（光学专业论文）铯原子d2线光抽运光谱及其应用研究.pdf

i 中 文 摘 要 随着科技的进步，激光技术越来越广泛的应用于科研和多种技术领域中。如量 子光学、冷原子物理、激光光谱、精密测量、光纤通信和光信息储存等方面。激光 稳频技术是激光技术中的一个重要应用，是控制激光器不可缺少的方法。稳频可以 分为以固定参考频率的稳频或是相对某一参考频率的偏频锁定。稳频激光的稳定性 往往决定了整个系统的稳定性或者探测的精度。本文介绍了一些常用的稳频方法， 并着重分析了几种偏频锁定的特点。最后介绍了我们使用的光抽运光谱实现偏频锁 定的方法。主要的工作有以下几个部分： 第一部分介绍了半导体激光器的基本特性以及光栅外腔反馈半导体激光器的基 本特性和设计原理，特别是对影响半导体激光器频率的各种因素进行了分析。简单 介绍了稳频的方法，主要是以光学谐振腔或特定的原子、分子跃迁谱线为频率参考 来获取鉴频信号，对激光器调制或无调制的方法进行频率锁定，总结分析不同稳频 方法的特点及其适用的范围。 第二部分在稳频技术的基础上来介绍不同偏频锁定技术的特点，分析不同方法 的适用范围和优缺点。着重介绍了用声光频移器实现了等间距频率差的频率梳的实 验研究。 第三部分着重介绍了铯原子及其 d2 线的相关知识，以及工作在铯原子 d2 线的 两激光在相向或同向作用下产生的各种光抽运光谱，分析不同情况下的光谱的意义。 最后介绍了利用光抽运光谱实现两激光器偏频锁定的实验装置和实验过程。通过数 据分析实现偏频锁定后两激光频率差的稳定性。 比较有新意的工作是，当控制光连续扫描时，可探测频率固定的探测光透射信 号而获得无多普勒背景的光抽运光谱。该光谱可提供稳定性仅依赖于原子超精细分 裂的偏频信号。当实现两个激光器相对偏频锁定时，能在主激光器自由运转甚至一 定范围内连续调谐条件下保持两个激光器频率差同原子超精细能级间隔的锁定。 关键词关键词：激光技术；偏频锁定；光抽运光谱；铯原子 ii abstract with advances in technology, laser technology, more and more widely used in scientific research and a variety of technical fields. such as quantum optics, atomic physics, laser spectroscopy, precision measurement, optical fiber communications and optical information storage and so on. laser frequency stabilization technology is laser technology, an important application, is an indispensable method of laser control. frequency stabilization can be divided into a fixed reference frequency or relative frequency stability of the natural frequency of a reference frequency locking. the stability of laser frequency stabilization often determines the stability of the system or the accuracy of detection. this article describes some of the commonly used frequency stabilization methods, and analyzes the characteristics of several partial frequency locking. finally, we use the optical pumping spectroscopy method to achieve partial frequency locking. the main work in the following sections: the first section describes the basic characteristics of the semiconductor laser and the grating feedback external cavity semiconductor laser of the basic features and design principles, especially the impact of semiconductor laser frequency factors were analyzed. the second part discusses frequency stabilization methods, mainly optical resonator or a specific atomic, molecular transition lines as the frequency of reference to obtain the frequency detection signal, or no modulation of the laser modulation frequency locking methods, analyzed different characteristics and frequency stabilization method scope. finally, frequency stabilization techniques to analyze the introduction of the partial frequency locking technology, the scope of the several advantages and disadvantages of partial frequency locking techniques. the third part focuses on the d2 line of cesium atoms and their knowledge, and work in the d2 line of cesium atom laser in the opposite or the same two-under to produce a variety of optical pumping spectrum, iii spectral analysis of different situations the meaning of . finally, the use of optically pumped laser spectrum to achieve the two partial frequency locking of the experimental apparatus and experimental procedure. achieved by data analysis after the partial frequency locking of two laser frequency stability of difference. have more innovative work is, when control of light scanning, it can detect the probe light transmission fixed frequency signal and doppler-free, background optical pumping spectrum. the spectrum can provide stability depends only on the partial atomic hyperfine splitting frequency signal. when the partial realization of the relative frequency of two lasers locked, can operate even in the main laser free continuous tuning condition within a certain range to maintain the frequency difference between the two lasers with the atomic hyperfine levels of the locking interval. key words：laser technique; offset locking; optical pumping spectrum; cesium 第一章 引 言 1 第一章 引 言 半导体激光器在光与原子相互作用实验研究和很多技术领域都有着非常广泛的 应用，尤其在量子光学、冷原子物理、激光光谱、精密测量、光纤通信和光信息储 存等方面都希望激光器输出窄线宽、频率稳定并可连续调谐的激光。半导体激光器 pn 结发光的特点决定了温度和输入电流的波动以及激光器机械结构的振动等都能 带来输出光频率的抖动1。通过改善或稳定这些因素， 半导体激光器自由运转的频率 起伏可大大减小。很多时候人们还需要建立电子伺服控制系统，通过主动稳频的技 术抑制频率的漂移，如在实验室广泛采用的 pdh 稳频技术2, 饱和吸收光谱稳频3 等方法，都是以光学谐振腔或特定的原子、分子跃迁谱线为频率参考来获取鉴频信 号，在反馈到激光器中改变影响输出频率的工作参数后就形成了反馈环路并能改善 激光器频率的稳定性。 由于直接调制激光器并利用相敏检波技术获得鉴频信号的锁频方法会因调制带 来谱线展宽并增加一定的频率噪声，很多时候利用光学元件如电光调制器、声光调 制器4等将需要的调制加在锁频系统的光路中，完成对激光器的锁频。而完全无调制 的锁频方案则可以利用外加纵向磁场中原子气室的塞曼效应形成的磁致二色性产生 类色散鉴频信号5；或者使用两个同样频移量的声光频移器分别产生+1 级和-1 衍射 光，再把分别经过同一个饱和吸收装置得到的超精细跃迁吸收峰信号相减，以得到 鉴频信号6；利用两束光以不同入射角度穿过同一个共焦腔时谐振频率略有不同，这 样完成激光器相对于谐振腔的无调制锁频7。 上述的锁频方法中参考频率标准确定，因此锁频环路闭合后激光器的输出频率 是不可调谐的，很多时候不能满足使用的要求，如作为中性原子磁光阱中的冷却光8 需要激光频率相对于原子分子跃迁线稳定，且有一定失谐；或者在研究失谐条件下 电磁感应吸收(electromagnetically induced absorption, eia) 9和电磁感应透明 （electromagnetically induced transparency, eit)10等量子相干效应的实验中， 光不能 同原子共振，但不同的光场频率需要有固定的频率差以实现双光子共振；在激光外 差相干探测时也要求两个激光的频率差相对稳定，而不苛求激光稳定在某个具体的 频率，所有这些情况下都需要激光器的偏频锁定。 相对于某一参考频率如原子跃迁线进行的偏频锁定，当偏移频率在共振线宽范 围内时可选一电压信号作为参考标准，在同激光通过原子气室的透射信号强度比较 后获得鉴频信号后可将激光器的频率锁定在共振峰峰值附近的斜坡上实现偏频锁 铯原子 d2 线光抽运光谱及其应用研究 2 定，其偏频的精确度依赖于电压信号的稳定度，并会受到光强度起伏的干扰，加之 允许偏移的范围仅在共振峰线宽的量级，因此该方法在具体使用中会受到不少的局 限。如果导入原子饱和吸收光谱装置或谐振腔锁频光路的激光是通过声光频移器产 生的衍射光，可利用锁频环路使衍射光频率锁定在原子或腔的共振频率处，而直接 经激光器输出的激光频率和共振频率的差就与驱动声光频移器的射频信号频率有关 11。另外还可以利用电光调制器或直接对半导体激光器的驱动电流进行射频调制产 生边带，再将该边带频率的激光引入锁频环路，实现激光器相对于参考频率的偏频 锁定。此时激光器频率的稳定性将主要依赖于引入调制的射频信号频率的稳定性。 如需实现不同激光器间的偏频锁定，可以直接将两激光输入探测器获得拍频信 号，并将拍频信号与某一参考频率在鉴频器中进行比较，获得鉴频信号，并完成两 个激光器有确定频率差的偏频锁定12。此方法实现的偏频锁定精度也取决于参考射 频信号的稳定性，而且在射频段的拍频信号的放大以及鉴频等环节还对探测器和电 路响应有相对较高的要求。考虑到光学谐振腔有多个谐振频率也可实现激光器间的 偏频锁定，并可建立一个由不同激光器构成的频率链13, 14，首先将 f-p 腔相对于一 主激光器共振锁定，此时激光的频率是 f-p 腔的某一个纵模的谐振频率，接着再以 该 f-p 腔为参考频率标准，将不同的激光器锁定在该 f-p 腔不同的纵模上，这样所 有激光器都同腔共振，同时频率偏移是纵模间隔的整数倍，从而实现不同激光器的 偏频锁定。文献15则是利用 eit 的透射峰来进行偏频锁定，此时耦合光和探测光需 要满足双光子共振条件，分别对应不同的能级跃迁，由于 eit 透射峰信号线宽较窄， 甚至小于自然线宽锁频精度大大提高，但也导致偏频锁定的捕获范围较小。 而我们实现偏频锁定的方式是利用一束频率连续调谐的激光作为抽运光通过铯 原子气室，产生光抽运，通过记录探测光通过该原子气室的透射信号，可获得没有 多普勒背景的光抽运光谱16, 17, 18，光谱中还包含原子同光场作用量子相干的过程。 对于垂直于光传输方向运动的原子或在光的传输方向上有特定速度分量的原子，当 两个光可耦合不同的超精细跃迁且固定频率差时光谱中会出现吸收增强或吸收减弱 的峰，并可作为偏频锁定的参考频率。利用常规的 lock-in 方法，对抽运光半导体激 光器进行电流调制，通过简单的直流光电二极管探测器获得光抽运光谱。在结合相 敏检波技术获得鉴频曲线、构建锁频环路后即可实现抽运光激光器相对探测光激光 器的偏频锁定。此时偏频的稳定性最终依赖于原子超精细能级跃迁频率，同时还可 利用强度展宽机制获得不同线宽的光抽运光谱线宽，实现捕获范围可调的偏频锁定， 并能根据激光器和工作环境选择合适的捕获范围以获得最优的长期稳定性。 第二章 光栅外腔半导体激光器及其稳频技术 3 第二章 光栅外腔半导体激光器及其稳频技术 半导体激光器可以采用注入电流的方式泵浦，又因为体积小与能耗低，且可以 使用高频信号直接进行电流调制，进而输出具有高速调制的激光1。 如今半导体激光 技术得到越来越多的应用与发展，其在科研和实际应用等领域的重要性也不断提高。 所以我们选择它作为我们实验中的光源。 半导体激光器自由运转的情况下，通过调节激光器电流或者改变激光器的温度， 可以对激光器输出光的中心频率进行粗略的调节。在某一变化范围时，当激光器温 度升高或电流加大，激光的中心频率总体变化是向一个方向变化的，但有时会出现 跳模，从而产生频率间隙。人们使用了一些外部光学反馈的方法来改进输出光的线 宽， 使其更窄2。如最常用的光栅外部反馈就因为结构简单和效率高等优点而被普遍 应用。当然还可以用标准具反馈、声光器件反馈、原子气室外部反馈等技术来使激 光器的输出线宽变窄。在此基础上进一步提高频率的稳定性，则需要通过主动稳频 的技术抑制频率的漂移，如在实验室广泛采用的稳频技术以光学谐振腔或特定的原 子、分子跃迁谱线为频率参考来获取鉴频信号，在反馈到激光器中改变影响输出频 率的工作参数后就形成了反馈环路并能改善激光器频率的稳定性。 本章介绍了自由运转激光器的基本特性和发光原理，以及外腔反馈半导体激光 器的主要结构和特性，分析了各种因素对激光器频率的影响。并介绍了半导体激光 器常用的稳频技术。 2.1 自由运转半导体激光器的基本特性 半导体激光器工作物质为半导体材料，能带结构由价带、导带、禁带组成，其 中价带与导带由不连续的能级构成。利用半导体材料中导带里的电子与价带中空穴 复合进而产生受激辐射是半导体激光器的基本发光机制1。热平衡状态下，电子大多 处于价带，半导体介质对光辐射的作用只有吸收作用，没有放大作用。当半导体激 光器 pn 结注入电流时，热平衡状态改变，半导体物质对光辐射产生了放大作用，最 终产生激光。值得一提的是双异质结半导体激光器的出现实现了室温下激光器的连 续工作。自此半导体激光器迅速发展起来，并越来越广泛地应用在多个领域。 因为半导体有源区的谐振腔大约为几百微米，所以其发出光束的发散角都相对 较大，一个方向是其垂直的方向的 3 倍左右，这种发散角分布使得光斑的横截面为 椭圆形。而一般实验需要的是高斯分布的圆光斑，所以我们首先要将椭圆形的光斑 转变为圆光斑。可以使用柱面透镜或者整形棱镜实现光束横截面在单个方向的整形， 铯原子 d2 线光抽运光谱及其应用研究 4 可以通过调整整形棱镜对的角度和位置来调整整形的变换比例。 温度对半导体材料中载流子的浓度有一定影响的，同时温度的改变还会导致有 源区材料的能带结构频移，而随温度增加使得禁带宽度变窄，激光器的增益曲线峰 值发生移动，激光波长向长波方向变化，即红移4。红移量与器件结构以及半导体材 料有关。所以我们可以通过对温度的控制来调节激光的频率。 输入电流的大小对半导体激光器输出的功率和频率也有着相当大的影响。当注 入电流后， 在 pn 结有源区就会产生光子， 随着电流的增大使参与复合的载流子增多， 导致发出的光子数增加，激光的输出功率则会随之增加。此外，激光器注入电流的 大小或者 pn 结所加电压的高低均会影响到载流子的浓度， 而且电流的热效应会使有 源区的温度升高，进而影响 pn 结中有源区的折射率，使腔中共振的频率发生改变。 所以改变注入电流的大小不仅会导致半导体激光器输出的功率变化，还会改变半导 体激光器的频率。电流调制激光频率的机制因调制频率的高低而不同。当电流调制 频率较低时，电流对于频率的调制主要因为有源区温度的变化导致频率的改变。当 电流调制频率较高时，则是因为载流子密度的变化引起的频率改变起主要作用。 2.2 光栅外腔反馈半导体激光器 半导体材料的发光跃迁是在能带之间进行，因此激光器输出频率不是确定值， 而是具有一定的频率范围，并可能同时激发多个模式。要压窄线宽并能减小激光器 输出频率波动，则要对激光器的模式竞争过程进行干扰，通过引入外部反馈，进而 减小所需激光模式在腔中的损耗，从而达到模式选择的目的。光栅、平面镜、标准 具、fp 腔、双折射滤光片、声光器件等均可作为外腔反馈的元件5。其中由于光栅 外腔反馈结构简单且调谐容易，得到了广泛的应用。我们实验中自制激光器就是选 择光栅作为外腔反馈的元件。光栅外腔反馈的基本工作原理是因为对于光栅的一级 衍射光来说，不同的频率对应的衍射角度不同，可利用这种色散现象选出具有较窄 频率范围的光，将所选光按照入射光栅时的光路反向注入激光二极管中，结果是相 当于减小了所选频率的光在腔中的损耗，经过增益饱和模式竞争最终形成单一的外 腔模式后实现半导体激光器的单模输出。 光栅外腔反馈通常使用的结构分别为 littrow 和 littman 方式。如图 2.1 所示 littrow 的结构是将光栅的一级衍射光与入射光路重合，进而将一级衍射光反馈到回 激光二极管，光栅与二极管构成激光器外腔，此时通过调节光栅的角度可以选择不 同频率的激光反馈到激光二极管从而实现激光器频率的连续调谐。与 littrow 的结构 第二章 光栅外腔半导体激光器及其稳频技术 5 图 2.1 光栅反馈的示意图 相比，littman 的结构加入了一个调节反馈的平面镜。输出光以一个较大的入射角照 射到光栅上，产生的一级衍射光束经平面镜反射按原光路返回，再经过光栅后注入 激光器。只需要改变平面镜的角度，就可以选择反馈光不同的频率，而且最终输出 光的方向不受调节平面镜过程的影响。littman 的结构由于反馈的激光连续两次经过 光栅衍射， 所以对频率的角分辨率比 littrow 高两倍， 并减小了激光器输出光的线宽。 但是输出效率相比 littrow 方式较低，而且相对复杂的结构也使得调节变复杂和提高 了对机械稳定性的要求。基于两种方案的特点，最后我们的光栅外腔半导体激光器 采用了 littrow 结构的工作方式。 2.3 半导体激光器稳频技术 光栅外腔半导体激光器要进一步提高频率的稳定性，则需要使用有效的频率负 反馈系统来实现，首先要一个合适的频率参考来判断频率的变化，并要区分出频率 相对于参考标准变化的大小和方向，获得鉴频信号。通常以光学谐振腔或特定的原 子、分子跃迁谱线为频率参考来获取鉴频信号再反馈到激光器中调节影响输出频率 的工作参数，这样实现了以所取参考频率稳定性为标准的激光器频率的锁定。 2.3.1 饱和吸收法稳频 饱和吸收光谱（saturation absorption spectroscopy：sas）是一种简单有效的高 分辨率光谱技术，可以获得原子、分子气室样品消多普勒展宽的谱线，被广泛应用 于激光频率标准，中性原子的激光冷却与俘获以及光场与原子、分子体系相互作用 等方面的研究3。 当在某一范围内扫频的探测光通过原子气室时，可以得到光对应于原子能级结 构的吸收光谱。由于多方面的原因，吸收谱线并不是单色光，而是在中心频率 0附 近一定范围，谱线加宽的重要因素就是原子的多普勒频移造成的。多普勒加宽为非 均匀加宽。频移公式为： 0 k v= ? ? 铯原子 d2 线光抽运光谱及其应用研究 6 其中，k ? 为光场波矢量， 0 为光场的角频率，为对原子来说的光场角频率，v ? 为原子在参照系中的速度。 可以看出原子运动速度v ? 的方向与k ? 的相同时，对原子来说光场频率下降，如 果v ? 与k ? 的方向相反，对原子来说光场频率上升。而v ? 与k ? 方向垂直时，原子所感受 到的光场频率不变。所以只有在v ? 与k ? 方向不垂直的情况下，才能发生多普勒频移 进而产生多普勒加宽。 探测光得到的则是一个含有多普勒背景的较宽的吸收谱线。但是在很多研究及 应用中，谱线分辨率受到多普勒加宽的影响，可能覆盖很多细节。而饱和吸收光谱 技术能克服这种问题，其方法是用一束强光使得二能级的原子发生受激跃迁，由于 泵浦光光强较大，持续作用下使得基态的原子布局数减少。当用一束与强光相向重 合的弱探测光通过气室时，由于饱和作用，弱探测光在超精细跃迁频率处会吸收减 弱3，在谱线上显示的是电压升高，进而可以获得超精细跃迁谱线。 此时给半导体激光器加入频率调制后，激光频率的有一个调制的变化量，从而 将调制引入饱和吸收谱线，通过锁相放大器相敏检波技术在调制信号的一次谐波处 解调。由于调制系数是一个微变量，只取一阶近似则得到了透射信号的一阶微分项。 也可以用高阶的谐波来解调，将得到信号的三阶微分项。吸收谱线的奇数阶微分曲 线具有类色散型的特点，通过合适的调整后反馈回激光器的频率调节因素，如电流 或电压，可以实现激光频率锁定到微分信号中电平零点对应的频率。 2.3.2 pdh 稳频技术 pdh射频边带稳频技术将激光器的输出激光用相位调制器调制后入射到f-p腔， 再由探测器探测 f-p 腔的反射信号，最后将接收到探测器信号与调制信号利用混频 器混频产生类色散信号，经电子学负反馈系统将激光频率稳定在 f-p 腔上。从而实 现稳频。 图 2.2 pdh 稳频装置 第二章 光栅外腔半导体激光器及其稳频技术 7 2.3.3 外加调制 图 2.3 加调制稳频技术 与饱和吸收类似，不同的是调制信号是加在声光调制器的射频驱动源上，进而 调制衍射光的频率，结合饱和吸收装置，进而将调制引入饱和吸收谱线中，再经过 反馈环路将激光频率锁定。其主要的思想是将调制信号加在激光器以外的光学器件 上，从而减少了直接给激光器调制带来的调制噪声。 2.3.4 无调制 图2.4 声光频移器实现无调制锁频的实验图 将激光器的两束光分别通过两个相反频移量的声光频移器，再将其分别通过饱 和吸收装置得到的谱线进行相减，从而得到鉴频曲线。再引入反馈回路实现锁频。 此方法的优点是完全没有调制信号，彻底消除了调制噪声。 铯原子 d2 线光抽运光谱及其应用研究 8 2.4 小结 本章简单介绍了半导体激光器的工作机制和影响其输出频率的因素。通过比较 两种光栅外腔反馈结构的特点， 选择了littrow的结构作为实验的激光器的工作方式。 最后介绍了几种激光器稳频的方式并分析了它们的特点，对常用的 lock-in 的锁频方 式进行了仔细的说明。 第三章 偏频锁定技术 9 第三章 偏频锁定技术 以特定频率为参考的锁频方法中，参考频率标准确定，因此锁频环路闭合后激 光器的输出频率是不可调谐的，很多时候不能满足使用的要求，如中性原子磁光阱 中的冷却光需要激光频率有一定失谐，或者在研究其它要求激光频率有确定失谐量 的实验中，光不能同原子共振且需要有固定的频率差。以及在激光外差相干探测等 技术中也要求两个激光的频率差相对稳定，这些情况下就需要激光器的偏频锁定。 相对于某一参考频率有一定失谐的偏频锁定时，可简单的将激光器的频率锁定 在共振峰峰值附近的斜坡上实现偏频锁定，其偏频的精确度依赖于电压信号的稳定 度并会受到光强度起伏的干扰，而且允许偏移的范围仅在共振峰线宽的量级。仅能 作为粗略的偏频锁定方式，而精确的偏频锁定需要激光器对参考频率的偏频量也有 一个参考标准。 3.1 声光调制器实现偏频锁定 图 3.1 声光调制器实现偏频锁定的实验装置 激光分出的一小部分光往返两次通过声光频移器, 这样改变声光频移器的频移 量时输出光的方向不会改变，将输出光入射铯原子饱和吸收光谱装置得到饱和吸收 谱线，此时激光器对于谱线有声光频移器的两倍频移量，此时结合稳频环路锁频， 则实现了相对于铯原子跃迁线的负失谐偏频锁定。 3.2 拍频 铯原子 d2 线光抽运光谱及其应用研究 10 图 3.2 拍频实现两激光器偏频锁定装置图 如图 3.2 所示， 两激光混频后输入探测器， 探测器将接收到的信号输入拍频器中， 可以得到两信号的频率差的信号，调制其中一个激光器进而调制了两激光器的差频 信号。从而得到鉴频曲线，用得到的鉴频曲线纠正其中一个激光器的频率。最终实 现两激光器频率差稳定的偏频锁定。 3.3 f-p 腔实现激光器频率链 图 3.3 f-p 腔实现偏频锁定示意图 将不同的激光器锁定在同一个 f-p 腔的不同纵模上，这样所有激光器都同腔共 振，同时频率偏移是纵模间隔的整数倍，这样就实现了多个激光器之间的偏频锁定。 它们之前的频移量依赖于 f-p 腔的参数。 第三章 偏频锁定技术 11 3.4 声光调制器正反馈实现光学频率梳 图 3.4 声光调制器正反馈实现光学频率梳的光路图 实验过程如图 3.4 示半导体激光器发出光束先通过一光隔离器消除光反馈，后 经 /2 波片和偏振分束棱镜分为两束， 反射光进入饱和吸收光路中来监视激光器的状 态，透射光通过凸透镜后进入声光调制器发生衍射，产生的 0 级衍射光经过反射环 路后再次进入声光调制器发生衍射，反馈光的入射方向和首次衍射的-1 级衍射光的 方向一样，由衍射的特性可得，反馈光再次衍射后会在首次 0 级衍射光方向产生新 的+1 级衍射光，在首次-1 级衍射光方向产生新的 0 级衍射光，新产生的光沿环路再 次反馈，如此反复后，原输出衍射光含有频率等差，偏振方向一致的多种频率衍射 光，即实现了光学频率梳。 在环路中，为了声光调制器一次通过的衍射效率最大，用凸透镜 1 将光束会聚 在声光调制器的位置，光斑会聚后会逐渐扩散，多次环路时很是影响效率，为了使 多次通过声光调制器时的光斑均能衍射效率最大，需要在反馈环路中加入一凸透镜 使反馈光在多次环路中实现光斑的腰斑自再现。要实现光束腰斑的自再现，首先应 测量激光的腰斑的大小和位置，然后通过理论计算确定透镜的位置，从而实现环路 中自再现。我们使用的是斩光法测量腰斑，在光束上选择一处用斩光器对光斑作切 割，通过示波器读出剩余光斑的光强分别为 84%和 16%时，光斑的大小为这两处切 割位置的距离，由此定出任一点处的光斑尺寸，选取多个位置，测出多个位置的光 斑大小，将所得数据在计算机位置上光斑的大小，通过测量多个位置（最少 5 个位 置）的光斑大小后在计算机上用双曲线公式模拟出高斯光束，从而得到激光腰斑大 小和位置。因为要测量声光调制器附近的腰斑大小，而在此之前改变光斑形状的光 铯原子 d2 线光抽运光谱及其应用研究 12 学器件只有凸透镜 1，所以定 f=1m 的凸透镜 1 位置为原点，z 为原点之后光传输的 距离，拟合曲线得激光的腰斑大小为 0.2689mm，腰斑位置为 z=1157mm，即腰斑在 凸透镜 1 光路后 1157mm 处。 确定了激光的腰斑和位置后，测量环路的长度，由激光模式自再现公式计算环 路中所需凸透镜的焦距，并确定其位置。由高斯光束的传输性质，当透镜的焦距等 于高斯光束入射在透镜表面上的波面曲率半径的一半时，透镜对该高斯光束作自再 现变换。 所用的激光器的波长是852nm， 测得实现光束自再现的环路的长度为140cm， 腰斑的大小 0.2689mm， 可计算出应选用的透镜的焦距约为 350mm， 凸透镜应放的位 置为环路的中心位置，距离腰斑为 70cm，这样才能满足多次环路的自再现。 要观察不同衍射效率下的频率梳的形状，需要调整光路使声光调制器的衍射效 率最大，而后调节声光调制器的驱动装置中的 va，改变衍射效率。最后通过用存储 示波器记录不同衍射效率下光在 f-p 腔监视下频率梳的形状。 -0.008-0.006-0.004-0.0020.000 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 y axis title x axis title o r i g i n p r o 8 e v a l u a t i o no r i g i n p r o 8 e v a l u a t i o n o r i g i n p r o 8 e v a l u a t i o no r i g i n p r o 8 e v a l u a t i o n o r i g i n p r o 8 e v a l u a t i o no r i g i n p r o 8 e v a l u a t i o n o r i g i n p r o 8 e v a l u a t i o no r i g i n p r o 8 e v a l u a t i o n o r i g i n p r o 8 e v a l u a t i o no r i g i n p r o 8 e v a l u a t i o n o r i g i n p r o 8 e v a l u a t i o no r i g i n p r o 8 e v a l u a t i o n 图 3.5 不同衍射效率下的光频梳 由所记录的光强-频率数据，可以观察到一系列频率间隔相等的频率成份，在此 所用声光调制器的调制频率为 100mhz，所以相邻间的频率间隔均为 100mhz。峰 值的大小代表了相对的光强。每个图中含有 7 个峰，从左往右分别代表了+5，+4， +3，+2，+1，0 和-1 级衍射光。不同衍射效率下，各峰值的相对强度均不同。设声 光调制器布拉格衍射的效率为 ，每种频率成分的光效率的理论值如表 1 所示： 第三章 偏频锁定技术 13 表 3.1 各级衍射光衍射效率的理论值 -1 级 0 级 +1 级 +2 级 +3 级 +a 级 （1-）2 （1-）2 （1-）22 （1-）23 （1-）2a 通过对比实验值和理论值，我们看出频率梳光强分布与理论值有一定偏差，理 论的强度分布由表 1 可得 0 级衍射光之后的+1 级，+2 级，+3 级衍射光强度比为声 光调制器的衍射效率 ，而实际观测的图像并没有严格符合这种比例，0 级光比+1 级光要高出理论值很多，而后面的+1 级比+2 级，+2 级比+3 级均低于理论值一些， 说明第 1 和第 2 次通过时光损耗较小，多次通过时光功率损耗较大这是因为多次环 路中腰斑自再现没有很好的实现，多次通过时衍射效率降低了，造成测得图像中光 功率出现这样的偏差。另外光频梳覆盖光频的宽度不够大，稳定性和精确性有待继 续提高。依上述环路类推，我们还想到可以把 0 级衍射光与 1 级衍射光均反馈回声 光调制器以产生多频光，如图 3.6 所示，输出光为 2 级衍射光处的光频梳。这种环路 产生的光频梳的光频成分更为复杂。 图 3.6 0 级光与 1 级光均正反馈的光路图 此外，通过此实验提出一种正反馈提高衍射效率的方法，如图 3.7 所示，与实现 光频梳的环路类似，光束过棱镜 1 的反射部分光进入饱和吸收光路中，透射的光通 过棱镜 2 和凸透镜 1 后进入声光调制器发生衍射，产生的 0 级衍射光经过反射环路 后与棱镜 1 的透射光在棱镜 2 处合束，再次通过声光调制器发生衍射，产生新的 1 级衍射光，从而提高了 1 级衍射光的效率。其中凸透镜 1 的作用是使入射光会聚在 声光调制器处，使得衍射效率最大，凸透镜 2 的作用是使得 0 级衍射光成为与入射 光光斑大小一致的平行光。 铯原子 d2 线光抽运光谱及其应用研究 14 图 3.7 声光调制器正反馈提高衍射效率的光路图 用功率计测得进入声光调制器的功率为 22.3mw，在 0 级光未反馈时，衍射效率 最高的 0 级光功率 3.7mw，+1 级光功率 15.8mw，衍射效率为 70.9%，将 0 级光反馈 时，+1 级光功率为 17.3mw，衍射效率为 77.6%，与未反馈时相比提高了 6.7%。在 一些对声光调制器的衍射效率要求较严格的场合，可以用此方法实现衍射效率的提 高。 理想状态下，即不考虑一些镜面反射过程中的损耗，可以通过已知数据计算出 反馈后的衍射效率的理想值。反馈的 0 级光功率在没有损耗的状态下为 3.7mw，假 设其无损耗重新进入声光调制器，则 3.7mw 中有 70.9%的功率加到+1 级衍射光上， 此时计算得+1 级衍射光功率为 19.9mw，衍射效率为 89.3%。可见若减低这些镜面反 射的损耗，衍射效率还有进一步的提高。 应当注意的是，因为光路中使用的是棱镜合束的方法，所以原+1 级衍射光与反 馈后+1 级衍射光的偏振方向垂直。若想要分开两个+1 级衍射光，只需在最后输出的 +1 级衍射光后面加一 /2 波片和棱镜 3 就可以把这两束光分到两个偏振方向上。因 为反馈回来的 0 级衍射光通过棱镜与原入射光合束，所以第一次的 0 级衍射光与第 二次的 0 级衍射光偏振方向垂直，第二次反馈回棱镜的光由偏振关系在棱镜 2 处透 射出去，不再通过后面的环路。可得环路中只能反馈一次 0 级光。0 级衍射光反馈回 路的光程不一定是波长的整数倍， 所以反馈后的+1 级衍射光与原+1 级衍射光的相位 未必相同，在对光的相位要求较严格的场合，不能采用本方法提高衍射效率。 3.5 小结 本章介绍了对特定频率有一定失谐的偏频锁定和两激光器频率差稳定的偏频锁 定，通过分析锁频参考频率以及频率差的标准，进而评价不同方法的特性。另外， 通过光学反馈，我们改变了声光调制器输出光单一的偏振特性和频率成分，产生了 第三章 偏频锁定技术 15 光学频率梳，输出了有固定频率差的激光，在冷原子研究中，一些原子跃迁线频率 特性类似于光频梳，用此方法可以方便的研究光频梳与原子的相互作用。为冷原子 研究提供了一些帮助。 铯原子 d2 线光抽运光谱及其应用研究 16 第四章 基于铯原子 d2 线光抽运光谱的偏频锁定 人们通常选择铯、铷等能级结构相对简单的碱金属原子来研究光与原子相互作 用，而且要有相对应频率的激光。本文的所有工作都是在铯原子基础上进行的。首 先简单介绍铯原子的物理性质和其 d2 线的情况。在此基础上说明了铯原子 d2 线光 抽运的物理机制，介绍了探测光与抽运光相向与同向的情况下光抽运光谱的特点， 最后通过锁频环路实现了两激光器的偏频锁定。 4.1 铯原子 d2 线能级结构 铯是一种柔软的具有一定韧性的金属，颜色银白色略带金黄。铯原子能级结构 相对简单，但是有时也要考虑多个精细结构和超精细结构能级的影响。铯原子的 d 跃迁线有两条， 通常称 62s1/2- 62p1/2的跃迁谱线为 d1 线， 波长在 894nm 附近。 62s1/2- 62p3/2的跃迁谱线为 d2 线，波长在 852nm 附近3。 图 4.1 铯原子 d2 线相关超精细能级结构 图 4.1 为铯原子 d2 线超精细能级结构图。 激发态 62p3/2态有四个超精细能级 fe = 2、3、4、5，它们的能级间隔分别为 151 mhz、201 mhz、251 mhz，基态 62s1/2中 fg = 3、 4能级间隔为9193 mhz， 即目前作为时间基准的铯原子钟的钟跃迁频率。 62s1/2 (fg = 4)- 62p3/2 (fe = 2)和 62s1/2 (fg= 3)- 62p3/2 (fe = 5)是偶极禁戒跃迁，允许发生的是 62s1/2 (fg=4)- 62p3/2(fe =3， 4， 5)和 62s1/2 (fg=3)- 62p3/2 (fe =2， 3， 4)的跃迁。 其中 62s1/2 (fg=4)- 62p3/2 (fe =5)或 62s1/2 (fg=3)- 62p3/2 (fe =2)跃迁因作用的半导体激光器激光线 宽远小于超精细能级间隔，可以认为是循环跃迁12。 fg= 3 251 mhz 201 mhz 151 mhz 9193 mhz 62p3/2 62s1/2 852.3 nm fg= 4 fe= 2 fe= 3 fe= 4 fe= 5 第四章 基于铯原子 d2 线光抽运光谱的偏频锁定 17 -1000100200300400500600 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 relative intensity relative frequency( mhz) fed cb a -1000100200300400500600 -0.02 -0.01 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 dfe c b relative intensity relative frequency( mhz) a 图 4.2 铯原子 d2 线饱和吸收谱线 通过饱和吸收装置得到铯原子的饱和吸收光谱如图 4.2 所示，62s1/2 (fg=3)- 62p3/2 (fe =2, 3, 4)的饱和吸收谱线与62s1/2 (fg = 4 )- 62p3/2 (fe = 3, 4, 5)的饱和吸收谱线均有6个 共振峰。除了对应的三对超精细能级间跃迁的三个峰之外，还有另外的三个饱和吸 收峰。这三个共振峰均处在不同的两个超精细跃迁频率的正中间，称为交叉线。交 叉线的形成是因为在探测光传播方向上存在特定速度分量的一些原子，且可以设其 速度方向与探测光波矢量的方向相同，当激光频率恰好扫描到某两对超精细跃迁频 率的中间时，根据多普勒效应，这群原子感受到的迎面而来的泵浦光频率会升高， 大小合适的原子速度分量使得泵浦光频率升高后，正好与频率较高的那对超精细跃 迁共振。同时，这群原子感受到的探测光的频率降低，正好与频率较低的那对超精 细跃迁共振。因此在泵浦光的作用下，这群原子处于基态的数目减少，其结果导致 对探测光的吸收减少，谱线中也出现吸收减弱的共振峰，即产生了饱和吸收光谱中 交叉线15。 4.2 基于铯原子 d2 线光抽运光谱 光同多能级原子的某个超精细能级跃迁共振时，被激发到上能级的原子可经自 发辐射跃迁到不同的基态能级，部分原子就可从一个超精细能级被抽运到不再同光 作用的暗态能级。原子超精细能级光抽运导致布居重新分布并与原子间以及原子和 器壁间碰撞等其他非辐射跃迁过程导致的布居转移过程达到新的动态平衡，便形成 了新的不同能级间有确定布居的铯原子实验样品。抽运光频率的变化会影响光抽运 的强度并改变这种新的布局平衡，而且新平衡态下布居分布的变化可通过此原子样 品对另外再引入的探测光的吸收变化反映出来。如果在改变抽运光频率的同时，记 录探测光通过该原子气室的透射信号，则可获得光抽运光谱。一般情况下，当探测 铯原子 d2 线光抽运光谱及其应用研究 18 光和控制光同时作用时或多或少总存在光抽运现象，为了简化实验条件，可选择探 测光频率对应到 62s1/2 (fg = 4)- 62p3/2 (fe = 5)或 62s1/2 (fg = 3)- 62p3/2 (fe = 2) 循环跃迁 频率上，此时垂直于光传输方向运动的原子不存在探测光的光抽运过程。虽然有部 分在光传输方向有一定速度分量的原子由于多普勒频移使其表观中心频率发生变 化，导致探测光实际上耦合 62s1/2 (fg = 4)- 62p3/2 (fe = 4 或 3)跃迁，但是他们对光谱 的影响已相对较弱。 此时通过 sas 装置观测并使控制光的频率在 62s1/2 (fg = 3)- 62p3/2 (fe = 2, 3, 4)或者 62s1/2 (fg = 4)- 62p3/2 (fe= 3, 4, 5)的整个多普勒背景范围内连续扫描 就可得到探测光随控制光频率变化而形成的吸收变化的光抽运光谱。 4.2.1 同向情况下的光抽运光谱 如图 4.3 所示。dl100（toptica.inc）和 ecdl（自制）均为光栅外腔半导体激 光器，可通过电流调制端口或改变加在压电陶瓷（pzt）上的电压从而改变反馈光栅 的角度实现激光器频率的连续调谐和调制。利用饱和吸收光谱装置（saturation absorption spectroscopy, sas）可对激光频率进行监测，其中抽运光的饱和吸收光谱 还可以用来标定光抽运光谱中出现的吸收增强或吸收减弱峰的相对频率，本