Yb：YAG固体激光器的高分辨率频率标准

1、 在1030 nm的Yb：YAG固体激光器的高分辨率频率标准 叶军，马隆胜*和约翰·L·霍尔 联合天体物理实验室，标准与技术和科罗拉多大学博尔德分校研究所， 博尔德，科罗拉多州80309-0440 二极管泵浦固态的Yb：YAG激光器已经稳定到一个高精细度腔全外置伺服回路。超灵敏腔增强频率调制光谱已经恢复子多普勒乙炔泛音过渡具有高信号对噪声比，导致的吸收灵敏度在1-S的平均时间。这个高分辨率分子共振用作激光器的长期稳定的参考。该系统可以被开发成在1.03毫米的波长范围内具有高度紧凑和稳定的光学频率标准。©2000年美国光学学会S0740-3224(00)03206-

2、9 OCIS代码：140.3580, 140.0140, 300.6360, 300.6390, 300.6460, 350.4800. 二极管泵浦固体激光器被视为在许多不同的应用领域中最有前途的相干光源，包括通信， 遥感和检测，高分辨率光谱，并精确的测量。除了在，如能源效率，尺寸，寿命和固有噪声电平的领域表现优劣，新的固态激光系统覆盖不同的波长范围目前正在积极的发展。二极管泵浦的Yb：YAG激光器提供了一定的好处超过激光器，如那些Nd：YAG激光，在低的热负荷，长上态的寿命，没有激发态吸收和变频损失，一个宽吸收带在940纳米，它是在GaAs二极管激光射范围内。因而Yb：YAG激光对高功率和高

3、效率的激光手术是更好的选择。（1）Yb：YAG还提供了一个支持飞秒脉冲产生一个宽的发射光谱。（2）在CW世界，1.03（1.05）毫米可调资源，当然是值得欢迎的光谱工作。然而，由于缺乏在该波长区域中的合适的参考文献在某些应用限制了激光，它的频率或波长的精确知识是必需的。在本文中我们的报告，首次就我们所知高分辨率（子多普勒分子振动倍频转换）1.03毫米左右的频率基准Yb：YAG激光。可调的Yb：YAG激光器3在我们的实验中使用的输出50毫瓦（单纵模）近1030 nm的二极管泵浦功率800毫瓦。激光波长可以被缓慢地只与它的谐振器的温度控制调节。因此，实现了激光器的频率稳定与合理的宽的带宽，外部的激

4、光的频率和相位校正换能器是必要的。（4）声 - 光调制器（AOM）被就此采用。自由运行激光器的线宽是20千赫在低于0.1毫秒的测量时间的数量级。然而，通过使用天然的原子或分子的参考建立有效的长期稳频，这样快速激光线宽需要进一步减少，到一定程度该谐振信息可以收回一个增强的信号 - 噪声（S/N）比，并有效地用于抑制激光频率抖动和漂移。换句话说，当一个本地振荡器是更稳定，它可以再花其频率和相位的时间较长不必作出关于参照查询之前的自身演变。更长的询问期转化成两个谐振信号恢复过程（从而做出一个更精细的检查对于真正的线中心）和长期伺服回路，锁定激光频率上的共振较小的带宽。对于短期稳定激光器的目的，光腔被

5、经常使用。（5）在我们以前的超灵敏的腔增强频率调制的研究（FM）光谱（6）我们结合长期和短期的稳定的运作成一个设备，与被提供给激光腔内分子过渡腔共振和信息同时。我们按照目前的工作使用同样的策略。在整个设置过程Yb：YAG激光频率稳定示于图。1，电光调制器1（EOM1）允许频率和相位的光场（相对于型腔），以在该载体被采样在空腔反射的光（光检测器1）的4 MHz.Phase相干解调频率揭示了伺服误差信号，它是用于将激光锁定到空腔模式。外部AOM可用于频率和强度稳定。由于激光谐振器的温度响应被限制在一个时间常数;1秒，我们需要对AOM的频率伺服增益基本上延伸到dc范围。（在更典型的情况下，激光谐振器

6、将具有某种启用机械调谐能力，例如，由一个压电换能器（PZT），其安装在一个反射镜中。然后，我们会滚下AOM在低频率范围的增益，使得PZT是主要负责纠正激光器的任何缓慢，但会潜在的大频率的噪音。（7）为了避免过多的光束指向噪声，我们采用了双传送机制的AOM使从AOM衍射光束不具有对AOM的驱动频率指点方向的依赖。图。1，频率稳定一个的Yb：YAG激光器通过使用光学谐振腔与腔内分子的吸收。关于腔的共振（分子）中，所谓的误差信号，该信息是由相位相干检测的回收腔体反射（透射）光在4 MHz（318兆赫）。 PBS中，偏振光分束器;PD，光电探测器。 EOM，电光调制器。 该空腔具有一个自由光谱范围频3

7、18.34兆赫。腔场环下降时间（ 1 / e）为测得为75毫秒，从而导致空腔线宽4.3 kHz和75000一个技巧1.03毫米FWHM） 。空腔锁定信号被从外差而得直接反映了输入领域之间跳动镜和空腔存储字段的通过漏输入镜。因此，错误包含频率信息在时间尺度长于腔响应时间，但在较短的时间尺度相位信息。该窄线宽腔不限制可用的伺服在测量带宽效率，而是辅助工具的频率和相位噪声。在伺服机构的设计环路滤波器的功能，我们首先补偿腔响应具有电子传输功能，其具有极在dc和零在空腔的带宽。合并腔体和该第一级放大器的响应是一个净积分器（频率误差）在整个相关频率范围。与预定的知识一个400纳秒的时间延迟（这是由于传播的

8、通过光光束内的声波的了用于频率校正的AOM的晶体），循环被优化的单位增益带宽150千赫。第二级积分用于低于1 kHz以提供更多的增益在低频范围内，其中激光频率的强烈噪音的增加。输出环路滤波器供给一电压控制振荡器（VCO），其驱动AOM。以防止饱和VCO控制信号，它被集成更多的时间，并且是馈送到激光谐振腔的温度伺服，用交叉VCO和热之间0.1赫兹的频率控制。 图2示出了该环路误差信号分析情况下，其中激光被锁定到空腔中。噪音的信号上的射频（RF）频谱的频谱分析揭示了附近的单位增益伺服噪音凹凸频率为150千赫的图。图2（a）。在较低的频率范围内的快速傅里叶变换（FFT）分析器给出了一个噪声频谱带的更

9、准确的测量其更高的分辨率带宽。图2（b）显示了信号分析和由FFT进行比较分析仪（由下往上排列）：电子底噪声，散粒噪声，噪音小，误差在一个紧锁信号一个松散的锁定状态下的条件和误差信号。在分析仪测得的噪声谱（在V/Hz1/2）的单位被转换为频噪声谱密度（在Hz/Hz1/2），通过斜率（Hz/ V）的装置的判别误差信号。在傅立叶频率比空腔响应角频率越高，腔的低通特性，其中x 为归一化频率从空腔谐共振是考虑到转换相位噪声谱成频率的噪声频谱通过这个腔响应功能划分。该探测器的白散粒噪声对应于白上述腔角频率的相位噪声，因此，导致高频噪声上升在更高的傅立叶频率。 我们可以看到，虽然我们和调制解调的光以高频率（

10、4 MHz）时，该光强度噪声仍是3 dB以上的散粒噪声电平（在0.3毫瓦的检测器的电源）。下一个紧紧的锁定状态中环路误差信号噪声出现是;20倍以上的测量散粒噪声限制。因此，我们工作在增益限制的领域，与观测的变化表示着密切的估计的实际激光器噪声。最大增益，我们可以采用由环路带宽，而这又是有限的受限于AOM的时间延迟。图。2，在环路误差信号锁定状态下的分析。通过一个RF频谱分析仪分析（一）错误信号，显示出近150千赫单位增益频率伺服噪声磕碰。在低频率的上升噪声水平是由于在射频频谱分析仪。（二）FFT下2锁定条件的误差信号的分析。还示出了电子噪声与光的基座的水平。直接从检测器获得的信号含有约两个频率

11、的噪声（在下面的腔拐角频率傅立叶频率）和相位噪声（在傅立叶频率高于所述腔的转角频率）的信息。我们已经使用了空腔响应函数的相位噪声转换成相应的频率的噪声频谱。 来确定激光的相干线宽，我们转换成频谱密度相位噪声谱密度和计算累计rms相位方差。一体化的第一部分进行从1 MHz（其中测得的噪声接近散粒噪声极限）到10千赫，而所产生的相位变化小于。这是由于以下事实该快速频率波动有小的阶段调制指数，因此转换只是一个微不足道的载波功率与噪声边带的一部分。低于10 kHz的高频噪声谱密度（ASF）大致持平于。小幅波动导致0.28 Hz的激光线宽相对于所述腔体中的，鉴于（8 ）DN激光。当反馈增益掉头向下，激光

12、的快速上升的高频噪声在低频率范围内当然变得可见。于该反馈环路的增益足够的情况下高一可以完全抑制原激光噪音，并且可以通过与测量噪声更换伺服。换句话说，ASF5 DN腔/（S / N），其中 DN腔腔线宽（HWHM）和S/ N表示约腔共鸣恢复的信息的质量。 与FM边带技术测量噪音可以接近它的最小可能值时，基本的散粒噪声极限。半实物仿真和派生的散粒噪声限制的激光频率的理论值,根据反馈的噪声频谱密度： 这里的光功率P 50.3毫瓦，检测器的响应H 50.4 A / W，腔体的共振传输效率 Tcavity520，J050.96，J150.2（零和一阶贝塞尔函数）为0.4调制指数在4 MHz。根据这些参数

13、，ASF计算为0.3 mHz/Hz1/2;比测量更小的1000倍值。当前系统的改善将需要更好的光电隔离和更广泛的伺服带宽。 尽管如此，100 kHz以下的激光的固有噪声已经通过伺服作用大大减少。因此，我们可以得出结论： 大部分的噪声加在VCO通过闭环反馈，而最接近的激光的内在噪声。有关的频率的噪音从而资讯自由运行激光器很容易从的读出对AOM-VCO。建立一个参考电平的特性VCO频率的噪声被第一计量，而不激光腔的锁定。 VCO的噪声增加时，AOM的使用的伺服环路中清楚地反映了相对激光和腔体之间的噪声。为了能够估计激光器的参数，我们则需要考虑参考腔的噪音。 腔体位于一真空腔室内部那同时提供热和振动

14、隔离。然而，腔体的稳定性由PZT略微降低安装镜，这是必要的，扫描出来的分子共振。我们使用一个低噪声，高电压的PZT 一个60赫兹范围内噪声密度驱动器 频带.（10）考虑到PZT通过扫描一个腔的自由光谱范围（318.3兆赫）与500伏， 因此，由压电陶瓷驱动器的附加噪声估计在。当腔长度稳定在一个分子跃迁，在其中我们使用的带宽在PZT当然最终由伺服回路决定的。由于无源谐振腔的模态频率不有很多快速波动，其长期漂移可稳定时， VCO噪声可以被用来推导出自由运行激光器的频率噪声。图3比较所计数的VCO频率的Allan方差下锁定和自由运行的条件。图表明本征VCO频率波动的几百赫兹的顺序。然而，当激光被锁定

15、在空腔中，VCO具有由几来改变千赫兹到几十千赫兹的，使得激光的噪声可以得到补偿。在很短的时间尺度上，如的激光频率的噪音大约是（ 2占的事实因素，AOM的是双传递） 。噪音下降到于几十毫秒的平均化。 在激光的相干线宽而言，我们注意到这么快的频率波动不会累积成因为这样做的慢得多的波动随机相位噪声。例如， 20 kHz于有贡献的高频噪声小于1弧度均方根相位偏移。然而， 10 - 在1 ms千赫频率的噪声引起的随机相位偏移远远大于1弧度，以及连贯的定义线宽不再有效。根据图。 3 ，线宽的（弧度）断点似乎是<0.1毫秒，并且高频噪声有。我们可以验证这个结果，使用不同的测量战略。我们直接比较VCO的

16、线宽本身根据锁定，自由运行的条件。压控振荡器的标称频率是80兆赫，这是下变频用的频率合成器，以50千赫FFT分析。图4示出的急剧变化VCO的线宽为的情况下，其中的反馈增益激光腔锁从零增加到最大。为20 kHz的载波VCO这种扩大线宽可直接关系到原有的线宽自由运行激光器 。分辨率带宽为1kHz，对应于一个平均时间0.16毫秒。原始的VCO载波的功率下降，由于其能量的损失成相位噪声波动的影响，在VCO使得以补偿激光器噪声时间，然后将激光器的漂移接管较长的测量时间。图。3，AOM-VCO频率的根Allan方差。带圆圈的曲线表示在自由运行状态下VCO的频率的噪音。带有正方形的曲线示出了增加的VCO频率

17、噪声，其中VCO被用在伺服纠正激光频率噪声的情况。这两条曲线之间的差别表示直接测量激光频率噪声。、图。锁定和自由运行的条件下在VCO线宽4比较。80-MHz的VCO频率是混合到50千赫在1-kHz分辨率带宽FFT分析。原VCO线宽不是由1 kHz的带宽解决。当VCO用于将激光锁定到空腔中，线宽增加到;20KHz。 激光长期稳定这种激光腔系统是由乙炔分子填充在空腔的内部。所涉及的过渡是一个泛音振动line11 ： ，位于1031.6528 nm处，用0.59mD（ 1德拜跃迁偶极矩） 。对于高分辨率频率计量的目的，我们通常使用的腔内气体压力 1- 10毫托（1 Torr =133 Pa）对于3-

18、m Torr样品气体，我们通过46.9厘米长腔（计量其线性吸收单通）为，这导致了的吸收系数。本腔具有共振的20 ，这是降低了传输效率附近多普勒轮廓峰（的对比2.9 ）。对于子多普勒分辨率，我们使用一个事件0.45mW，并且在空腔功率积聚的电源3.2 W内，具有的传输可用。是与所获得的饱和吸收共振饱和度参数S的0.6 。可以得到的线宽通过采取的总和的分子过渡渡越时间和碰撞增宽因子和由上电展宽因子乘以这个数字。（与振动跃迁相关的自然线宽是1千赫的量级。 ）的渡越时间的限制自由飞行线宽为270 kHz时，由腔决定束腰。的压力加宽率，德宁率测定乙炔的另一泛音过渡，图6是;。饱和度参数可以推断无论从线宽

19、变宽（）或的饱和孔对比度（）就腔内功率。 其中最灵敏的技术用于吸收测量已经制定了我们以前的研究噪声免疫腔增强的光学外差分子光谱（NICE-OHMS）.(6)我们结合在FM光谱学与腔增强以下面的方式：输入激光束是频率调制精确地在腔的自由光谱范围（见EOM2图1中）。透射的光通过空腔保持其纯粹的调频特性及其外差检测（通过共振光检测器，图7中标记PD 2 。 1 ）不敏感，任何（小）激光和腔之间的相对频率的噪音。一个有用的信号产生的调频组件，当一个是相移或衰减腔内分子分散和吸收。为了进一步抑制在这种高频调制的噪声解调通道，我们犹豫不决的腔长（ 200千赫峰峰值）在低音频频率，我们用一个锁定放大器来检

20、测信号之后的高频RF解调。的回收的线的形状信号跟随调制拓宽衍生的dispersion.12图5（a ）示出了一个代表性的解调后的信号，通过利用平均化而得到的跟踪50毫秒的时间常数，与操作参数上面列出。该信号具有的FWHM500KHz，其中包括抖动的贡献。与估计在饱和吸收水平，得到的S / N比归一化到1秒是940 ，导致了的等效噪声检测灵敏度集成的吸收。这样的结果是，上述的13倍计算出的散粒噪声限制。（6） 以稳定的分子过渡腔长，我们首先需要获得足够的反对称通过使用二次谐波歧视线形状检测从锁定放大器。由此产生的分子误差信号被显示在图5（b）所示。该误差信号经过伺服环路滤波器并到达PZT驱动器，

21、其控制腔长度。这样做的质量信号设置的频率标准偏差激光伺服带宽内腔系统。显然，这种带宽需要保持，因为低在有限的S / N比的分子信号的。希望过多的测量噪声写回到激光腔系统。在下面的讨论中，我们提出的准则设置合适的分子伺服带宽。图。5的（a）内腔饱和吸收C2H2的信号（3n个3个）R（29）转变为1031.653纳米，具有三毫样本气体;饱和吸收，0.07 ppm的; FWHM;500千赫的检测灵敏度归一化，以1秒为6.4综合吸收310211（b）从该相同的分子过渡，用于稳定化的激光腔系统衍生的反对称误差信号。 假设分子共振具有DN摩尔的HWHM线宽，并且被回收以在1秒的S / N比（S / N）1秒。如果我们用B的