激光穩(wěn)頻技術(shù)

Laser Frequency Stabilization

激光器作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)重要標(biāo)志之一已經(jīng)在精密干涉測量、光頻標(biāo)、激光通信、激光陀螺 、激光雷達等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在激光的眾多指標(biāo)中激光頻率穩(wěn)定度是一個極其重要的指標(biāo)參數(shù)。因此，隨著激光應(yīng)用的發(fā)展激光穩(wěn)頻技術(shù)成為基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要方向在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

現(xiàn)在激光器的穩(wěn)頻技術(shù)主要分為主動式穩(wěn)頻和被動式穩(wěn)頻。

主動式穩(wěn)頻： 把單頻激光器的頻率與某個穩(wěn)定的參考頻率相比較，當(dāng)振蕩頻率偏離參考頻率時，鑒別器就產(chǎn)生一個正比于偏離量的誤差信號。這個誤差信號經(jīng)放大后又通過反饋系統(tǒng)返回來控制腔長，使振蕩頻率回到標(biāo)準(zhǔn)的參考頻率上，實現(xiàn)穩(wěn)頻。這種穩(wěn)頻的方法又可依據(jù)選擇參考頻率方法的不同分為兩大類。一類是把激光器中原子躍遷的中心頻率作為參考頻率。把激光頻率鎖定到躍遷的中心頻率上。屬于這類方法的有：蘭姆凹陷法、塞曼效應(yīng)法、功率最大值法等。這類方法簡便易行，能夠滿足一般精密測量的需要。但是復(fù)現(xiàn)度相對不高。另一類方法是把振蕩頻率鎖定在外界的參考頻率上，例如用分子或原子的吸收線作為參考頻率，這是目前水平最高的一種穩(wěn)頻方法。所選取得吸收物質(zhì)的吸收頻率必須與激光頻率相重合。這種穩(wěn)頻方法較為復(fù)雜，但可以得到較高的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)度。

被動式穩(wěn)頻： 利用熱膨脹系數(shù)低的材料制作諧振腔的間隔器；或?qū)崤蛎浵禂?shù)為負(fù)值的材料與熱膨脹系數(shù)為正值的材料按一定長度配合，以使熱膨脹互相抵消。實現(xiàn)穩(wěn)頻。這種方法一般用于工程上對穩(wěn)頻精度要求不高的場合。當(dāng)然在精密控溫的實驗室內(nèi)，再加上性能極好的聲熱隔離裝置，也可達到很高的穩(wěn)定度。

PDH 穩(wěn)頻技術(shù)

Pound-Drever-Hall Technology

目前主動式穩(wěn)頻中的原子分子飽和吸收法和Pound-Drever-Hall（PDH）技術(shù)是激光穩(wěn)頻技術(shù)中最主要的兩種方法，然而原子分子飽和吸收法受波長限制比較大 。PDH穩(wěn)頻技術(shù)選擇不受波長限制的法布里－珀羅干涉儀（FPI）作為頻率參考標(biāo)準(zhǔn)，因其具有系統(tǒng)抗干擾能力強、不易失鎖、穩(wěn)定度高等優(yōu)點，使其廣泛應(yīng)用到干涉引力波探測器、原子物理學(xué)和時間測量標(biāo)準(zhǔn)等領(lǐng)域，并成為了主流的穩(wěn)頻方案。

PDH技術(shù)使用了常見的光學(xué)外差光譜和射頻電子學(xué)技術(shù)，用標(biāo)準(zhǔn)具或法布里-珀羅F-P腔測量激光器的頻率，并將測量結(jié)果反饋給激光器，來抑制激光器的頻率偏差。其優(yōu)點包括來自激光強度的頻率測量的解耦，以及響應(yīng)時間，這可能比腔的響應(yīng)時間更快。

iXblue調(diào)制器實現(xiàn)PDH穩(wěn)頻技術(shù)

Choosing a good Phase Modulator for PDH

法國iXblue集團作為國際知名光通信設(shè)備生產(chǎn)商，有著30年多年的研發(fā)、生產(chǎn)經(jīng)驗，公司研發(fā)生產(chǎn)了多種規(guī)格的調(diào)制器，可完全適配到PDH技術(shù)的反饋裝置之中。

下圖為典型PDH系統(tǒng)圖，當(dāng)激光器的頻率與F-P腔的FSR（整數(shù)倍）完全匹配時，入射到F-P腔后經(jīng)歷多次反射，利用諧振腔的共振頻率作為頻率參考標(biāo)準(zhǔn)進行鑒頻，反射回PBS的光束相當(dāng)于與諧振腔的參考頻率建立起一定關(guān)系。同時，通過光外差光譜檢測技術(shù)檢測反射譜線（色散型譜線，該譜線反映了激光頻率與光學(xué)共振頻率之間的偏差)。之后，再經(jīng)過混頻器、低通濾波器等電子電路處理，便可獲得激光頻率相對于諧振腔共振頻率的誤差信號，最后通過反饋系統(tǒng)補償激光，讓頻率穩(wěn)定在誤差信號的零點附近，從而實現(xiàn)激光頻率的穩(wěn)定。在反饋系統(tǒng)中，激光相位調(diào)制頻率的選擇直接影響了穩(wěn)頻系統(tǒng)的性能。當(dāng)調(diào)制頻率大小接近F-P腔線寬時，穩(wěn)頻系統(tǒng)具有最高的鑒頻靈敏度，當(dāng)調(diào)制頻率高于F-P腔線寬時，在F-P腔共振頻率附近出現(xiàn)很陡的線性鑒頻區(qū)，依然具有較高的鑒頻靈敏度，并且調(diào)制頻率越高，系統(tǒng)捕獲范圍和鎖定帶寬越大，激光器的低頻幅度噪聲也可有效避免。

▲ PDH典型系統(tǒng)

考慮到當(dāng)使用電光調(diào)制器來實現(xiàn)PDH技術(shù)時，在環(huán)境擾動期間，剩余幅度調(diào)制（RAM）總是引起錯誤信號的扭曲和意外的頻率偏移，以及激光源的窄線寬和所需調(diào)制深度。iXblue公司專門研發(fā)了為PDH設(shè)計減小RAM和深調(diào)制深度的相位調(diào)制器，并為不同波長適配不同系列的調(diào)制器，如下圖。

▲ iXbule LN-0.1相位調(diào)制器系列適配不同PDH波長

與市面上其它相位調(diào)制器相比，iXblue公司的LN-0.1系列調(diào)制器有以下諸多優(yōu)點：

• 適配低頻：直流耦合調(diào)制頻率200 MHz
• 專用于給定的波長范圍
• 極低的驅(qū)動電壓Vπ
• 低插入損耗（LIL選項）
• 高輸入阻抗來提高調(diào)制效率
• NIR系列高偏振消光比（PER）
• 低剩余幅度調(diào)制專利設(shè)計（EP3009879A1）

相位調(diào)制器在PDH技術(shù)中顯著性能

Excellent Performance of Phase Modulator for PDH

熱效應(yīng)抑制

為光通信應(yīng)用而設(shè)計和開發(fā)的普通高帶寬行波電光調(diào)制器在射頻線末端有負(fù)載電阻端，以減少電射頻反射。當(dāng)在低頻率下工作時，這種高速相位調(diào)制器在射頻微波線路中有過高的電流，這將通過焦耳效應(yīng)來引起局部加熱。當(dāng)頻率變得較低并且與熱效應(yīng)的時間常數(shù)相當(dāng)時，熱循環(huán)和散熱就成了一個問題。因此，在加熱和冷卻過程中，電極、波導(dǎo)的物理特性會發(fā)生變化。

▲ 調(diào)制頻率為50Hz時，強度的變化

上圖中上方曲線為調(diào)制信號，下方曲線為光強信號。左圖中調(diào)制器有電容電極，右圖調(diào)制器卸載了電容電極。由此看出在調(diào)制頻率均為50Hz時，由于右圖拆載了電容電極，導(dǎo)致熱減少，光強穩(wěn)定。

為了減小上熱對系統(tǒng)的影響，iXblue的LN-0.1系列相位調(diào)制器采用高輸入阻抗負(fù)載（10kΩ)或開路式電極導(dǎo)線(1 MΩ)的設(shè)計抑制熱效應(yīng)。iXblue調(diào)制器應(yīng)用到PDH時，通過相關(guān)實驗證明其調(diào)制器可在一個大的溫度范圍內(nèi)（-40℃到+85°C）保持性能穩(wěn)定。

剩余幅度調(diào)制抑制

當(dāng)使用電光調(diào)制器實現(xiàn)PDH技術(shù)時，在環(huán)境擾動期間，剩余幅度調(diào)制（RAM）總是引起錯誤信號的扭曲和意外的頻率偏移。當(dāng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性逐漸降低到極低水平時，抑制或減輕RAM引起的頻率不穩(wěn)定性就變得非常重要。

如上圖所示，在MPX-LN-0.1-1500的DC上加載電壓時，RAM會隨著在調(diào)制器上加載的一個直流電壓的變化而降低，該電壓會使鈮酸鋰波導(dǎo)有一個整體負(fù)折射率變化。當(dāng)加載的DC電壓為5-15V時，足以將RAM降低>10 dB。這使得iXblue的調(diào)制器在應(yīng)用到PDH技術(shù)時，會顯著提高激光器的頻率穩(wěn)定性。而且iXblue LN-0.1系列調(diào)制器內(nèi)部嵌入高阻抗射頻負(fù)載終端，不會被直流信號所損壞。