电压调制光谱中的残余幅度噪声的研究-

1、量子光学学报5(4:239243,1999A cta S inica Quantum Op tica文章编号:1007-6654(199904-0239-05电压调制光谱中的残余幅度噪声的研究X肖连团李昌勇李倩张临杰贾锁堂周国生(山西大学电子信息技术系,山西太原030006摘要:从理论和实验上研究了残余幅度噪声(R AM对谐波探测的影响。通过对Har vey-M y att外腔式二极管激光器进行低频(1K Hz电压调制和高次(2f以上谐波探测获得了10-6的最小探测吸收率。关键词:外腔式二极管激光;残余幅度噪声;电压调制;谐波探测中图分类号:O431文献标识码:AHarvey-M yatt外腔

2、式可调谐二极管激光器1由于其体积小、固体介质的可靠性与稳定性以及价格低廉等特点,在光谱学和环境学中得到了广泛应用13。该激光外腔利用透镜来准直光线,增益介质位于波导中,通过旋转外腔后镜来调谐激光波长。激光器在短时间内的线宽小于300kHz(50ms,与单片的Fabr y-Perot二激管激光器的典型线宽10M Hz500M Hz4相比,线宽明显变窄。这种利用电压调谐的外腔式二激管激光器实现了输出光无跳模、窄线宽和连续调谐,因而更适合高灵敏及高分辨的光谱测量。基于Harvey-M yatt形式的外腔式二极管激光输出是利用压电陶瓷控制后镜的旋转来实现波长调谐的,由于机械部件的作用,决定了这种采用外

3、部电压调谐激光波长的方法只能在低频下工作(带宽0.5kHz4kHz。Ch等人2通过200Hz的正弦频率调制激光波长,用这种外腔式二激管激光器在红外线(1.5L m附近测量了乙炔的振动跃迁;Nguyen等人3用该外腔X收稿日期:1999-11-06基金项目:山西省留学归国基金和太原市科技启明星计划资助项目。作者简介:肖连团(1967-,男,山西大同人,讲师,山西大学电子信息技术系在职博士生。式二激管激光器在调制频率为108Hz 时,探测了氧原子在760nm 附近的R 段的电子吸收谱;我们采用低频(1kHz波长调制和高次谐波探测法获得了铯原子D 2线高灵敏度和高分辨率的吸收光谱5,6。这种电压调制

4、方式由于波长调制的频率较低,测量系统仅需要低带宽的探测器,而且利用矢量锁相放大器(如SR 830,SRS 很容易处理信号的高次谐波。但是在波长调制的同时引入了能量起伏,由此产生的残余幅度噪声(RAM 作为谐波探测的主要背景信号严重地限制了测量结果的下限。1RA M 产生的理论背景对于正弦信号作用下的相位调制来说,其已调振荡的相位多了一个与调制信号成比例的增量,所以激光已调振荡的瞬时电场可表示为E (t =E 0expi X 0t +i U ,U (t =B sin(X m t ,(1式中,E 为激光振荡的振幅,X 0为振荡的角频率,B 为比例系数,X m 为调制频率。电场的瞬时频率X (t 的

5、大小为X (t =X 0+BX m cos(X m t 。(2在实际的调制过程中,激光输出的能量并不是恒定不变的,那么伴随着调幅的瞬时电场为E (t =E 01+M sin(X m t +U ex pi X 0t +i B sin(X m t 。(3其中,M 是调幅系数,U 为调频与调幅之间的相位差。在低于几百M Hz 的调制频率下,U 大约为P 26。由于激光辐射的能量等于振荡电场的平方,所以有I (t =I 01+2M sin(X m t ,M =I 0-I max 2I 0。(4I 0是在X 0处探测到的能量大小。如果把调制项用贝塞尔函数表示,式(3转换为E (t =E 0exp(i X

6、 0t +l =-r 1exp(il X m t ,(5其中r 1=l k =-1a k J i -k (B ,a 0=1,a 1=M 2i exp(i U。能量起伏对谐波(n X m 探测造成的背景信号I RAM =2I 0l r l r *l -n =2I 0l j ,k =-1a j a *k l J l -j (B J l -k -n (B 。(6贝塞尔函数J l -k -n (0只有在l -k -n =0时等于1,否则为零。所以在使用锁相放大器探测谐波分量时,具体有240量子光学学报5(41999I RAM =2MI 0sin(H +U n =112M 2I 0cos(H +2U +

7、P n =20n 3(7H 是探测信号与参考频率的相位差。图1激光器在调谐过程中的能量起伏(a 和在1kHz 波调制下的AM 信号(b 由(7式可知,RAM 引入的背景信号与激光能量I 0成正比,从而在1f 和2f 探测中成为主要噪声,而且在高次谐波探测(2f 以上的作用为零。在低频电压调制的实际应用中,由于低频噪声(1f噪声对I 0的影响,另外激光能量并不随电压调谐呈严格的线性关系,在高次谐波探测中RAM 信号作为探测的主要噪声仍会限制测量结果的下限7,而且其最小探测吸收率只能由实验具体测定。2实验结果与讨论我们利用Harvey -M yatt 外腔式二极管激光器(美New Focus 60

8、17作泵浦源。激光器的工作温度为26,固定输入电流55mA ,输出功率为8.5m W 。压电陶瓷的预置直流偏压为95V 左右,激光输出的中心波长为852.11nm (空气中。激光器的可调谐范围为70GHz ,电压调制(精细频率调制带宽为3.5kHz,调制度约为0.7GHz/V 。调制信号取自于锁相放大器(美SR830的内部振荡器输出的正弦电压。函数信号发生器(美H P 33120A产生1Hz 的慢扫锯齿波电压,与调制信号迭加后送入激光器的频率调制输入口,叠加到预置直流偏压上实现对输出光波长的调制和扫描。对激光器的输出直接用一普通的硅光电二极管进行测量,光电转换后的信号送入锁相放大器进行处理。同

9、时函数信号发生器输出的同步方波置入锁相放大器的辅助输入,作为锁相放大器内部存储数据的同步信号。锁相放大器(SRS 830可以探测任何n 19999次谐波,只要n 次谐波频率值不超过102kHz 。谐波测量的选择可通过改变锁相放大器的谐波探测(Har-monic Detect来实现。图1(a中给出激光器在波长调谐(1Hz时的能量输出。可见激光能量并不是保持恒定不变的,低频噪声对激光输出的影响也很明显。1(b是激光在调谐的同时施加1kHz 的波长调241肖连团等电压调制光谱中的残余幅度噪声的研究制后引起的幅度调制(AM ,这种幅度调制叠加在被测吸收信号上,严重地影响了测量结果的 灵敏度。图2激光器

10、在1kHz 波长调制下产生的谐波背景噪声(12f ,(24f ,(36f ,(48f ,调制深度为BX m = 1.6G Hz图2对应(1、(2、(3和(4记录的是幅度调制的二次、四次、六次及八次谐波信号,表示在谐波探测附加的背景信号。这些背景信号作为基准决定了测量结果的下限,其组成部分包含了RA M 噪声、低频噪声、散粒噪声和探测器的热噪声。这里对谐波探测的影响主要是RAM 噪声和低频噪声。我们发现,谐波次数越高,背景信号即噪声越小,在2f 、4f 、6f 中,背景信号主要是RAM 噪声,在8f 探测中低频噪声的影响已十分明显。更高次的谐波探测如10f 、12f ,由于被测吸收信号的分量非常

11、小,虽然背景信号更小(主要是低频噪声,探测结果的信噪比仍会降低,从而没有应用价值。对于多谱勒吸收线,由图2可以计算出2f 、4f 、6f 和8f 谐波探测的最小探测吸收率分别为2.510-5,7.010-6,4.010-6和1.510-6。3结论本文从理论和实验上研究了残余幅度噪声(RAM 对谐波探测的影响。在低频电压调制和高次谐波探测的应用中,由于低频噪声(1/f 噪声对I 0的影响和激光能量随电压调谐的非线性关系,在高次谐波探测中RAM 噪声仍会限制测量结果的下限,而且其最小探测吸收率只能由实验具体测定。通过对Harvey -M yatt 外腔式二极管激光器进行低频(1kHz 电压调制和高

12、242量子光学学报5(41999次谐波探测获得了10-6的最小探测吸收率。参考文献:1HA RV EY K C ,M Y AT T C J .Ex ter nal -cav ity diode la ser using a gr azing -incidence diffraction g ratingJ .Op t L ett ,1991,16:910-912.2CH D B ,HOV DE D C .W avelength -modulation detectio n o f acety lene w it h a near -infr ar ed ext ernal -cavity di

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17、ronics and inf or mation T echnology ,Shanx i U niver sity ,T aiy uan 030006China Abstract :With 1kHz vo ltag e modulation and harmonics detection,residual amplitude modu-latio n (RAM no ise w ere carr ied out exper im entally .We find that even in higher (than sec-ondharm onic the RAM is do minant in the backgr ound sig nal fo r the influence o f ex cess noise (1/f noiseand no nlinearity in th