稳频激光器课程设计

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1、第1章绪论自第一支半导体激光管问世以来，半导体激光器有了很大发展。由于半导体激光器具有体积小，效率高，结构简单，便于调谐等优点，目前被广泛用于光纤通信，激光印刷，激光唱机，激光医疗等方而。另外，在原子分子物理，量子频标，原子核物理等基础研究领域，半导体激光器越来越发挥着重要的作用。半导体激光器主要由激光管，驱动电源和准直支架三大部分构成。其中激光管是激光器的核心部分，它是利用少数载流子注入产牛受激发射的器件。和其它激光器一样，半导体激光器发射激光必须满足三个条件：粒子数反转、共振腔和激励源。近年来，冷原子物理由于其对基础物理研究，量子

2、物理和量子通信方而的研究起到了极大的推动作用而成为物理研究的热点。冷原子的获得通常是采用对原子进行激光冷却与囚禁的方法来实现的，具体技术包括“光学粘胶”，磁光阱等。在原子的激光冷却与囚禁(冷原子)实验中，激光光源的性能是影响实验的重要因素。本文所介绍的工作是围绕对御原子进行激光冷却和囚禁的实验进行的，主要工作内容有以下两点，首先，提供线宽窄，稳定性高的激光光源。冷原子实验是非常精密的物理实验，对环境和仪器的精确度要求很高，尤其是对激光的频率稳定性提出了很高的要求。对稳频系统的调试和测试结果表明稳频系统可以将激光器的输出激光频率锁定在御

3、原子的饱和吸收峰频率上，且具有一定的抗干扰能力，有良好的长期稳定性。其次，提供多种实验所需频率的激光，并且实现用lvrL电平控制激光光源的开关，以协同激光光源和其他实验设备的时序控制。冷原子实验还需要多种不同频率的激光来实现不同的物理目标。我们的实验方案是利用声光调制器(AOM)的对激光的频率偏移特性来实现。主要工作是设计和实现了AOM的驱动信号源，它产生一个正弦信号输出到AOM使其工作，正弦的频率等于激光的频率偏移量。信号源产生信号的频率和幅度可调，以便于使用。信号源的设计主要是采用压控振荡器(VCO)和TTL电平控制的微波开关构成

4、。在冷原子量子存储的实验中，述要用激光对冷原子进行量子信息的读写等操作，因此需要对激光进行开关操作。实现lvrL电平控制激光开关的实验方案是利用了AOM对激光光路的偏转实现的：AOM在有正弦信号驱动时，不仅会使激光频率发生偏移，还会使激光光路偏转一个角度。可以满足实验需求。第2章稳频激光器原理窄线宽等幅激光器在原子、分子、光学物理等领域无处不在。在很多科学领域，他们在提高精密测量方面持续发挥着主要作用。没有积极稳定的激光频率自由线宽或者短期稳定的激光通常是不够满足许多的应用程序。在这片文章里我们将介绍一个强大和优雅的技术，用在一些最富

5、有挑战性的现代光学精密测量领域，为了将窄线宽等幅激光器的频率控制和稳定到一个高飞光腔。精密光谱仪和原子，分子操纵系统直接得益于过去数十年产牛连续波激光稳定性的改善。例如,以光学转换为基础的原子钟就需要非常稳定的激光光源进行准确探测应用在LASER-COLLED的低频线宽。例如寻找引力波的干涉测量也严格的依赖于激光系统的线宽以及极低的频率和振幅的噪声的有效性。在接下来的部分，我们将主要阐述用于激光稳定的反馈控制系统的主要特征和强调它的主要角色。基本反馈回路(一个简单反馈回路的原理图如图1)回路屮的第一部分被稳定的激光。部分输出是分裂并用

6、于反馈回路。激光的内在噪声的特征是线性谱密度的频率波动，定义为每平方根RMS频率波动单位带宽(B)图1：简化激光反馈冋路原理图Sf:谱密度频率噪声E:误差信号点D：结合系数G：环路滤波器增益A：驱动器系数=§愉s/BFHz/Hz"].根据谐振腔设计的稳定性和技巧，增益介质的特性以及其他参数，自由谐振线宽和不同激光器噪声频谱的谱线有很大的区别。例如，在很多具有高技巧谐振腔的固体激光器中，噪声频率的频谱密度是由泵浦和机械波动控制的，一般低于1/F并且可以大大抑制反馈回路。另一方而，经分析，在很多半导体激光器屮如NewFocusT"公司的半

7、导体激光器，主频/相位噪声由于大的自由发射率往往是量子性的，从而导致噪声过程明显变长输出更高的傅里叶频率。为了探测激光波动频率，必须有一个高度稳定的参考来对比。一个完成这个i的共同方法是high-fincssc的法布里-珀罗腔，用这样的方式提供必要的稳定时间尺度的参考。法布里珀罗腔的共振频率(Vm)由腔长(L)确定：Vm=m(c/2L),当使用低损耗，高反射镜时，能急剧变窄。虽然机械腔在长时间尺度会漂移，但是它们可以提供非常高的短期稳定性。由于灵敏的谐振腔和入射光场的线性响应的结合，这种稳定性能很好的被利用。不像非线性响应，原子转换会

8、饱和，來自参考腔的信号可以理想的放大直到性噪比的谐振腔共振提供所需要的稳定的激光。为了锁定法布里珀罗腔的激光频率，谐振腔必须迅速探测并有一个高的信噪比。这也许是反馈回路中最关键的部分，因为它最终决定了系统的性能。激光频率