基于光学频率梳的激光频率稳定性传递研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院物理研究所) | 被引量 : 1次 | 上传用户:wdasheng
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窄线宽稳定激光在原子光钟、引力波探测、精密光谱学、物理学常数的测定等方面有重要而广泛的应用。光学频率梳的发展实现了光学频率与微波频率的链接,使得光学频率可以被精确地测量,光学频率标准得以建立。同时,光学频率梳跨越非常宽的光谱,基于光学频率梳的光学频率综合器使得不同光学频率的连续激光器的频率稳定性可以相互传递。本论文从实现频率稳定的窄线宽连续激光器开始,利用光学频率梳将窄线宽连续激光器的频率稳定性传递到微波频率和另外一台连续激光器,对频率稳定性的传递进行了研究。连续激光器的稳频技术、光学频率梳的锁定技术以及连续激光器和光学频率梳的相互锁定技术是实现以上频率链的关键,因此本论文也对所使用的锁定技术进行了理论分析和实验验证。论文主要的研究内容和取得的成果如下:1.采用PDH稳频技术,将972nm半导体激光器锁定到高精度的法布里-珀罗腔上。法布里-珀罗腔的精细度为208600,可以支持连续激光器赫兹量级的窄线宽输出。锁定后的972nm连续激光器可以稳定数十天,为后续的实验提供了保证。2.实现了掺镱光纤光学频率梳到微波频率参考源和光学频率参考源的分别锁定。通过搭建f-2f干涉系统,在得到光学频率梳的载波包络相移频率信号(CEO)的基础上,通过锁相环电路反馈控制光学频率梳的泵浦电流,实现CEO的锁定,锁定后的频率稳定性达2.36×10-17/s。在此基础上,进行了两种锁定方式对光学频率重复频率的锁定,一是将重复频率信号锁定到微波频率参考源,通过电路直接反馈控制光纤振荡器的压电陶瓷,锁定后的重复频率信号的频率稳定度为4.6×10-14/s。二是将重复频率锁定到光学频率参考源,得到了光学频率梳频域梳齿和光学频率参考源的拍频信号。本论文实验中,所选用的光学频率参考正是采用PDH技术稳频到高精细度法布里-珀罗腔上的972nm窄线宽连续激光器。通过搭建掺镱光纤光学频率梳的光纤放大和超连续产生光路,得到覆盖972nm的超连续光谱,再和972nm窄线宽连续激光器拍频,得到信噪比为40dB的拍频信号。经过锁相环电路反馈控制光纤振荡器的压电陶瓷和EOM,实现光拍频信号的锁定,也即光学频率梳到972nm光学频率参考源的锁定。锁定后的光学频率梳的相对频率稳定度为2.4×10-18/s,相对线宽为0.91mHz,1Hz-10MHz的积分相位噪声为360mard。光学频率梳稳定到光学频率参考源为后续的光学频率稳定性的相干传递实验提供了基础。3.将一台1064nm连续激光器锁定到掺镱光纤光学频率梳上,使得972nm连续激光器的频率稳定性和窄线宽特性传递到1064nm连续激光器上。针对连续激光器到光学频率梳锁定过程中,现有锁相环技术设置比较复杂的问题,锁定采用了前置反馈锁定技术,实现了280kHz的宽带宽锁定。对比锁定前后的1064nm连续激光器,相对线宽由kHz量级被压窄1.14mHz,频率稳定度从锁定前的2.4×10-14/s到锁定后为1.5×10-17/s,提高了三个量级。测量的从1Hz-10MHz的积分相位噪声为381mrad,1mHz-10Hz的积分相位噪声仅为20.5mrad。这种光学频率稳定性传递的锁定技术及稳定光源可以在光学频率综合和引力波探测等应用中发挥重要作用。
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