1 引言

窄线宽激光具有极高的频率稳定度和光谱纯度,是高精密测量的重要手段,在光钟^[1-2]、精密光谱学^[3]、引力波探测 [4、测量基本物理定律 [5、低噪声微波信号^[6]的产生、精密测量^[7]等领域具有极其重要的应用。在光原子钟中,窄线宽激光器作为本地振荡器,为光钟提供中短期稳定度,目前地面光钟的频率稳定度已经达到10^-18量级^[8-9]。原子钟性能的提高使其在空间科学应用研究中具有重大需求^[10],国际上相继开展了面向空间应用的原子钟研究计划^[11-13]。作为本地振荡器的窄线宽激光器,决定着空间光钟的中短期稳定度,因此设计与研制适应空间工作环境的窄线宽激光器也成为近年来国际空间科学应用研究的重要目标。

由于窄线宽激光系统的前沿性和复杂性,目前尚无空间环境实际应用的先例。正在开展的欧盟空间光钟(SOC2)二期实验项目设计的包括外腔半导体(ECDL)激光器在内的光学模块,搭建在600 mm×450 mm×80 mm的实验平台上,激光器输出的光通过光纤模式清洁后分为三束光,作为模块光源,光纤输出端的光功率为15 mW,稳定度为2.5×10^-15 s^-1,但该项目目前还处于实验阶段^[14]。中国科学院上海光学精密机械研究所设计的空间激光冷却平台采用3台分布布拉格反射(DBR)激光器作为光源,采用柱面组合棱镜将激光器的输出光束缩至Ф0.25 mm,声光调制器(AOM)的单通衍射效率超过70%,满足了激光冷却的要求^[10]。本研究的空间窄线宽激光器的光学部分只有一台激光器,光学组件的减少降低了平台的总质量和功耗,但却使系统的功能复杂化,光学长度增长,对光路指向稳定性的要求更为苛刻。此外,项目要求激光器具有较宽的扫频能力,采用双透镜设计方案,并使用小型化的光学组件构建实验平台,实现了大范围的调谐带宽。

2 光路设计

2.1 系统结构

空间窄线宽激光器主要包括激光器、光学单元、参考腔单元、控制单元、光纤相位噪声抑制(FNC)单元、功率稳定单元和用户单元(光学频率梳、光钟),总体组成结构如图1所示。光学单元基于PDH(Pound-Drever-Hall)稳频原理,激光器输出的光经过电光相位调制器实现位相调制,经腔前光路后注入光学参考腔。光学参考腔结合主被动隔振、精密控温、前馈补偿等综合措施,为激光器系统提供激光频率基准。控制单元通过对比例-积分-微分(PID)控制器参数及相关链路的优化,将控制信号反馈给激光器,达到激光锁定的目的,最后将稳频后的激光信号传递给用户使用。光纤相位噪声抑制单元用来消除光纤的随机相位噪声,实现光纤输入光与输出光的相位相干性。功率稳定单元通过监测光学参考腔的透射信号光功率抖动,进一步提高窄线宽激光器输出光的频率稳定度。本研究侧重于主光路的光学设计研究,未涉及窄线宽激光器、光学参考腔单元及电学控制单元的设计研究。

图 1. 空间窄线宽激光器总体结构图

Fig. 1. Structure of space narrow linewidth laser

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2.2 主光路设计

与地面系统相比较,面向空间应用的窄线宽激光器系统的资源分配有限,光钟升空环境复杂,在轨运行空间环境苛刻,因此主光路既要满足空间光钟参考跃迁的功能要求,为光钟提供小于1 Hz的窄线宽激光光源,也要考虑体积、重量等因素,要求整体体积不大于420 mm×420 mm×450 mm,质量不大于75 kg。另外,地面窄线宽激光器系统对功耗、热耗的要求相对宽松,后续光路的光功率需求可通过增加激光源输出光功率实现。而空间窄线宽激光器系统要求平均功耗不大于108 W,严格的功耗要求使得激光源的输出光功率有限。为保证后续光路的光功率要求,需要对主光路进行设计,以提高系统的光功率利用率。

采用小型化光学组件构建系统光路,可以减小体积,减轻系统重量。对于系统的功率利用率而言,光路中的光功率损耗包括AOM双通光功率损耗、光纤耦合效率、隔离器损耗以及元器件插入损耗。激光器输出的激光功率为25 mW,由隔离器和元器件引入的损耗为30%,为保证提供给用户的光功率大于6 mW,AOM的衍射效率和光纤耦合效率要大于60%。通常,在AOM前放置长焦透镜,可以获得良好的AOM衍射效率^[15],但增加了光路体积,占用了一定的空间资源。为更好地满足空间环境和资源分配的需要,压缩光路以提高系统效率,将地面系统中AOM使用的长焦透镜改用为短焦双透镜组,以提高AOM的衍射效率。此外,为提高锁频光路与光学参考腔之间以及激光稳频光信号与光钟、光学频率梳之间的单模光纤耦合效率,设计对应的扩束短焦双透镜组,以便更好地满足光学参考腔及光钟、光学频率梳等的功率需求。

空间窄线宽激光器主光路原理图如图2所示。整个光路分成两部分,分别布局在356 mm×336 mm×34 mm光路板(加筋结构)的正反两面(A面和B面),有效地利用光路板的空间位置集成光学模块,减小空间体积和减轻重量。激光器输出的光经过短焦透镜组后经偏振分束棱镜(PBS)分成两束,一束光通过AOM2后到达0°反射镜,反射回来的光经过短焦透镜组进行光束变换后耦合进单模光纤,供光钟光谱测量和光学频率梳使用,其中FNC用来消除光纤的随机相位噪声;另一束光利用电光调制器(EOM)对激光的相位进行调制,调制后的激光经过腔前光路耦合透镜进入高精度光学参考腔内,光学参考腔的输出光(含反射光与透射光)被光电探测器(PD)接收,获得用于激光频率反馈的鉴频信号以及监测信号。鉴频信号输入到PID控制器后对激光器电流进行调制,实现激光频率的反馈控制,达到锁定激光频率的目的。图2中AOM1用来抵消由参考腔漂移引入的激光输出频率漂移,Osc为本地振荡源,RAM为剩余幅度调制。

图 2. 光路原理图

Fig. 2. Schematic of the optical path

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如图2中A面光路所示,AOM的通光孔径对光斑直径要求为0.4 mm左右,因此主光路采用短焦缩束透镜组,对激光器的输出光进行光束变换,使Ф1 mm的激光光束缩束至Ф0.4 mm。同时,为了满足光钟或其他用户的光学频率需求,A面光路需要具有光束移频的功能。B面是基于PDH稳频技术的激光锁定光路,用以压窄激光线宽,获得稳定的激光频率输出,为空间锶原子光钟提供中短期频率稳定度。由于A、B面的光纤耦合双透镜的要求及实现的功能类似,因此仅具体介绍A面AOM配套光学系统的光学仿真以及实验测试结果,其结论也适用于B面光纤耦合双透镜。

3 光学仿真与实验测试

3.1 光学仿真

半导体激光器波长为698.45 nm,输出功率为25 mW,输出光斑直径为1 mm。AOM基于声光效应实现光束移频功能,广泛应用于激光器相位同步、光谱等领域^[16]。为了满足用户的光学频率需求,A面光路放置两个AOM,AOM1用来抵消参考腔漂移引入的激光输出频率的漂移;AOM2具有大范围扫频功能,用以满足光钟光谱测量需求。设计短焦双透镜组,使半导体激光器的输入光在通过AOM时,入射至AOM端口的光束束腰直径与AOM孔径相匹配,以达到最优的通过效率和衍射效率。单元模块之间主要通过单模光纤进行光信号传递,为提高光纤耦合效率,采用短焦双透镜对激光器输出光束进行变换,使进入至光纤端口的光束直径为1.6 mm,与光纤耦合器相匹配。围绕各功能单元对光束质量的要求进行光学仿真设计,以提高功能单元的效率。进行光学仿真设计时,需要考虑束腰直径与位置、光束准直性、光路体积和元件可调节范围等因素,结合实际进行仿真设计。

根据光路原理图(如图2所示)设计仿真了两种透镜组,一种是缩束透镜组,用来压缩激光器输出光斑(透镜组1),另一种是放大AOM输出光斑的扩束透镜组(透镜组2)。两种透镜组缩放的光斑直径不同,所成光束的准直性和束腰所在位置也不同。结合总系统分配的资源指标,设计要求如图3所示,图中所注光束距离为实际距离,单位是mm。其中,AOM处的束腰直径为0.4 mm,光纤耦合器处的束腰直径为1.6 mm。为提高光纤的耦合效率,要求扩束透镜组所成光束的瑞利距离大于1000 mm。

图 3. 透镜组光学设计原理图

Fig. 3. Optical design schematic of lens group

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根据透镜组光学设计原理图,利用光学物理软件设计缩束透镜组和扩束透镜组,通过设置透镜的焦距、物距,调整透镜间距等输入参数,获得相应的光学参数,软件仿真结果见表1。缩束透镜组焦距f₁=11 mm,f₂=8 mm,用来缩小激光器输出光斑;扩束透镜组焦距f₃=8 mm,f₄=20 mm,用来放大AOM反射回来的输出光斑。由表1可以看出,缩束透镜组可以将激光器的输出光斑(Ф0.9 mm~Ф1 mm)缩束至Ф0.4 mm,束腰位置为240~280 mm,实际光路中允许有10~30 mm的位置误差,与设计要求的250 mm束腰位置比较接近,因此该透镜组可以实现所需光束的变换要求。用焦距f₃=8 mm,f₄=20 mm的扩束透镜可以将Ф0.4 mm的光斑放大至Ф1.6 mm,此时束腰位置距离透镜组235 mm,双透镜处的光斑直径为1.610 mm,准直距离大于1000 m,满足设计要求。

3.2 实验测试

为避免半导体激光器光束的不稳定性影响设计光路的实验验证与分析,结合实际测试条件,将软件设计得到的缩束透镜组更换为缩小光纤耦合头输出光斑为Ф1.580 mm的透镜组(f₁=11 mm,f₂=6.24 mm),两组透镜组的区别在于缩小得到的光斑束腰位置不一样,但都是将目标光斑缩至Ф0.4 mm,以满足后续光路的需求。扩束透镜组采用设计好的透镜组(f₃=8 mm,f₄=20 mm),基于这两组透镜搭建实验。

3.2.1 短焦双透镜实验

缩束透镜组实验结果与软件模拟结果如表2所示,焦距分别为f₁=11 mm,f₂=6.24 mm的透镜组将Ф1.558 mm/Ф1.578 mm(x轴/y轴)的光斑压缩至Ф0.42 mm,束腰位置与软件模拟结果较为吻合,束腰直径与软件模拟结果比较一致。由于透镜架加工精度有限,且透镜焦距较小,两个透镜的轴向位置难以对齐,故而导致输出光束的两个轴向直径不同。

到达扩束透镜组的衍射光斑直径为0.62 mm/0.67 mm(x轴/y轴),f₃=8 mm,f₄=20 mm,软件模拟结果与实验结果如表3所示。经对比后发现,腰斑直径比较一致,束腰位置也比较吻合。实验室环境复杂,测试空间有限,因此未对透镜的瑞利距离进行极限测试。当前测得该透镜组的瑞利距离为1130 mm,满足项目中大于1000 mm瑞利距离的要求。此外,扩束透镜组的输出光斑轴向直径存在一定偏差,原因是软件给出的光斑是理想光斑,实验中无论是缩小透镜组还是放大透镜组,透镜焦距均较小,透镜架加工精度有限,所以透镜的轴向调节难度大,从而影响光束的腰斑位置和腰斑直径。因为扩束透镜组是基于缩束透镜组所成光斑进行相应的光束变换,在缩小透镜组光束变换存在一定误差的条件下,必然会对放大透镜组的光束变换产生一定影响。

3.2.2 AOM衍射实验

1) AOM处腰斑大小与衍射效率

AOM的通光孔径对光斑要求为Ф0.4 mm左右,通过调节缩束透镜组,改变入射至AOM处的光斑大小,得到了AOM腰斑直径与衍射效率的关系,如图4所示。图中的腰斑直径x/y表示x轴向与y轴向的光斑直径,单通衍射效率表示的是一级衍射光功率与AOM关闭时AOM输出光功率之比。当入射至AOM的光斑直径为0.433 mm时,一级衍射效率大于92%。对于轴向光束存在一定偏差的主要原因有两个:一是入射进缩束透镜组的光束并不是理想光斑(x、y轴上的光斑直径分别为1.558,1.578 mm);二是透镜架的加工精度有限,透镜直径比较小,若要实现严格的共轴,调节难度较大。后续会通过设计透镜共轴调节套筒来实现简单方便的共轴调节。

图 4. 腰斑直径与衍射效率的关系

Fig. 4. Relationship between waist diameter and diffraction efficiency

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2) AOM单通衍射效率

在实验1)的基础上进行AOM单通衍射实验。AOM放置在缩束透镜组所成光束的束腰位置,此处的腰斑直径为0.433 mm,调节AOM,使+1级衍射效率最大。如图5中正方形散点所示,对AOM扫频,扫描范围为20~125 MHz。得到的单通衍射效率随频率的变化结果显示:频率为80 MHz时,衍射效率最大,达到92.7%,半峰全宽为50 MHz。图5中的三角形散点表示的是+1级衍射光经扩束透镜组后耦合进入光纤,并扫描频率,耦合进入光纤的单通衍射光的光束指向随扫描频率的变化比较明显,5 MHz范围内的光功率下降了50%。为使光束指向性随频率变化不明显,采用双通衍射光耦合进入光纤,以实现大范围扫频功能。

图 5. AOM单通衍射效率随扫描频率的变化

Fig. 5. Variation of AOM single pass diffraction efficiency with scanning frequency

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单通+1级衍射光耦合进入光纤的耦合效率为60%。实验中,当AOM的+1级衍射光最大时,对应的+1级衍射光斑直径为0.62 mm/0.78 mm,该衍射光斑是扩束透镜组的输入光,其与扩束透镜组设计要求的输入光束直径(0.62 mm/0.62 mm)存在一定偏差,导致扩束后的光束直径为1.58 mm/1.7 mm(单模光纤的理想输入光斑直径为1.6 mm/1.6 mm),从而影响了光纤的耦合效率。

3) AOM双通衍射效率

为降低光束指向性随频率变化的敏感度,采用猫眼结构^[15]改善调谐带宽。将+1级衍射光两次经过AOM,并调节0°反射镜,使双通衍射效率最大,采用扫描频率方式,得到了双通衍射效率随频率变化曲线,如图6中红色圆形散点所示。随后将该衍射光经扩束透镜组后耦合进入光纤,并对光纤输出的双通衍射光扫描频率,得到的双通衍射效率随扫描频率的变化如图6中粉色下三角形散点所示。对比两条曲线,在80 MHz频率处,光纤输出的双通衍射效率半峰全宽为40 MHz,与未耦合进入光纤的双通衍射效率的半峰全宽几乎相同。同时,与光纤输出的单通衍射效率相比(下三角形散点),调谐带宽由10 MHz提高至40 MHz,有效降低了光束指向性随频率变化的敏感度,提高了调谐扫描范围。值得注意的是,对于双通衍射,光束两次经过AOM,因此实际的调谐带宽是曲线半峰全宽的两倍,对应的实际带宽为80 MHz。在图6中,从左向右的散点分别表示20~125 MHz扫频范围内,单通衍射效率、双通衍射效率、光纤输出的双通+1级衍射光效率和光纤输出的单通+1级衍射光效率随扫描频率的变化。

图 6. AOM衍射效率随扫描频率的变化曲线

Fig. 6. Variation of diffraction efficiency of AOM with scanning frequency

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经过光学仿真与实验测试证明了设计的空间主光路可以实现项目要求的光路设计指标,可以满足空间资源分配的需要。该主光路采用短焦双透镜方案,AOM的双通衍射效率大于70%,光纤耦合效率为60%,提高了系统效率,实现了80 MHz的大范围调谐功能,满足了光钟光谱测量的需求。

4 结论

空间窄线宽激光器是空间锶原子光钟的重要组成部分,可为锶原子光钟提供中短期稳定度。介绍了698 nm空间窄线宽激光器光学系统研究的设计思路与原理,采用双透镜方案,通过软件仿真及相应的实验平台,实现了功能复杂、光学长度更长的主光路光学设计。基于双透镜方案的AOM单通衍射效率可达到92.7%,双通衍射效率大于70%,实现了80 MHz大范围的扫频功能,满足了光钟光谱测量的需求。使用小型化光学组件压缩光路尺寸,减轻光路板结构(带组件)的总质量至5.945 kg,满足了空间窄线宽激光器项目资源分配及主光路功能的要求,下一步将在光学平台上构建光学系统并开展力学实验与测试,以提高系统性能的稳定性,为高精度空间原子光钟的发展以及推动新一代时间频率领域的发展与应用,促进其他基础科学研究领域的发展奠定基础。