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。

实现了一种基于数字信号处理(DSP)技术的外腔半导体激光器的自动稳频装置。该自动稳频装置以铷原子的饱和吸收谱线作为频率参考,采用调制解调技术得到稳频所需的鉴频信号。激光自动稳频装置通过模数转换器以固定的速率不间断地采集饱和吸收信号和鉴频信号,由DSP芯片对采集到的数字信号进行处理和分析。DSP 芯片利用通用输入输出端口控制调制信号的开关状态,通过数模转换器控制激光频率扫描以及输出数字反馈。利用所述的激光稳频技术不仅实现了外腔半导体激光器自动稳频,而且能够实时评估激光器的锁定情况,在激光器失锁后及时重新锁定,提高了激光器的长期运行能力。最后,将使用自动稳频技术的激光器应用于空间冷原子钟原理样机地面实验中,该稳频激光可以满足相关科学实验的需求。

在使用铷原子饱和吸收谱线作为激光频率参考进行稳频的激光稳频系统中，环路带宽是影响激光输出频率噪声的重要因素之一。对激光稳频系统中限制环路带宽的主要因素进行分析，使用射频调制信号直接调制商用外腔半导体激光器的高速电流调制端来对激光稳频系统的环路带宽进行拓展。根据对稳频环路的分析，合理设置反馈电路，实现激光稳频。使用低频谱分析仪对稳频后的鉴频信号进行分析，发现带宽拓展后，在傅里叶频率为5 kHz处对频率噪声的抑制度达到了20 dB以上。通过将该稳频激光器输出的激光与锁定在极稳恒温晶振上的飞秒光学频率梳进行拍频，测量了该稳频激光相对光梳的频率噪声，测量结果与直接分析鉴频信号的结果吻合。经过测量，通过拓展带宽抑制频率噪声,稳频激光器的短期频率稳定度得到改善。最后，测量了稳频激光相对于锁定在恒温晶振上的飞秒光学频率梳的频率稳定度，Allan方差在平均时间1 s时达到4.52×10-12，在平均时间20 s时达到1.65×10-12。

设计了由超低膨胀玻璃材料制作的光学法布里珀罗(F-P)腔及其真空控温系统, 通过双重控温系统实现了F-P腔在环境温度为10~40 ℃范围的精确控制, 该系统在 24 h内的温度波动约为±0.004 ℃。通过分析F-P腔的共振频率和铯原子饱和吸收谱, 获得了F-P腔的共振频率和腔体材料膨胀系数随温度的变化。通过对测得的数据进行拟合, 可以精确确定零膨胀温度为29.286±0.057 ℃。所提出的温度控制系统有望获得热稳定度为3.494×10-14的光学频率标准。

给出了利用全光纤环形谐振器实现对激光器频率噪声抑制的原理和实验结果。采用Pound-Drever-Hall 的方法对锁定在铷原子吸收谱线上的激光进行稳频，实现了饱和吸收光谱与光纤环形谐振器双回路锁定。通过外差式马赫-曾德干涉仪来测量锁定后的激光器频率噪声发现，在频率100 Hz 时，光纤环形谐振器对频率噪声的抑制度超过了40 dB。在1 Hz处，稳频激光器的频率噪声小于100 dB Hz2 /Hz ，其抑制度达到60 dB。

将激光频率锁定于合适的参考频率，可以有效地抑制激光器的频率起伏。本文采用铷原子D2线超精细跃迁线的饱和吸收光谱和偏振光谱分别获得鉴频曲线，通过电子伺服系统将频率校正信号负反馈到780 nm光栅外腔反馈半导体激光器外腔的压电陶瓷上的方法对激光器进行稳频。介绍了两种方法的基本原理和实验方案。与激光器自由运转300 s时激光器典型的频率起伏约66 MHz相比，采用饱和吸收光谱和偏振光谱进行稳频，运转300 s时激光器典型的残余频率起伏分别约为15 MHz和06 MHz。分析表明，饱和吸收光谱稳频采用了相敏检波技术，需要对激光器进行频率调制，带来了额外的频率噪声，而偏振光谱稳频则是一种完全无频率调制的稳频方案。

利用饱和吸收的方法得到了铯分子在780 nm附近X1Σ+g→B1Πu能级跃迁吸收带的一段饱和吸收谱,利用铷87Rb原子饱和吸收谱的5S1/2(F=2)→5P3/2(F′=2)的跃迁线为标准确定这一段饱和吸收谱的位置。实验中对其中的5条吸收峰进行了仔细观测,利用其中的一条饱和吸收峰“R5”对780 nm半导体激光器进行了稳频。测得稳频后的激光在800 s内频率的漂移小于1.5 MHz,从而提供了一种利用铯分子饱和吸收峰对780 nm半导体激光器进行稳频的新方法。此激光可以用于制备超冷基态铯分子,同时也可作为光通信波段1560 nm处的倍频参考光。

利用亚稳态氧原子2p3/2 5p[5 /2]3 - 2p 3/25s[3/2]2 饱和吸收光谱，分别使用电光调制器相位调制和声光调制器移频调制的方法，结合相敏检测，实现了钦宝石激光器相对于亚稳态氧原子的81 1. 5 nm 饱和吸收线的频率锁定。由获得的鉴频曲线以及误差信号估算，激光频率漂移从稳频回路开路时的超过8 MHz ，减小到回路闭合时的约1 MHz ，并可实现对激光频率数小时的稳定。该稳、频后的激光光源被成功地用于激光冷却亚稳态氧原子各个稳定同位素。

由于塞曼效应中性原子的超精细能级在磁场中会产生塞曼分裂,且对于左旋和右旋圆偏振光原子能级的偏移不同,因此利用Zeeman效应的这种特性与饱和吸收相结合的方法对光栅外腔反馈的半导体激光器系统进行稳频.这种方法能够将激光频率稳定地锁在原子吸收谱线的峰值处,锁频后激光器不易失锁,用于激光冷却铷原子实验.

采用共焦法布里珀罗腔(CFP)作为桥梁，可以实现不在原子、分子跃迁线附近的单频激光器相对于原子、分子跃迁线的锁定，从而可以有效地抑制激光频率的漂移。在实验中通过射频频率调制光谱技术结合饱和吸收光谱(SAS)将自制852nm光栅外腔反馈半导体激光器锁定到铯6S1/2 Fg=4-6P3/2 Fe=4、5交叉线上，通过Pound-Drever-Hall(PDH)射频边带技术将作为桥梁的共焦法布里珀罗腔锁定在852 nm激光频率上。再通过PDH方法将830 nm和908 nm两台远离铯原子D2线的外腔半导体激光器同时锁定在作为桥梁的共焦法布里珀罗腔上，实现了830 nm和908 nm两台激光器相对于铯原子跃迁线的锁定。由锁定后的误差信号估算，20 s内852 nm激光器相对于铯原子Fg=4-Fe=4、5交叉线的频率起伏小于±540 kHz，830 nm、908 nm激光器相对于共焦法布里珀罗腔的频率起伏分别小于±340 kHz和±60 kHz，共焦法布里珀罗腔相对于852 nm激光的频率起伏小于±550 kHz。