回壓電陶瓷.在閉環(huán)鎖定以后激光器的頻率波動(dòng)都能夠小于1 MHz.

設(shè)激光頻率為υ，加入頻率調(diào)制后，激光頻率的變化量為msin(Ωt)，其中Ω為調(diào)制頻率，m為調(diào)制系數(shù),則加入頻率調(diào)制后的激光頻率可表示為：υ+msin(Ωt).當(dāng)探測(cè)光束通過原子汽室后，被原子樣品吸收，輸出光強(qiáng)可用IT[υ+msin(Ωt)]表示.在調(diào)制較弱且調(diào)制頻率較低的情況下(m，Ω<τ,τ為吸收譜線線寬)，可將探測(cè)光的透射光強(qiáng)表達(dá)式作Taylor展開：

(1)

合并Ω的同類項(xiàng)后可得到：

IT[υ+msin(Ωt)]

(2)

若在頻率Ω處采用相敏檢波技術(shù)，如采用鎖相放大器Lock-In在調(diào)制信號(hào)的一次諧波Ω處解調(diào)，即可檢出(2)式中sin(Ωt)項(xiàng)的系數(shù).由于調(diào)制系數(shù)m較小，sin(Ωt)的系數(shù)中后面的各項(xiàng)均很小可忽略，因此就近似得到了透射信號(hào)的一階微分項(xiàng).同理，在3次諧波3Ω處進(jìn)行相敏檢波，可以得到透射信號(hào)的三階微分項(xiàng).由于吸收譜線的奇數(shù)階微分曲線具有類色散型的特點(diǎn)，因此可用作穩(wěn)頻的鑒頻曲線.將吸收峰的微分信號(hào)反饋回激光器，即可將激光頻率鎖定到微分信號(hào)的電平零點(diǎn).

2 461 nm半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 461nm激光器

實(shí)驗(yàn)中使用的461 nm激光器系統(tǒng)是由德國Toptica Photonics公司研制的TA/DL-SHG110 高功率環(huán)形倍頻激光器.如圖1為TA/DL-SHG110 光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要由兩部分組成，第一部分是DL100半導(dǎo)體激光器，產(chǎn)生高功率波長為922 nm激光(主激光)；第二部分是SHG110系統(tǒng)，利用環(huán)形腔作為倍頻腔，以PP-KTP準(zhǔn)相位匹配晶體作為倍頻晶體，利用二次諧波原理(SHG)對(duì)922 nm紅外光激光進(jìn)行倍頻，從而獲得穩(wěn)定的461 nm藍(lán)光.

環(huán)形倍頻腔的跟蹤鎖定系統(tǒng)由PID110 控制模塊、PDD110 模塊及快光電探測(cè)器、慢光電探測(cè)器(固定在環(huán)形腔鏡RM3上)、壓電陶瓷(固定在環(huán)形腔鏡RM2上)組成.通過這些鎖定元素，環(huán)形腔的腔長通過Pound-Drever-Hall方法與基波波長相匹配，以實(shí)現(xiàn)倍頻腔與主激光器之間的跟蹤與鎖定.

圖1 TA/DL-SHG 110 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖2 激光垂直入射時(shí)Sr熱原子的熒光光譜

2.2 Sr熱原子熒光譜

在461 nm激光器穩(wěn)頻的實(shí)驗(yàn)過程中，用于激光穩(wěn)頻的參考頻率可以通過選擇Sr熱原子的飽和吸收光譜信號(hào)或熒光光譜信號(hào)獲得,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中選擇激光誘導(dǎo)激發(fā)熒光光譜信號(hào)作為參考頻率.激光誘導(dǎo)激發(fā)熒光光譜方法是激光作用于樣品池中的原子，通過掃描激光波長，在樣品池中產(chǎn)生的輻射熒光直接由探測(cè)器光電倍增管接收(或者先經(jīng)過特定波長的濾波片選擇探測(cè)從上態(tài)到某個(gè)下態(tài)的分支熒光)，再進(jìn)行處理和記錄而獲得樣品光譜，所獲得的光譜等效于吸收光譜.熒光光譜非常穩(wěn)定，可以作為激光穩(wěn)頻的絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，因此熒光光譜技術(shù)在激光穩(wěn)頻方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值.

在穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)中，通過探測(cè)到的Sr熱原子熒光光譜信號(hào)來改善激光頻率的穩(wěn)定性.圖2曲線a為入射激光與原子束垂直作用時(shí)測(cè)得的Sr熱原子熒光光譜，曲線峰值強(qiáng)度較大的為88Sr的譜線信號(hào)，峰值強(qiáng)度較小的為86Sr的譜線信號(hào)，同位素88Sr和86Sr躍遷譜線間的頻移量為124.8 MHz.曲線b為自制F-P腔的激光透射峰，F(xiàn)-P腔縱模間隔為750 MHz.利用該F-P腔測(cè)量得到Sr原子1S0→1P1能級(jí)躍遷的熒光光譜線寬為110 MHz，與理論計(jì)算得到的熒光光譜線寬的結(jié)果吻合.

非小細(xì)胞肺癌表皮生長因子受體基因突變274例分析…………………………………………………… 王 艷等（20）：2817

2.3 Lock-In穩(wěn)頻的實(shí)驗(yàn)裝置

461 nm激光器的鎖頻系統(tǒng)利用了德國Toptica公司的LIR110穩(wěn)頻模塊,它包括調(diào)制源、輸入信號(hào)放大器、相敏檢波部分、PID模塊,圖3為Lock-In穩(wěn)頻的簡略框圖(虛線框內(nèi)為LIR110模塊的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖).光電探測(cè)器探測(cè)到的熒光光譜信號(hào)進(jìn)入LIR110模塊即可進(jìn)行激光穩(wěn)頻，通過調(diào)節(jié)LIR110模塊的modulation output按鈕可觀察經(jīng)過信號(hào)放大器放大的熒光光譜信號(hào)及相應(yīng)的一次微分信號(hào).

圖3 Lock-In穩(wěn)頻框圖 圖4 461 nm激光器系統(tǒng)熒光穩(wěn)頻裝置

圖4為熒光穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)過程中鍶爐加熱至630 ℃，系統(tǒng)的真空度維持在1.0×10-6Pa.激光源為TA/DL-SHG 461 nm的倍頻半導(dǎo)體激光器，激光功率為240 mW，激光線寬小于2 MHz，掃描范圍約為20 GHz.激光依次經(jīng)過二分之一波片及PBS分束鏡、10倍擴(kuò)束鏡、圓形光闌、兩個(gè)45°高反鏡作用于Sr熱原子束. 由兩個(gè)焦距f=5 cm 的凸透鏡組合而成的復(fù)合透鏡系統(tǒng)收集熒光信號(hào)，用型號(hào)為DET10 A/M的高靈敏度探測(cè)器2探測(cè)熒光信號(hào).

3 穩(wěn)頻結(jié)果及討論

下面結(jié)合Lock-In穩(wěn)頻框圖和穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)中的熒光光譜穩(wěn)頻裝置簡單介紹LIR110模塊的工作原理及調(diào)節(jié)步驟.

經(jīng)過光電探測(cè)器1后的熒光信號(hào)進(jìn)入LIR110模塊的輸入信號(hào)放大器，將信號(hào)放大30倍并選擇DC直流耦合方式,然后由調(diào)制源對(duì)激光頻率υ0進(jìn)行調(diào)制，激光頻率變化量為Δυ，我們選用的正弦頻率調(diào)制信號(hào)為4.3 kHz.在把461 nm激光器的頻率鎖定在Sr原子精細(xì)躍遷譜線的過程中，首先要選定適當(dāng)?shù)恼{(diào)制頻率和相位，使得鑒頻信號(hào)信噪比最高，然后適當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)制信號(hào)的幅度，再調(diào)節(jié)低通濾波得到較好的鑒頻信號(hào).

圖5 Sr熱原子的熒光光譜(加調(diào)制信號(hào)) 圖6 一階微分曲線

圖5為加調(diào)制信號(hào)后的Sr原子的熒光光譜，其中同位素88Sr和86Sr躍遷譜線間的頻移量為124.8 MHz.圖6為穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)中得到的典型的經(jīng)過一次諧波探測(cè)，由鎖相放大器相敏檢波獲得的一階微分曲線(用于穩(wěn)頻的類色散鑒頻曲線).

圖6的一次微分曲線中出現(xiàn)了兩個(gè)不同的一次微分信號(hào)，較小的一次微分信號(hào)對(duì)應(yīng)于Sr原子熒光光譜中峰值強(qiáng)度較小的86Sr的譜線信號(hào)，較大的一次微分信號(hào)對(duì)應(yīng)于Sr原子熒光譜中峰值強(qiáng)度較大的88Sr的譜線信號(hào).實(shí)驗(yàn)中采用的是峰值強(qiáng)度較大的88Sr的譜線信號(hào)對(duì)應(yīng)的一次微分信號(hào).已知同位素88Sr和86Sr躍遷譜線間的頻移量為124.8 MHz，可以估測(cè)出圖6中對(duì)應(yīng)的躍遷線中間的曲線形部分的頻率跨度為50 MHz，測(cè)得其對(duì)應(yīng)縱軸方向的電壓幅度為90 mV，斜率為655 kHz/mV.

圖7 激光自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的熒光光譜信號(hào) 圖8 激光器閉環(huán)鎖定后的熒光光譜信號(hào)

圖7為激光自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的熒光光譜信號(hào)，此時(shí)的頻率漂移大約7 MHz/min.圖8為激光器閉環(huán)鎖定后20 s內(nèi)記錄到的典型躍遷峰值信號(hào)，閉環(huán)鎖定后激光器的頻率起伏得到了顯著的抑制，頻率起伏約710 kHz/min.激光器可在閉環(huán)鎖定狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)小時(shí)而不失鎖，可以滿足激光冷卻和俘獲鍶原子的實(shí)驗(yàn)要求.

4 結(jié)束語

本文利用激光誘導(dǎo)熒光光譜的技術(shù)閉環(huán)鎖定了461 nm激光器，獲得了高功率、窄線寬、穩(wěn)定的藍(lán)光，其頻率漂移710 kHz/min，滿足實(shí)驗(yàn)要求.

在本文的穩(wěn)頻方案中，譜線多普勒背景對(duì)一階微分曲線零點(diǎn)(即頻率參考點(diǎn))的確定有一定的影響.對(duì)此，我們可以在熒光穩(wěn)頻裝置中引入零度高反鏡，通過探測(cè)光與反射光信號(hào)相減的方法在一定程度上消弱多普勒背景，同時(shí)提高熒光信號(hào)的強(qiáng)度值[5].另外，人們提出了3次乃至5次諧波探測(cè)法以獲得3次(或五階)微分鑒頻曲線[4]來有效地降低多普勒背景的影響，并且可以避開系統(tǒng)在低頻Ω處比3Ω處高的1/f噪聲，原則上可提高系統(tǒng)頻率鎖定的穩(wěn)定性[6].

參考文獻(xiàn)

[1] 藍(lán)信炬.激光技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2008：252-296.

[2] T. Day, F. Luecke,M. Brownell. Continuously tunable diode lasers[J].Lasers and Optronics,1993,(6):15-17.

[3] 陳景標(biāo)，朱程錦，王鳳芝,等.斜入射激光抽運(yùn)銫束頻標(biāo)中的光頻移[J].光電子·激光，2001，(12)：51-54.

[4] C. J. Hawthorn, K. P. Weber, R. E. Scholtena. Littrow configuration tunable external cavity diode laser with fixed direction output beam[J].Rev. Sci. Instrum.，2001,(72):4 477-4 479.

[5] 陳徐宗.半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻原理及技術(shù)[D].北京：北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院量子電子學(xué)研究所碩士學(xué)位論文，2009.

[6] 臧二軍，曹建平，鐘明琛,等.用單塊激光器和環(huán)形外腔獲得穩(wěn)定的532 nm激光[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2003，3(23)：335-340.