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簡(jiǎn)介
窄線寬連續(xù)激光器廣泛應(yīng)用于原子、分子以及物理光學(xué)領(lǐng)域，在精密測(cè)量設(shè)備中有著舉足輕重的作用。那些并不帶有波長(zhǎng)穩(wěn)頻技術(shù)的激光器，其短時(shí)間穩(wěn)定性不適合很多應(yīng)用。本文檔將會(huì)給您介紹一種簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)，控制并且穩(wěn)定連續(xù)激光的波長(zhǎng)，使其成為高精細(xì)光學(xué)諧振腔。精密光譜學(xué)和原子分子操控技術(shù)得益于該穩(wěn)頻技術(shù)，并且在過(guò)去的幾十年發(fā)展迅猛。
影響激光器頻率穩(wěn)定性的因素有很多：溫度變化、機(jī)械震動(dòng)、大氣變化、磁場(chǎng)等等。穩(wěn)頻的本質(zhì)是保持諧振腔光程長(zhǎng)度的穩(wěn)定性。
下文中我們會(huì)介紹如何搭建激光穩(wěn)頻的閉環(huán)控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)，和所需要的設(shè)備。
閉環(huán)控制基礎(chǔ)
一個(gè)基本的反饋控制系統(tǒng)如下圖描述。激光器輸出的一部分光被探測(cè)器采集（鑒頻器），輸出誤差信號(hào)，伺服控制器分析采樣，并與標(biāo)準(zhǔn)頻率對(duì)比，自動(dòng)調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)，將激光頻率恢復(fù)到特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率上，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻的目的。
不同的激光器頻率固有噪音以及線寬差異很大，主要依賴于諧振腔的設(shè)計(jì)，增益介質(zhì)的特性，以及一些其他參數(shù)，比如固體激光器的泵浦源的波動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)等等。在半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)中，較大的自發(fā)輻射速率也會(huì)帶來(lái)頻率/相位的噪音。
為了探測(cè)到激光器的頻率的波動(dòng)，就需要一個(gè)非常穩(wěn)定的參考頻率做比較。常用的做法是利用一個(gè)高精細(xì)結(jié)構(gòu)的法布里—珀羅腔，可以提供一定時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性。法布里—珀羅腔的共振頻率（Vm）取決于腔長(zhǎng)L，可以表述為：Vm = m(c/2L)。諧振腔的機(jī)械結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間會(huì)有漂移（長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定不會(huì)很好），但是可以提供很好的短期穩(wěn)定性（~秒）。為了將激光器的頻率緊緊地鎖在法布里—珀羅腔的共振頻率上，必須要能快速的探測(cè)到該共振信號(hào)，并且具有較高的信噪比SNR。這是反饋系統(tǒng)中最具有挑戰(zhàn)的地方，而且會(huì)決定整個(gè)系統(tǒng)的性能。
PDH實(shí)驗(yàn)圖，EOM是電光調(diào)制器，
PBS：偏振分光鏡，1/4：四分之一波片
激光器的頻率和參考共振頻率的差異經(jīng)過(guò)鑒頻器會(huì)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，鑒頻器的轉(zhuǎn)換效率D的單位為V/Hz。鑒頻器輸出的電壓，或者稱為“誤差信號(hào)”，可以有好幾種方法獲得。最好的辦法是用F-P腔的相位特性穩(wěn)頻(Pound-Drever-Hall,PDH)。首先利用電光調(diào)制器對(duì)激光做相位調(diào)制，在激光載波兩側(cè)產(chǎn)生兩個(gè)振幅相等，相位相反的邊頻（忽略高階邊頻）。F-P腔完全與入射激光共振時(shí)，兩邊頻被F-P腔反射的強(qiáng)度相等，它們與載頻產(chǎn)生拍頻后的信號(hào)大小相等，相位相反，故完全抵消，輸出誤差信號(hào)為零。如果入射激光與F-P腔不完全共振，兩邊頻被F-P腔反射的強(qiáng)度不等，拍頻后的信號(hào)相位相反，但強(qiáng)度不等，故輸出誤差信號(hào)不為零。誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)校正電路輸出到腔長(zhǎng)控制器中，從而調(diào)節(jié)激光器諧振腔。
PDH穩(wěn)頻控制中需要使用要求比較苛刻的產(chǎn)品，New Focus可以提供絕大部分，包括相位調(diào)制器(New Focus 型號(hào)4001或者4003)，低噪音光電探測(cè)器（型號(hào)16x1-AC系列）。
小結(jié)
上述穩(wěn)頻方法可應(yīng)用于New Focus可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器TLB-7100，TLB-6700，TLB-6800系列。根據(jù)上述方法，自己搭建穩(wěn)頻系統(tǒng)，可以在一定程度上提高頻率穩(wěn)定性，但是僅僅作為一種穩(wěn)頻的開(kāi)始。如果您需要讓激光器達(dá)到更優(yōu)越的性能，那么您需要考慮更多因素，如更高端的伺服控制系統(tǒng)，更具穩(wěn)定性的參考諧振腔結(jié)構(gòu)等。
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