封面|注入锁定拉曼激光的相噪研究

黄敏,章显,黄凯凯,陆璇辉. 基于电光调制的注入锁定拉曼激光相位噪声实验研究[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(21): 212202

物质都有波粒二象性,原子也不例外。原子也可以像光一样发生干涉。在原子干涉里,频率差一定、相位差恒定的一对激光与原子相互作用,使得原子在能级间反转跃迁,最终会形成干涉条纹,而干涉条纹的相位是受制于这对具有相干性的激光对的。

实验上常见的用于制备有相位相干性的光束方法有光学锁相环路(OPLL)、声光调制(AOM)、电光调制(EOM)和光学注入锁定(OIL)等。OIL方法不需要冗繁的电学器件,只需将模式匹配后主激光的一部分作为种子光注入从激光,待从激光输出的频率与功率稳定后,就可以实现两束激光的相位锁定。一般在原子干涉仪中,两束频差6.834GHz的需配合其他条件共同使用。

OIL方法制备的拉曼激光可以用于原子干涉仪,然而系统(如各种射频器件)在各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化,会使原子干涉条纹的相位受到拉曼激光相位噪声的极大影响。为此,研究这对激光的相位噪声,对于原子干涉条纹中精确解析出相位来说至关重要作用。


1 三拉曼脉冲的原子干涉示意图

浙江大学陆璇辉教授课题组通过光纤EOM调制和OIL结合得到两束频差6.834GHz,相位锁定的拉曼激光,进而研究了主激光频率不同扫描范围下的拉曼激光相噪。

实验系统利用EOM使主激光产生±6.834 GHz(对应87Rb原子D2线两个基态|F=1>和|F=2>的能级间距)的边带,并作为种子光注入到另一台外腔半导体激光器(ECDL)中形成注入锁定后输出,实现了可用于激光脉冲型原子干涉仪的光学锁相Raman激光对,如图2所示。


2 拉曼激光制备系统光路示意图

主激光是Toptica公司生产型号为DL Pro的外腔半导体激光器(Master ECDL);注入锁定从激光器采用Littrow结构外腔,闪耀光栅为1800线/mm, 输出激光自由运转线宽300 kHz。

同时该课题组研究了在不同的参数条件下注入锁定激光和从激光器出射激光之间的固有相移,如图3所示,将注入锁定后的主从激光合束,通过对合束的激光对测量激光的相位噪声,发现在10 Hz~100 kHz频段内,两束Raman激光的拍频相位噪声全面低于-60 dBc/Hz。


3 主激光频率锁定下的注入锁定拉曼激光相位噪声

对于注入锁定,注入光与从激光出射光之间的相移也会因为注入光的频率变化而产生即时的变化。因此,该课题组研究了注入锁定过程中种子光与输出从激光的相移带来的附加相噪具体情形,对主激光频率按照不同的频率范围10 MHz,50 MHz,100 MHz,200 MHz进行以下四组扫描,结果发现在10kHz的压电陶瓷换能器(PZT)频率附近,随着主激光频率扫描范围的增加,附加的噪声也会愈发明显。

此外,该课题组还研究了主激光固定扫描频率范围下,不同PZT频率导致的拉曼激光相噪变化规律。结果发现,不同PZT频率会带来以该PZT频率为主噪声峰并且附带不同密集范围的各次级噪声峰。随PZT频率的逐步增大,主噪声峰向PZT频率增加的方向右移,而其附带的各次级噪声峰则随着PZT频率的增大密集程度变稀疏。

该课题组研究人员表示,主激光不同扫描频率范围下,随着扫描频率范围增大,会带来更密集的次级噪声,因此建议扫频范围切勿过大,并且干涉时应对从激光器注入锁定出射后进行扫频,对于干涉过程中,如何对拉曼激光进行频率扫描,并设法减小拉曼激光相位噪声对干涉条纹相位的影响提供了有意义的实验分析和参考。