上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
基于全保偏掺铒光纤激光器、锁相环系统和太赫兹测距光路搭建了一套太赫兹双光梳测距系统。所采用的全保偏掺铒光纤激光器重复频率为79.261 MHz。利用压电陶瓷(piezoelectric ceramics, PZT)和步进电机(stepper motor, SM)双级反馈控制的方案，实现了重复频率锁定和重复频率1.54 MHz可调。使用频率计数器对双光梳重复频率锁定效果进行监测，重复频率锁定的峰峰值抖动为±1.5 mHz，抖动标准差为0.4 mHz。将双光梳重频差设置在10 Hz，10 min内重复频率差最大抖动为3 mHz，标准差为0.6 mHz。进一步将异步采样双光梳系统应用于太赫兹测距，测量移动距离的误差为3 μm。该系统具有锁定精度高，稳定性强等优势，有望应用于生物无损检测和工业精密加工中。
双光梳 掺铒光纤激光器 锁相环 重复频率锁定 dual-comb erbium-doped fiber laser phase-locked loop repetition frequency locking
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
2 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
3 国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037
4 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
本文报道了一种可满足室外应用的具有重复频率锁定功能的皮秒脉冲光纤激光器。通过选用Figure-9光纤激光器结构，并通过优化腔结构来调控非线性，确保了激光器的快速锁模自启动功能；采用低导热材料绝热封装创建“恒温”微环境，松弛了室外环境下锁定重复频率对PZT频率调谐执行器件调谐量的要求。以此为基础，设计并研制了质量仅为3 kg的10 MHz、20 ps锁模光纤激光器样机。在室温、极端温度（-40 ℃或50 ℃）和振动（加速度为1.5g）环境下，该激光器样机都能保持快速锁模自启动和重复频率锁定功能；在室外环境下，该激光器样机的重复频率锁定功能可抵御夏季高温环境下的10 ℃温度波动。
激光器 锁模激光 皮秒脉冲 重复频率锁定 环境温度
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
量子级联激光器（QCL）具有出射功率高、 覆盖范围宽等优点, 在中红外探测领域发挥重要作用。 由于激光器对外界环境变化的敏感性导致激光波长波动, 在400 s的观测时间内频率漂移峰峰值高达180 MHz, 在一定程度上限制了QCL激光器的性能, 影响分子光谱探测的准确度。 频率锁定技术作为改善激光器运行状态最有效的方法在中红外区域得到广泛应用。 该研究发展了一种基于气体分子吸收的QCL激光频率锁定技术, 以5.3 μm QCL激光器为例, 采用调制激光波长的方法将激光频率锁定于一氧化氮（NO）分子1 875.812 8 cm-1处的吸收峰上。 介绍了误差信号的产生原理, 分析了使用三次谐波信号作为误差信号用于频率锁定的优越性。 使用长30 cm的单通道NO吸收池得到了高信噪比（SNR）的NO吸收信号, 标定了三次谐波幅值电压与激光频率的转换系数。 并对锁定过程进行详细的介绍, 探究了反馈控制回路中比例、 积分、 微分参数设置在激光锁频过程的重要性, 给定了详细的锁定参数。 主动干扰激光器锁定, 从扰动开始至恢复稳定的时间好于40 ms, 证明了该锁定系统可以抵抗外界干扰迅速响应并保持稳定。 使用误差信号的波动结合电压-频率转换系数分析了频率锁定系统的稳定性, 在10 ms的积分时间下频率漂移好于673 kHz, Allan方差分析结果显示, 当积分时间延长至100 s时, 相对频率漂移为4.5 kHz（对应稳定度为8×10-11）, 有效提高了激光频率的长期稳定性。 这种使用直接调制激光器而不需要使用外部调制器件的方法, 简化了系统复杂度的同时也提升光学探测系统的探测性能。
量子级联激光器 中红外 频率锁定 比例、 积分、 微分控制 波长调制技术 Quantum cascade laser Mid-infrared Frequency locking Proportional integral derivative control Wavelength modulation 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2363
红外与激光工程
2023, 52(4): 20220885
1 国防科技大学智能科学学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学量子信息学科交叉中心，湖南 长沙 410073
3 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 622150
4 火箭军工程大学，陕西 西安 710025
1560 nm窄线宽激光器作为光学C波段的重要波长成分，在光纤传感和激光雷达等领域有着广泛的应用，实现该波段的激光稳频对光谱学和精密测量具有重要意义。本文采用1560 nm窄线宽光纤激光器作为种子光源，倍频至780 nm波段后，利用调制转移光谱(MTS)将倍频光锁定在铷原子(85Rb)D2线的3-4交叉峰上；并研究探测光和泵浦光功率比、调制解调信号的频率和幅值来优化MTS信号，最终同时实现1560 nm光纤激光器的频率锁定及780 nm的稳频输出。激光器稳频后与低噪声精密锁定的光学频率梳进行拍频，通过频率计测量拍频信号并进行Allan方差分析，积分时间为10 s时，相对频率稳定度为1.4×10－11。
激光器 光纤光学 光纤激光器 调制转移光谱 铷原子 频率锁定 频率稳定度
1 兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室, 甘肃 兰州 730000
2 浙江大学物理学系光学研究所, 浙江 杭州 310027
为研究半导体激光器锁频系统的环境适应性,所采用的锁频方案是基于饱和吸收光谱的调制解调技术。分析了三种典型的锁频光路方案:消多普勒锁频(DFL)光路,原子气室端面反射锁频(CRL)光路以及反射镜增反锁频(MRL)光路。这三种方案均采用锁定调节模块进行光放大,通过调制解调技术将激光器锁定在饱和吸收峰上。在锁频基础上,利用声光调制器产生激光冷却原子实验中冷却光所需的激光频率。通过改变温度、振动频率和振动幅度等环境参数,测试了三种激光器锁频光路的频率稳定性,并讨论了每种方案的环境耐受性。实验结果表明,DFL方案的温度耐受性和抗振动干扰是最好的,CRL和MRL方案次之,说明DFL方案更适于复杂工作环境。然而,CRL和MRL方案可简化光路、缩小光路尺寸,便于激光单元的小型化和集成化。
激光器 外腔式半导体激光器 饱和吸收光谱 频率锁定 环境适应性 中国激光
2021, 48(23): 2301002
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
2 广东朗研科技有限公司，广东 东莞，523000
3 华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200062
为了获得长期稳定的光梳光源，利用压电陶瓷（PZT）和步进电机双级反馈控制方案，研制了两台基于非线性放大环形镜（NALM）锁模的异步采样光纤光梳系统。研究表明：该系统重复频率为75 MHz，5 min内重复频率的锁定峰峰值为±2 mHz，标准差为0.70 mHz，90 h内锁定峰峰值为±10 mHz，标准差为1.26 mHz；光纤光梳输出端口的脉冲平均功率为30 mW，经3 m保偏单模光纤压缩后脉冲宽度约为90 fs；激光器的重复频率差Δf在1 Hz～500 kHz范围内连续可调，当异步采样频差Δf为80 Hz时，扫描周期为12.5 ms，可探测出信噪比为6.3的太赫兹信号。该方案避免使用传统机械延迟线，具有重复频率差精确可调、采样速度快、抗干扰能力强等优点。
异步采样 重复频率锁定 非线性放大 太赫兹 asynchronous sampling repetition rate locking nonlinear amplification terahertz
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200062
3 济南量子技术研究院红外光子学实验室, 山东 济南 250101
探究了一种基于非线性放大环形镜锁模的全保偏掺铒光纤光梳系统,重复频率(fr)为75.27 MHz,fr与载波包络偏移频率(f0)的标准偏差为分别为358 μHz和248 mHz。该系统通过温度反馈控制锁模振荡器局部环境、电压反馈控制压电陶瓷伸缩量、电流反馈控制泵浦源功率实现了对fr和f0的精确锁定,在10 ℃温度波动的外部环境中实现约100 h的稳定工作。最后,将该光梳应用于混合气体光谱检测实验,获得的乙炔吸收谱线与HITRAN数据库模拟结果一致,表明该光梳系统可初步用于光谱分析等室外应用。
激光器 光学频率梳 载波包络偏移频率 频率锁定 中国激光
2021, 48(21): 2101002
发光与光信息技术教育部重点实验室, 北京交通大学理学院, 北京 100044
介绍了研制的一种基于共轴锁模腔增强吸收光谱技术的中红外甲醛气体检测系统。 系统采用了发射中心波长为3.6 μm的带间级联激光器为光源, 以高精度F-P谐振腔作为气体反应池, 通过激光在谐振腔内的多次反射极大地提高了有效吸收路径。 为了实现甲醛检测, 利用Pound-Drever-Hall(PDH)技术将激光频率和腔谐振频率锁定至波长为3 599.08 nm的甲醛吸收峰上。 实验发现, 谐振腔腔长容易受到外界环境的影响产生变化, 导致系统失去锁定, 产生测量误差; 为了抑制这一现象, 提高系统的准确性和抗干扰性, 采用了动态PDH锁定技术, 通过低频锯齿波信号对腔长进行小范围内的周期性调制, 使得腔谐振频率在目标气体吸收峰附近缓慢来回变化; 通过选择合适的扫描范围使得在扫描过程中激光与谐振腔保持频率锁定。 系统通过光电探测器采集谐振腔透射光强信号, 通过对腔透射信号进行拟合计算来确定甲醛浓度。 为了验证检测系统的有效性、 评估系统的性能, 采用质量流量计配备了6种不同浓度的甲醛气体样品并开展了甲醛吸收光谱测量实验、 系统标定实验和稳定性实验。 实验结果显示, 在0~10 mL·L-1范围内, 腔透射信号拟合值与甲醛浓度之间呈现出良好的线性关系; 通过Allan方差分析得到当积分时间为1 s时系统检测下限为52.8 nL·L-1, 积分时间为14 s时检测下限可以降至3.3 nL·L-1。 此外, 通过增加谐振腔的腔镜反射率和腔长可以提高有效吸收路径, 进一步降低检测下限。 该系统灵敏度高、 响应速度快, 具有较好的抗干扰性和长期稳定性, 在痕量甲醛检测方面具有广阔的应用前景。
红外吸收光谱 腔增强技术 频率锁定 甲醛检测 Infrared absorption spectrum Cavity enhancement technology Frequency locking Formaldehyde detection 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2077
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院 超快激光研究室 光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
2 中国空间技术研究院 钱学森空间技术实验室，北京 100094
针对精密测量的实际应用需求，开发了具有6 MHz重复频率调谐范围的掺镱锁模光纤激光器。该光纤激光器利用啁啾光纤光栅实现色散补偿，可以实现不同色散域的锁模。实验中，系统研究了不同腔内净色散对锁模激光器输出特性和稳定性的影响，发现当具有一定负腔内净色散时，在不同的重复频率下都可以输出相同的光谱，同时输出光谱具有较好的高斯型。根据以上研究，特殊设计了稳定的简化腔结构和空间延迟线，同时优化了腔参数，保证了大范围的重复频率调谐和稳定的锁模运转。当中心重复频率为26 MHz 时，调谐比率达到23%。激光器稳定输出平均功率为3.23 mW的飞秒激光脉冲，去啁啾后脉冲宽度为347 fs。基于此，将光纤锁模激光器重复频率锁定于铷原子钟，在1 s的平均时间内获得了2×10−10的艾伦方差。
飞秒激光 重复频率调谐 色散域 重复频率锁定 femtosecond laser repetition rate tuning dispersion regime locking system 红外与激光工程
2021, 50(3): 20200205
