相干激光技术

1、Coherent Laser TechnologyLaser Frequency Stable & Phase LockWang Ying1Main ContentCoherent Laser frequency stable Side-band locking-（PDH）Injection lockOptical phase locking ring2The coherent condition of two beam :Laser frequency stable (mode)Polarization constantPhase locked：Lock the frequency of t

2、he two laser to a standardLock one Laser to another3选模稳频相位锁定技术纵模横模Laser frequency Stable4Mode selectionLaser run with only one frequency. The others should be restricted.5Laser operation Pumping population conversion stimulated amplification in the cavitz Laser operation6The mode of Laser 谐振腔腔内的光波用腔

3、模描述，腔的有限尺寸决定了腔的分立谐振条件（本征模）。 只有与腔模场匹配的光模场可以在谐振腔内存在； 谐振腔腔长决定激光的纵模; 谐振腔的截面尺寸决定横模； 单纵模一定是单横模，但是单横模可能多纵模7横模-光场分布光场强的截面分布m 和 n 分别代表正交方向的模级数TEM00 是 Gaussian分布.高增益和空间烧孔造成自由运转激光器多横模运行8谐振腔驻波场谐振条件:2nL=N激光器实际输出波长：增益线型内超出阈值部分的纵模非线性展宽和空间烧孔造成自由运转激光器多纵模运行纵模激光频率9单模运转-短腔短腔法：缩短谐振腔长度,可增大相邻纵模间隔,以致在荧光谱线有效宽度内,只存在一个纵模,则只要缩

4、短腔长，使：时可以实现单纵模谐振。10单模运转-选纵模光栅选模：谐振腔本征模与光栅某衍射级重合11F-P选模：振荡频率不仅符合谐振腔共振条件，还要对标准具有最大的透过率，F-P自由光谱区大于增益带宽M1M2激活介质12斜置法F-P准具选纵模：振荡频率不仅符合谐振腔共振条件，还要对标准具有最大的透过率，F-P自由光谱区大于增益带宽法布里-珀罗标准具法示意图13环形腔（行波腔）：振荡频率符合谐振腔共振条件的正、反两个模，通过隔离器得到单模M2M1输出M3单向器Nd: YVO4M4泵浦光14NPRO (non-planar ring oscillator)环形腔结构线偏振输出面镀偏振模外加磁场，光场

5、偏振产生偏转15稳定度已达到10-910-13， 复现性在10-710-12.实际应用中,要求稳定度和复现性都能在10-8以上.激光稳频稳频技术全封闭的光学腔 防震措施 以增益曲线作为标准 利用塞曼效应或斯塔克效应稳定激光频率 利用分子原子吸收谱线 利用光学元件稳定激光频率 被动稳频主动稳频16频率稳定度激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比频率复现性激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量激光器频率： 17鉴频器：是稳频的关键部件。任务：a.提供标准频率。b.频率鉴别：当激光器振荡频率偏离标准频率时，能够鉴别出来。对鉴频器的要求：a.中心频率要稳定，标准频率不能有漂移

6、。b.灵敏度要高，微小变化能鉴别。 LaserFrequency sensorError signalPID18蓝姆凹陷法非均匀加宽介质，参考频率是激光器原子谱线的中心频率19塞曼效应稳频法加一纵向磁场, 由于塞曼效应, 原子吸收线相对于原初始中心线会分裂为两条吸收线20偏频锁定技术Laser鉴频器PD1PD2Servo Amp跳频、范围小21边带锁频技术激光腔 基准频率LaserF-PPD1Servo AmpEOMPhase shiftRFdriverSASPDH边频锁定频率调制光谱误差信号：类色散曲线22PDH边带锁频技术Pound-Drever-Hall techniqueThe tec

7、hnique was invented for stabilizing the frequency of a laser by locking it to a Fabry-Perot reference cavity,23The basic layout for locking a cavity to a laser. Solid lines are optical paths, and dashed lines are signal paths. The signal going to the far mirror of the cavity controls its position.24

8、激光相位调制25LaserF-PPD1Servo AmpEOMPhase shiftRFdriverisolator/4f0fcf0反射场+泄露场（fc-f0)-0The basic layout for locking a Laser to a cavity. 26P-F腔色散曲线反射光场：振幅相位27入射光：EOM：M1，k=1，J0（M）=1，J 1（M）= M/2传输相移调制频率调制深度K阶Besel函数相位调制边带28FP反射光场：（Tk表示被FP反射相位和振幅的变化）常数吸收相移29混频输出U0Us*Urf，滤波m后=0，误差信号扫描光学腔，可以从混频输出得到系统的色散曲线，即鉴频

9、曲线。通过PID调节器反馈控制激光器的腔长。控制范围2倍调制频率，0.47Hz30调制光谱转移四波混频效应产生调制转移光谱，具有类色散线型，转移光谱的边带与未调制光拍频，进行光外差相干检测，产生的外差拍频电流再经双平衡混频器在调制频率处解调，解调后信号可写为：31频率调制光谱稳频饱和吸收介质32将两个激光器进行相位锁定master光学锁相33星间测距34将一个激光光束的微弱信号注入另一个激光(振荡)器中，注入的光信号作为“种籽”控制激光振荡的产生，使激光振荡不再是从噪声中发展起来连续从动激光器输出光束的频率由外注入信号（0）决定；所以两个激光器相位锁定。注入锁定3536Laser system

10、 for LCGT150W Output： Injection locking + MOPA37100-W Power laserInjection locking with 2-W master laser (NPRO)38Laser for GEO600: Injection Locked Ring Laser12W39Laser Phase Locking（注入锁定）-1以Master为频率基准，锁定SlaverMasterSlaverEMOisolatorPDLocking electronicsdriverPhase shift/2/440Laser Phase Locking-2以FP为频率基准,将Master和Slaver锁定FPSlaver/4EOM2isolatorMasterEOM1isolatorPD1AmpRF11FPSerov1PD2AmpRF22Sero