华中光电技术研究所 — 武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430223
光栅外腔半导体激光器在冷原子精密操控等领域具有重要的应用价值。根据87Rb冷原子干涉仪干涉过程的应用需求, 利用光学锁相环技术, 重点开展了自制体布拉格光栅100 kHz外腔种子源的调谐和拍频锁频特性实验研究。进行了电流和温度调谐实验, 种子源输出激光频率的电流调谐系数和温度调谐系数分别为400 MHz/mA和16 GHz/℃; 实现了自制种子源激光频率的拍频锁定, 锁定后种子源的激光频率变化小于500 kHz(峰峰值, 10 s), 12 h功率稳定性优于0.1%(rms), 可满足87Rb冷原子干涉仪各物理过程, 特别是干涉过程的应用需求。
窄线宽激光器 冷原子 外腔激光器 体布拉格光栅 拍频 narrow-linewidth lasers cold atoms external cavity lasers volume Bragg grating frequency-beat
成都天奥电子股份有限公司 技术研发中心， 成都 610037
对半导体激光器外腔自反馈注入锁定进行了理论分析，研究了片上微腔的自反馈注入锁定对于分布反馈(DFB)激光器输出线宽的影响，分析了决定锁定带宽及线宽压缩系数的关键参数。基于Q值为2.4×106的片上Si3N4微腔的后向瑞利散射实现了DFB激光器的自反馈注入锁定，将其输出线宽由自由运转时的556.71kHz压窄到了92.28kHz，锁定带宽达到425MHz。研究结果有助于理解半导体激光器自反馈注入锁定机理，并为实现窄线宽激光器提供了新的结构更简单、集成化潜力更高的方案。
窄线宽激光器 自反馈注入锁定 片上微腔 线宽压缩 narrow-linewidth laser self-feedback injection locking on-chip microcavity line width compression
1 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
2 华中科技大学无锡研究院，江苏 无锡 214174
随着激光雷达、引力波探测和光学原子钟等新技术的兴起和研究的不断深入，光学精密测量覆盖的应用领域的广度和深度都在拓展，传统自由运转的激光器其稳定性难以满足高精密测量的应用要求。超窄线宽、超低噪声和长期稳定的光源已成为该领域迫切追求的目标。光纤激光器具备结构紧凑、易于集成化和极限线宽窄等特点，通过噪声抑制和稳频技术输出超稳定、超窄线宽激光，近年来逐渐成为热点研究方向。本文从光纤激光器的噪声理论出发，介绍了光纤激光器的噪声来源、分类及测试方法，基于噪声理论，分类总结了光纤激光器强度噪声和频率噪声不同抑制技术的原理、发展历程及现阶段进展，并对窄线宽光纤激光器的发展趋势做了展望。
激光器 超窄线宽激光 光纤激光器 噪声抑制 稳频技术 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1500002
1 北京交通大学 电子信息工程学院，北京00044
2 河北大学 物理科学与技术学院 光信息技术创新中心，河北保定07100
提出了一种基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊干涉仪和相位信号解调的激光器线宽测量系统，基于相位信号解调的微分交叉相乘算法，可对所采信号进行高速实时处理，快速给出待测激光器的频率噪声信息和线宽值。该系统光路结构简单，无须主动控制，测量结果重复性高。考虑采样信号是否同时包含源信号的最大值和最小值这一重要问题，在仿真和实验两种情况下着重讨论了对源信号进行采样窗口为0.5，0.4，0.1，0.05和0.01 s的采样对所测试激光器频率噪声功率谱密度的影响。仿真和实验均表明，使用采样窗口为0.1，0.05和0.01 s未同时包含源信号的最大值和最小值的采样信号计算获得的激光频率噪声功率谱密度幅值偏高。进一步使用β-分割线法对1.5 μm波段商用激光器和实验室自制的2 μm波段激光器进行线宽测量验证，结果表明，使用同时包含源信号最大值和最小值的采样信号处理得到1.5 μm波段商用激光器的线宽值在测量时间为2 ms时为5 kHz，同时本结论可拓展至全波段适用。
单频窄线宽激光器 线宽测量 频率噪声 相位信号解调 single-frequency narrow linewidth laser line width measurement frequency noise phase signal demodulation 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220219
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004
2 广西光电信息处理重点实验室，广西 桂林 541004
3 长飞光纤光缆股份有限公司光纤光缆制备技术国家重点实验室，湖北 武汉 430073
4 大族激光科技产业集团股份有限公司，广东 深圳 518000
为了探究激光器线宽的综合特性，对波长可调谐窄线宽激光器的线宽进行了理论分析。搭建了基于非平衡马赫-曾德尔干涉结构的延时自外差测量系统，以研究波长可调谐窄线宽激光器的稳态及动态线宽特性。为了平衡线宽测量的速度和精度，完成了不同接收机带宽下的线宽测试。针对激光器波长连续调谐时产生的线宽展宽问题，通过控制激光器波长调谐时的步进量保持输出功率的稳定性，补偿了线宽的测量误差。该研究不仅能完善激光器线宽特性的研究，对光频域反射技术的研究也具有重要意义。
激光器 窄线宽激光器 线宽测量 延时自外差法 拍频法 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2114003
1 中国科学院国家授时中心时间频率基准重点实验室, 陕西 西安 710600
2 中国科学院大学, 北京 100049
提出了一种基于短光纤循环延迟自外差技术测量亚千赫兹激光器线宽的方法。采用延迟长度仅为2 km的循环延迟自外差干涉仪,实现了一系列不同延迟时间拍频信号的同时测量。通过仿真拟合了多组高阶拍频信号的功率谱,获得激光器的平均线宽为944 Hz,该结果与传统拍频法测得的激光线宽基本一致。所提方法不仅可以避免单次测量误差,而且能有效减小1/f频率噪声引起的频谱加宽,可精密测量窄线宽激光器的线宽。
测量 窄线宽激光器 线宽测量 循环延迟自外差法 短延迟光纤 拍频信号
窄线宽激光由于其具有单色性好、 稳定度高、 相干长度长等优点, 广泛应用于光电检测领域, 包括相干通信、 精密测量、 光学频率标准、 吸收光谱计量以及光与物质相互作用研究等。 目前频率稳定的氦氖激光器线宽可以达到MHz量级, 分布反馈式(DFB)光纤激光器线宽可达kHz量级, DFB半导体激光器线宽可以达到MHz量级, 然而光栅反馈半导体激光器可以实现百kHz量级线宽的输出。 为了进一步压窄各类激光器线宽, 需要通过反馈控制技术来锁定激光到某一频率参考。 该研究将自行设计的超稳腔作为频率参考, 实现了632.8 nm外腔半导体激光器(ECDL)线宽的有效压窄。 本窄线宽激光产生系统的研制包括超稳腔设计、 光路设计、 ECDL频率控制以及系统集成。 超稳腔采用两镜法布里-珀罗腔(F-P腔)结构, 腔体是膨胀系数约为10-6 K-1的微晶玻璃, 腔镜为一对反射率达99.988 5%(±0.003 5%)的平面镜和凹面镜。 为进一步减小外界环境对F-P腔腔长的影响, 需要对腔体进行温度控制, 本系统采用四片总功率为96 W的半导体制冷片以及水冷散热设计。 同时为了降低声音和空气流动对腔模频率的影响, 将F-P腔置于真空度为10-5 torr的真空室中; 另外为了有效隔振, 腔体与真空室用硅橡胶材料隔离。 该系统采用的ECDL为德国Toptica公司的DL pro系列激光器, 其具有压电陶瓷(PZT)和电流调制两个频率控制端, 响应带宽分别为1 kHz和100 MHz。 激光器的频率控制采用了Pound-Drever-Hall (PDH)锁频技术, 18 MHz的调制频率加载到激光器的电流调制端, 通过对F-P腔的反射信号进行解调获得误差信号, 通过两路反馈控制, 实现了近1 MHz的锁定带宽。 通过对系统的不断优化, 最后将自由运转状态下约300 kHz的激光线宽压窄到了10 kHz量级, 并且系统运行稳定, 连续12小时锁定的频率漂移量约为30 MHz。 该研究研制的632.8 nm窄线宽激光源不仅可以应用到吸收光谱计量领域, 同时也可以在光学面型精密测量领域发挥重要作用。
窄线宽激光 半导体激光器 超稳腔 频率锁定 Narrow linewidth laser Diode laser Ultra-stable cavity Frequency locking
1 杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018
2 天津可宏振星科技有限公司，天津 300192
为实现波长可调谐的窄线宽黄光波段激光输出，设计搭建了以倍频声光调Q Nd:YAG激光器的532 nm脉冲绿光输出为泵浦源、以II类相位匹配磷酸钛氧钾（KTP）晶体为非线性介质的折叠腔光学参量振荡器（OPO）。首先产生腔内振荡的近红外可调谐闲频光，在此基础上基于LBO晶体I类非临界相位匹配方式对OPO的闲频光进行内腔倍频，得到波长调谐范围587.2~595.2 nm的黄光波段输出。为改善OPO光谱特性，在OPO闲频光谐振腔内插入熔融石英标准具，有效压缩了OPO输出黄光的光谱线宽。绿光泵浦源脉冲重复频率10 kHz、平均功率24.0 W下在波长591.2 nm处获得了最高黄光输出功率2.89 W，光束质量因子M2=3.4，从532 nm泵浦光到黄光输出的转换效率为12.0%，脉冲宽度37 ns，对应峰值功率7.8 kW。此时黄光光谱半高全宽为0.15 nm，相比未在OPO腔内插入标准具自由运转状态下的光谱得到明显改善。
光学参量振荡器 可调谐激光 窄线宽激光 optical parametric oscillator tunable laser narrow linewidth laser 红外与激光工程
2020, 49(11): 20200275
强激光与粒子束
2020, 32(10): 101001
