利用模清潔器實現(xiàn)鍶光鐘的光晶格光源強(qiáng)度噪聲的抑制

田曉，尹默娟，徐琴芳，孔德歡，常宏，張首剛

（1.中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室，西安710600；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

利用模清潔器實現(xiàn)鍶光鐘的光晶格光源強(qiáng)度噪聲的抑制

田曉1，2，3，尹默娟1，2，徐琴芳1，2，孔德歡1，2，常宏1，2，張首剛1，2

（1.中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室，西安710600；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

利用模清潔器過濾高頻噪聲的特性，對鍶原子光鐘的光晶格光源—813nm半導(dǎo)體激光器的強(qiáng)度噪聲進(jìn)行抑制。首先對模清潔器腰斑和激光器腰斑之間的匹配透鏡參數(shù)進(jìn)行理論計算，通過模式匹配，得到模清潔器的反射信號和透射信號。然后利用pound-drever-hall（PDH）邊帶穩(wěn)頻技術(shù)將模清潔器鎖定于激光頻率上，由模清潔器透射出的激光強(qiáng)度噪聲被抑制。利用一對平衡零拍探測器對經(jīng)過模清潔器前后的激光器強(qiáng)度噪聲進(jìn)行測量。結(jié)果表明，未經(jīng)過模清潔器的激光強(qiáng)度噪聲在分析頻率30MHz內(nèi)無法達(dá)到散粒噪聲極限，經(jīng)過模清潔器后，激光強(qiáng)度噪聲在約8MHz達(dá)到散粒噪聲極限。通過強(qiáng)度噪聲抑制，可使813nm半導(dǎo)體激光器用于鍶冷原子光晶格裝載實驗，并且減小了光晶格噪聲對勢阱囚禁冷原子的影響，有利于下一步的鐘躍遷譜探測實驗。

強(qiáng)度噪聲；光學(xué)腔；模清潔器；半導(dǎo)體激光器；光晶格鐘

0　引言

近年來，基于外腔反饋的半導(dǎo)體激光器以其易調(diào)諧、超窄線寬、結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于原子物理、高分辨光譜、原子鐘等領(lǐng)域[1-5]。隨著半導(dǎo)體激光器的大規(guī)模應(yīng)用，對其性能的要求也越來越高，其中激光器的強(qiáng)度噪聲是激光器很重要的物理參數(shù)之一[6]。激光器的強(qiáng)度噪聲源自于自發(fā)輻射的隨機(jī)性[7]，激光輸出強(qiáng)度的起伏表現(xiàn)為強(qiáng)度噪聲。半導(dǎo)體激光器的輸出強(qiáng)度噪聲很高，往往高于散粒噪聲極限（shortnoise limit，SNL）幾十個dB[8]。實驗上常采用光電反饋[9]、注入鎖定[10]等技術(shù)對半導(dǎo)體激光器強(qiáng)度噪聲進(jìn)行抑制。采用環(huán)行腔對激光器強(qiáng)度噪聲進(jìn)行抑制是一種簡單、有效的方法，利用它過濾高頻噪聲的特性，已經(jīng)被成功用于固態(tài)激光器的強(qiáng)度噪聲抑制的實驗上[11-12]，這種環(huán)行腔被稱為模清潔器。模清潔器除可以抑制激光器強(qiáng)度噪聲外，還能夠改善半導(dǎo)體激光器出射激光光束質(zhì)量。

在鍶光鐘的光晶格裝載冷原子的實驗中，以半導(dǎo)體激光器作為光晶格的光源使用，由半導(dǎo)體激光器帶來的額外噪聲—強(qiáng)度噪聲會對囚禁于晶格中的冷原子造成加熱作用[13]。本文介紹了半導(dǎo)體激光器強(qiáng)度噪聲抑制的實驗研究，利用一個高精細(xì)度的模清潔器，使鍶光鐘光晶格的光源—813nm半導(dǎo)體激光器的強(qiáng)度噪聲得到了明顯改善，加模清潔器之前激光器的強(qiáng)度噪聲在分析頻率30MHz內(nèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于散粒噪聲極限，加模清潔器之后噪聲在8MHz附近達(dá)到散粒噪聲極限。

1　實驗裝置

模清潔器的透射場和反射場的歸一化噪聲可分別表示為[14]

式（1）和（2）中，inv為輸入場強(qiáng)度噪聲，ω為分析頻率，γ為腔的線寬。由此兩式可知：當(dāng)分析頻率ω遠(yuǎn)大于腔的線寬γ時，反射場的強(qiáng)度噪聲趨于入射場的強(qiáng)度噪聲，透射場的強(qiáng)度噪聲趨于散粒噪聲。所以模清潔器的作用就像一個“低通濾波器”：當(dāng)光場入射至模清潔器時，入射場中頻率低于模清潔器線寬的強(qiáng)度噪聲被透射，頻率高于線寬的強(qiáng)度噪聲則被反射，這樣入射光場中頻率高于模清潔器線寬的強(qiáng)度噪聲就會被過濾掉。

實驗用模清潔器由3個鏡片組成，為環(huán)行結(jié)構(gòu)光學(xué)腔。圖1中，模清潔器的3個鏡片直徑均為25.4mm，其中入射鏡M1和反射鏡M2是平面鏡，經(jīng)實驗測量對813nm激光的反射率為99.67%，M3是平凹鏡，反射率為99.93%，鏡片的曲率半徑為1000mm。模清潔器的總腔長為430mm，其中l(wèi)1為30mm，l2=l3為200mm。根據(jù)傍軸光線的變換規(guī)律，利用ABCD光學(xué)矩陣[15]計算得到模清潔器匹配的腰斑M(jìn)ω=327.5μm。

圖1　模清潔器結(jié)構(gòu)示意圖

為實現(xiàn)有效的模式匹配，在得到模清潔器匹配腰斑的基礎(chǔ)上，需要測量激光器的腰斑及其位置，以及基于前兩者參數(shù)計算出所需匹配透鏡的焦距以及位置。

基模高斯光束的光斑變化規(guī)律為

當(dāng)z=z0時，光斑尺寸為最小值即為光束腰斑ω0，并且隨z值越來越遠(yuǎn)離z0，激光光斑ωL逐漸變大。因此通過測量實際光路不同位置處的光斑尺寸并通過比較，便可獲得腰斑值ω0及其對應(yīng)位置z0。但在某些特殊情況下，如受已有光學(xué)系統(tǒng)空間限制或激光腰斑處于激光器內(nèi)部等，無法通過直接測量得到激光腰斑，可采用反推法間接獲得激光器的腰斑。具體地，首先對實際光路上不同位置處對應(yīng)的光斑尺寸進(jìn)行測量，然后基于測量的多組數(shù)據(jù)，利用基模高斯光束的變化規(guī)律，推算出激光器的腰斑值及其位置。

實驗采用德國Toptica公司生產(chǎn)的Pro系列外腔反饋半導(dǎo)體激光器，輸出激光為線偏振的高斯光束。測量中，人為設(shè)置測量零點，利用NewPort光束質(zhì)量分析儀（NewPort，LBP-2-USB）以間隔1cm測量光路上不同位置處的光束尺寸，利用公式（3）擬合，結(jié)果如圖2所示，得到激光器出射激光光束的腰斑為112μm，腰斑位置在測量零點靠近激光器方向20.5cm。

圖2　激光器腰斑的擬合結(jié)果

基于高斯光束的腰斑變換規(guī)律[16]，如圖3所示，對所需匹配透鏡的焦距及位置進(jìn)行計算，激光通過透鏡后的（像方）腰斑尺寸及其相應(yīng)位置分別為

式（4）和（5）中，f為所需匹配透鏡的焦距。

已知激光腰斑0ω，通過透鏡變換使0ω與模清潔器腰斑M(jìn)ω匹配，即像方腰斑0ω′為模清潔器腰斑M(jìn)ω，將已知的模清潔器腰斑以及激光器的腰斑尺寸代入式（4）和（5），得到匹配透鏡的焦距f=198mm，透鏡距激光腰斑l=246mm，計算時設(shè)定

圖3　高斯光束腰斑變換規(guī)律

2　實驗過程及結(jié)果

依據(jù)理論計算結(jié)果，實驗中采用f=200mm的匹配透鏡，通過將透鏡放置于一個精密平移導(dǎo)軌上，實現(xiàn)精確光學(xué)調(diào)節(jié)，優(yōu)化激光光束與模清潔器的波前匹配，當(dāng)匹配透鏡距激光腰斑位置l=240mm時，得到較好的模式匹配效果。此時，模清潔器內(nèi)部的壓電陶瓷被加載經(jīng)高壓放大的10MHz三角波信號，用于掃描模清潔器腔長。采用光電探測器（Sacher，PR-100）探測透射信號并由示波器（Tektronix，TDS3012B）同步顯示。模清潔器的透射信號和反射信號如圖4所示，模清潔器透射譜的精細(xì)度約為200，腔的線寬約為3.5MHz。

圖4　模清潔器的透射信號和反射信號

采用邊帶穩(wěn)頻（pound-drever-hall，PDH）[17]方法將模清潔器鎖定在激光頻率上，使腔與激光器保持共振，當(dāng)激光通過模清潔器出射后，出射光束即為通過模清潔器被噪聲過濾的激光。實驗鎖定系統(tǒng)如圖5所示，此時對模清潔器停止掃描，對激光器進(jìn)行頻率掃描，獲得透射和反射信號，其中反射信號用于模清潔的鎖定，透射信號用于測量激光器的強(qiáng)度噪聲。

圖5中，半導(dǎo)體激光器輸出激光經(jīng)過λ/2和PBS1被分成兩部分，一部分輸入F-P腔，由光電探測器PD1進(jìn)行探測，用于激光器的模式監(jiān)測，另一部分用于激光器強(qiáng)度噪聲抑制的實驗。高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為12MHz、幅度為-33dBm的正弦波調(diào)制信號，信號被分成相等兩路，一路經(jīng)功率放大器（mini circuits，ZHL-5W-1）加載到電光調(diào)制器（new focus，4062），對入射激光進(jìn)行相位調(diào)制；另一路信號經(jīng)過移相器shifter輸入到混頻器，通過光電探測器PD2采集得到反射信號，使之與信號發(fā)生器產(chǎn)生的本地信號進(jìn)行混頻。通過混頻器得到誤差信號，由低通濾波器（mini circuits，BLP-2.5+）過濾高頻信號，然后經(jīng)過比例積分微分PID伺服控制電路得到反饋電壓，被高壓放大器（山西大學(xué)光電所，Model PZ-2003A）放大后加載到模清潔器凹面鏡M3的壓電陶瓷上，調(diào)節(jié)模清潔器的腔長。圖6所示為模清潔器的透射信號及通過模清潔器反射信號與本地信號進(jìn)行混頻得到的誤差信號，精細(xì)調(diào)節(jié)誤差信號偏置電壓將其偏置歸零，再通過PID（比例積分微分）電路將模清潔器鎖定在激光頻率上，實現(xiàn)激光穩(wěn)定透射。最后利用平衡零拍探測器對經(jīng)模清潔器過濾的激光強(qiáng)度噪聲進(jìn)行測量。

圖5　利用PDH鎖定模清潔器的系統(tǒng)示意圖

圖6　模清潔器的透射譜及對應(yīng)的誤差信號

實驗用一對平衡零拍探測器（國防科技大學(xué)研制）測量激光的強(qiáng)度噪聲，利用λ/2和PBS2將透射信號分成兩束，分別打入平衡零拍探測器的PD3和PD4的直流端口DC，再接入示波器通道1和通道2，觀測示波器上兩通道的直流電壓值，通過調(diào)節(jié)PBS2前的半波片，使兩電壓值完全相等，從而精確實現(xiàn)兩束光強(qiáng)完全相等。然后將這兩路信號分別通過使用加法器（mini-circuits，ZSC-2-1+）和減法器（mini-circuits，ZSCJ-2-1+）進(jìn)行信號的相加和相減步驟，通過頻譜分析儀（rohde&schwarz，F(xiàn)SH4）獲得測量結(jié)果，det（）Vi+和det（）Vi-分別代表測量的激光強(qiáng)度噪聲和散粒噪聲極限。實驗測量時頻譜分析儀的參數(shù)設(shè)置為：分辨率帶寬（RBW）300kHz，視頻帶寬（VBW）3MHz，衰減0dB，掃描時間（sweep time）20ms。實驗結(jié)果如圖7所示，通過圖中曲線a（散粒噪聲極限），b（經(jīng)過模清潔器后的激光器強(qiáng)度噪聲譜），c（未經(jīng)過模清潔器的激光器強(qiáng)度噪聲譜）的比較可以看出，經(jīng)過模清潔器之前，激光器的強(qiáng)度噪聲未得到抑制，輸出的激光強(qiáng)度噪聲很高，直到30MHz還遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于散粒噪聲極限，將模清潔器鎖定后，模清潔器頻率與激光頻率共振，經(jīng)過模清潔器的激光強(qiáng)度噪聲得到明顯降低，在約8MHz就達(dá)到散粒噪聲極限。

圖7　激光器的強(qiáng)度噪聲譜

3　結(jié)論

實驗通過采用3鏡環(huán)行腔結(jié)構(gòu)的模清潔器，使鍶光鐘光晶格光源—813nm半導(dǎo)體激光器的強(qiáng)度噪聲得到有效抑制，在約8MHz處便達(dá)到散粒噪聲極限。實驗中模清潔器的精細(xì)度要低于其理論值，因此對模清潔器的精細(xì)度調(diào)節(jié)仍有優(yōu)化空間，從而使得腔線寬更窄，以實現(xiàn)在更低頻率處達(dá)到散粒噪聲極限。利用模清潔器實現(xiàn)強(qiáng)度噪聲抑制的813nm半導(dǎo)體激光器，輸出激光具有更低的強(qiáng)度噪聲，減小了光晶格噪聲對囚禁冷原子溫度的影響。因此，813nm半導(dǎo)體激光器強(qiáng)度噪聲的抑制對鍶光鐘的冷原子光晶格裝載十分重要。

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Suppressing the intensity noiseof a lattice laserfor a Sroptical lattice clock using the mode-cleaner

TIAN Xiao1，2，3， YIN Mo-juan1，2， XU Qin-fang1，2， KONG De-huan1，2，CHANG Hong1，2， ZHANG Shou-gang1，2
（1.National Time Service Center， Chinese Academy of Sciences， Xi′an 710600， China；2.Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards，National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences， Xi′an 710600， China；3.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

The intensity noise of the 813nm diode laser， which is used as the laser resource forthe optical lattice of the strontium（Sr） optical clock，is suppressed by using the mode-cleaner with a characteristic of filtering high frequency noise.For matching the beam waist of the mode-cleaner with that of the 813 nm laser，the parameters of the lens located between these twobeam waists are calculated.Then the reflection andtransmission signals are obtained through mode-matching.After introducing the optical feedback to the mode-cleanerwith the technology Pound-Drever-Hall， the mode-cleanercan be locked to the frequency of the diode laser，and the intensity noise of the transmission laser is then suppressed.The intensity noiseswere measured by using a pair of balanced photodiode，and the resultsshow that the intensity noise of 813 nm laser filtered by the mode-cleaner reaches Shot-Noise-Limit（SNL） at～8MHz，whereas the intensity noise of 813nm laserwithout filtering via the mode-cleaner cannot reach the SNL within the analysis frequencies of 30MHz.The level of noise suppression allows the 813nm diode laser to be applied to the confinement of atoms in the optical lattice， and the influence of the optical lattice noise on the cold atoms trapped in the potential well is reduced， being good for probing the signal of the clock transitionin the following experiment.

intensity noise； optical cavity； mode-cleaner； diode laser； optical lattice clock

TM935.1

A

1674-0637（2015）03-0147-07

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-03-0147-07

2015-01-14

國家自然科學(xué)基金資助項目（61127901，11474282）

田曉，女，博士，助理研究員，主要從事量子頻標(biāo)研究。