光梳主動濾波放大實現(xiàn)鍶原子光鐘二級冷卻光源?

徐琴芳1) 尹默娟1) 孔德歡1) 王葉兵1)2) 盧本全1)2) 郭陽1)2) 常宏1)

1)(中國科學(xué)院國家授時中心,時間頻率基準重點實驗室,西安 710600)

2)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

(2017年12月25日收到;2018年2月2日收到修改稿)

1 引 言

近年來,隨著對冷原子物理的深入研究和激光技術(shù)的快速發(fā)展,冷原子光鐘、離子光鐘成為研究的熱點[1?4].其中,基于中性原子(如鍶原子[5?8]、鐿原子[9,10]和汞原子[11,12])的光晶格鐘,是將中性原子限制在由魔術(shù)波長構(gòu)成的Lamb-Dicke區(qū)進行鐘頻探測,具有高信噪比和較高鐘效率的特性.目前,鍶原子光晶格鐘的穩(wěn)定度和不確定度均達到10?18量級[7],測量精度已實現(xiàn)5×10?19[13].高精度鍶原子光鐘的研制對基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域都有著重要意義,例如在基本物理常數(shù)的精確測量[14]、新一代時間頻率基準的變更[15,16]、衛(wèi)星導(dǎo)航等[17]方面.

鍶原子光鐘的研制需要用到6種不同頻率的激光光源(461,679,689,698,707和813 nm).其中用于二級冷卻的689 nm激光光源線寬要小于鍶原子互組躍遷(5s2)1S0—(5s5p)3P1的自然線寬7.6 kHz,通常二級冷卻的激光光源線寬為幾百赫茲,用于鍶原子光鐘躍遷探測的698 nm激光光源線寬則需要更窄(鐘躍遷(5s2)1S0—(5s5p)3P0的自然線寬為1 mHz).而獲得窄線寬激光的普遍方法是通過Pound-Drever-Hall(PDH)鎖頻技術(shù)將半導(dǎo)體激光器鎖定到光學(xué)超穩(wěn)腔上[18],這種方法使窄線寬激光系統(tǒng)成本高,體積大,限制了在可搬運原子鐘中的應(yīng)用[19,20].光梳具有覆蓋幾納米甚至幾十納米的寬光譜特性,且光梳的每個單縱模梳齒之間有很好的相干性,如果能從光梳眾多頻率梳中濾波選模出光鐘所用到的不同頻率的光,那么光鐘光源系統(tǒng)將被大大簡化.采用Fabry-Pérot濾波腔從光梳中選模是實現(xiàn)連續(xù)光輸出的傳統(tǒng)濾波辦法,但是由于光梳重復(fù)頻率一般為幾百兆赫茲,對濾波腔要求很高,實現(xiàn)起來困難,且光梳每個頻率梳的平均功率很低(僅有幾百或幾十納瓦),作為獨立光源,其應(yīng)用受到極大限制[21].

本文提出的光梳主動濾波放大的方法很好地解決了以上問題,光梳主動濾波選模是基于半導(dǎo)體激光器的注入鎖定技術(shù).注入鎖定技術(shù)是獲得高增益低噪聲光源的一種常用方法[22?25],該方法是將一個低噪聲的弱小信號(種子光)注入到半導(dǎo)體二極管或者是外腔式的半導(dǎo)體激光器中,注入后輸出光不僅功率得到放大,而且還繼承了種子光的特性,如線寬、噪聲等.本文將中心頻率為689 nm光梳(飛秒脈沖激光器)的多個模式脈沖光注入到Littrow結(jié)構(gòu)光柵式外腔半導(dǎo)體激光器中,結(jié)合半導(dǎo)體增益光譜與半導(dǎo)體光柵外腔來進行主動濾波放大,實現(xiàn)單縱模連續(xù)光輸出.該方法的優(yōu)勢在于不需要額外的濾波腔,避免了對濾波腔加工工藝的要求,在主動濾波的同時獲得功率放大;且該方法相對于之前采用的級聯(lián)式注入方式[26],在結(jié)構(gòu)上更簡單,由兩臺級聯(lián)注入從激光器變?yōu)榱藛闻_從激光器;同時,注入所需的光梳功率量級從毫瓦降至百微瓦.由于光梳的重復(fù)頻率鎖定在線寬極窄的698 nm超穩(wěn)激光光源上,那么光梳的每一個梳齒都可以看作一個超穩(wěn)激光光源,從而實現(xiàn)低噪聲窄線寬單縱模689 nm激光輸出.最后在實驗上利用該窄線寬激光器實現(xiàn)了鍶原子的二級冷卻.

2 光梳主動濾波放大的方法與實驗

2.1 光梳主動濾波放大

光梳主動濾波放大是由外腔半導(dǎo)體激光器的內(nèi)外腔選模實現(xiàn)的,具體是通過激光二極管前后端面構(gòu)成的內(nèi)腔和由激光二極管前端面與光柵構(gòu)成的外腔(諧振腔)進行雙次選模,最終實現(xiàn)單縱模連續(xù)光輸出.外腔半導(dǎo)體激光器有較寬的增益曲線,且諧振腔中存在多個諧振模式,光梳作為主激光器注入到外腔半導(dǎo)體激光器(從激光器)時,調(diào)節(jié)從激光器的驅(qū)動電流來改變從激光器的振蕩頻率,當主激光器與從激光器的頻率差小于從激光器的一個腔模間距時,由于種子光的影響,在種子光頻率處的受激輻射加強,模式振蕩不斷增強,相當于增益變大,通過模式競爭,從激光器自由運轉(zhuǎn)下的模式逐漸被抑制,光梳的某些或某個模式得到共振.

下面從同步帶寬的角度進一步分析光梳注入主動濾波放大實現(xiàn)單個模式起振過程,同步帶寬?fIL的范圍大小可表達為[27]

其中Pin為種子光功率;P1為注入鎖定后的輸出光功率;n為群速度折射率;c為光速;α為線寬增強因子;L為腔長.同步帶寬?fIL與種子光功率的平方根成正比,實驗中,在其他參數(shù)不變的前提下,可以通過改變種子光功率來控制同步帶寬大小,當同步帶寬小于光梳的重復(fù)頻率時,就可以實現(xiàn)光梳單個模式的起振,此時就形成了單縱模輸出,完成了注入鎖定.但同時,同步帶寬的大小會影響注入鎖定的穩(wěn)定性,同步帶寬越大,注入鎖定的穩(wěn)定性越高,因此,需要平衡二者來建立起穩(wěn)定的振蕩,實現(xiàn)單縱模的穩(wěn)定輸出.

2.2 光梳主動濾波放大實現(xiàn)窄線寬光源的實驗裝置

圖1為光梳主動濾波放大實現(xiàn)窄線寬激光輸出的實驗裝置圖.實驗中,選用的光梳(FC1500,Menlo Systems GmbH,Germany)是重復(fù)頻率為250 MHz、中心波長為1560 nm的光纖飛秒脈沖鎖模激光器,光信號經(jīng)過受激拉曼散射移頻至1396 nm和1378 nm,再經(jīng)過光學(xué)倍頻最終獲得698 nm和689 nm脈沖光輸出.首先,將此光梳鎖定在698 nm超穩(wěn)激光器(Stable Laser Systems Company,USA)上.698 nm超穩(wěn)激光系統(tǒng)是由單縱模半導(dǎo)體激光器鎖定在光學(xué)超穩(wěn)腔(精細度約400000)上構(gòu)成的,其穩(wěn)定度為1×10?15@1 s,輸出線寬為赫茲量級.然后,將鎖定后的光梳脈沖多縱模689 nm激光先經(jīng)過光學(xué)帶通濾波片選出帶寬為10 nm的脈沖光,再經(jīng)偏振分光棱鏡和法拉第旋光器后注入到Littrow結(jié)構(gòu)689 nm光柵外腔半導(dǎo)體激光器中.其中外腔半導(dǎo)體激光器中的外腔由激光二極管(HL6750MG)的前端面和光柵構(gòu)成,選用光柵刻線數(shù)為1800條/mm的光柵來實現(xiàn)較高的譜線分辨率和較大的頻率調(diào)諧范圍,外腔腔長為50 mm,這種光柵外腔結(jié)構(gòu)比直腔型外腔的濾波能力更強.最終,光梳多縱模脈沖激光注入后,經(jīng)過外腔半導(dǎo)體激光器主動濾波,通過自由光譜區(qū)為1.5 GHz,精細度為120的Fabry-Pérot掃描式干涉儀(F-P腔)來觀察注入主動濾波后輸出光的模式,并將輸出光與689 nm窄線寬激光器拍頻得出其線寬.

圖1 光梳主動濾波放大實驗裝置圖(圖中LD為激光二極管,PBS為偏振分光棱鏡,BDU為拍頻探測單元)Fig.1.Optical frequency comb(OFC)active filtering and amplication experimental setup(where LD means laser diode,PBS means polarized beam splitter,BDU means beat detection unit).

3 實驗結(jié)果分析與討論

3.1 光梳主動濾波放大實現(xiàn)窄線寬光源的特性

為了更加深入地理解光梳主動濾波放大系統(tǒng)的工作原理及輸出光的特性,主要圍繞光譜、光學(xué)頻率模式、時域脈沖序列、頻域拍頻信號及信噪比等方面來展開實驗研究.

由于飛秒脈沖鎖模激光器的工作原理是將增益光譜中包含的所有模式都進行相位鎖定,使得每兩個鄰模之間的相位差是一個定值,從而在時域上形成一個一個的脈沖序列,因此,增益光譜中模式越多,其產(chǎn)生的每個脈沖的時域?qū)挾仍秸?實際上,1560 nm的光纖飛秒激光器的光譜譜寬有幾十個納米,即使經(jīng)過一系列光學(xué)變換,轉(zhuǎn)換為中心波長689 nm的光梳,其光譜譜寬仍有幾十個納米.為了方便后期注入時使用,使用了一個帶寬為10 nm的光學(xué)帶通濾光片進行被動濾波.采用分辨率為0.02 nm的光譜儀(N9030 A,Keysight,Singapore)來測量經(jīng)過濾波后的光譜,最終觀察到注入的種子光光譜譜寬為10 nm,如圖2所示,此時的光梳模式約為2.5×104個.

圖2 689 nm光學(xué)頻率梳激光光譜Fig.2.Spectrum of the OFC at 689 nm.

將譜寬為10 nm、模式數(shù)為2.5×104的689 nm脈沖光注入到Littrow結(jié)構(gòu)689 nm外腔半導(dǎo)體激光器中,分別觀察689 nm外腔半導(dǎo)體激光器在光梳注入前和光梳主動濾波放大后輸出光的模式特性.此時,由于光譜儀的最小分辨率為0.02 nm,已經(jīng)不滿足觀察要求,因此使用自由光譜區(qū)為1.5 GHz的F-P腔來進行光學(xué)頻率模式的觀察與記錄.調(diào)節(jié)外腔半導(dǎo)體激光器的工作電流為55 mA時,激光器處于689 nm單模激光運行狀態(tài),輸出模式如圖3中紅色曲線所示.接下來將光梳注入到該689 nm外腔半導(dǎo)體中,通過偏振分光棱鏡來調(diào)節(jié)和控制注入到從激光器的光功率,同時調(diào)節(jié)從激光器的壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動電壓,旋轉(zhuǎn)半波片,使種子光與從激光器輸出光的本征偏振一致.為了避免反射光對光梳主動濾波放大的影響,將靠近從激光器的光學(xué)元件傾斜一個微小角度.當調(diào)節(jié)種子光的功率約為240μW(近似看作每個模式的平均功率約為10 nW)時,從激光器輸出光模式如圖3中黑色曲線所示.從黑色曲線中可以看出,在1.5 GHz的自由光譜區(qū)內(nèi),通過模式競爭后,種子光的一個縱模明顯起振.進一步放大基底觀察,如圖3中的插圖所示,可以看到每隔250 MHz均有一個很小的邊模起振,在無種子光時,從激光器的輸出模式中是沒有邊模的.而此時的邊模是由于從激光器增益介質(zhì)中的非線性效應(yīng)引起的,其中主模與邊模的比大于100:1,因此,可以認為此時已經(jīng)滿足單縱模輸出要求.為了驗證從激光器輸出的單縱模是否為種子光注入鎖定后輸出的模式,改變光梳的重復(fù)頻率,觀察該模式是否跟隨光梳梳齒一起移動.如果該模式跟隨梳齒一起移動,說明成功實現(xiàn)了注入鎖定;反之,則注入未鎖定.實驗發(fā)現(xiàn),當微調(diào)節(jié)光梳的重復(fù)頻率時,該主起振模式跟隨光梳梳齒一起移動,且當該注入梳齒頻率調(diào)節(jié)超過約20 MHz時,就無法實現(xiàn)注入鎖定了,說明已經(jīng)成功實現(xiàn)了光梳主動濾波放大,同時測得了光梳注入鎖定的同步帶寬約為20 MHz.

圖3 光梳注入前從激光器輸出光和光梳主動濾波放大后輸出光的模式對比圖Fig.3.Transmittance signals of the slave laser before the OFC injected and after the OFC active filtering and amplification.

實驗上進一步觀察光梳種子光和光梳主動濾波放大后輸出光的時域信號(圖4).圖4中黑色曲線為光梳種子光通過帶寬為1 GHz的快速探測器(FPD 310-FV,Menlo Systems GmbH,Germany)連接到20 GHz/s的示波(DSOX6004 A,Keysight,Singapore)上觀察到的周期為4 ns的時域脈沖信號;采用同樣的探測方法觀察注入后的信號如圖中紅線所示,可看出該信號已無周期性的脈沖序列,取而代之的是一條近乎連續(xù)的直線,這說明輸出的激光為連續(xù)光,此時的輸出光光功率為12 mW.

圖4 光梳種子光與光梳主動濾波放大后輸出光的時域波形比較圖Fig.4.Time domain waveform graph of the OFC seed light and the output light after the OFC active filtering and amplification.

自由運行時的半導(dǎo)體激光器的線寬在兆赫茲量級,為了測量出光梳注入半導(dǎo)體激光器經(jīng)主動濾波放大后輸出光的線寬,將主動濾波放大后的輸出光與另一臺鎖定在光學(xué)超穩(wěn)腔(精細度約12000)上的689 nm的窄線寬激光器(線寬<300 Hz)[28]進行拍頻,測得該拍頻信號如圖5所示,經(jīng)洛倫茲擬合后得出其線寬為280 Hz,可以看出經(jīng)光梳主動濾波選模后輸出光的線寬的確被大大壓窄了.理論上,由于光梳是鎖定在698 nm超穩(wěn)激光系統(tǒng)上的,經(jīng)鎖定后其梳齒線寬會接近698 nm超穩(wěn)激光器的線寬(赫茲量級),但是由于受拍頻激光器線寬的限制,測量得到線寬為280 Hz的拍頻信號.實際經(jīng)光梳主動濾波放大后輸出689 nm激光的線寬應(yīng)和698 nm超穩(wěn)激光器的線寬在一個量級,即赫茲量級.這也進一步說明實驗中獲得的單縱模輸出光是模式競爭時種子光輸出的模式.

圖5 光梳主動濾波放大后輸出光與689 nm窄線寬激光器拍頻信號Fig.5.Beat signal of a 689 nm narrow linewidth laser with the output light after the OFC active filtering and amplification.

3.2 采用光梳主動濾波窄線寬激光光源實現(xiàn)鍶原子光鐘的二級冷卻

為驗證光梳經(jīng)過主動濾波放大后輸出的激光具有單縱模、窄線寬穩(wěn)定輸出特性,利用上述光源對88Sr進行了二級冷卻,其中實驗裝置在參考文獻[29]中有詳細描述.這里用經(jīng)過光梳主動濾波放大后的窄線寬激光光源取代了原來經(jīng)過PDH穩(wěn)頻的窄線寬激光光源實驗顯示這種光源完全可以實現(xiàn)鍶原子的二級冷卻,俘獲的二級窄帶冷原子團通過電子倍增CCD(EMCCD,DU-897,Andor,UK)成像,如圖6所示.通過飛行時間法,可以計算出二級冷原子團的溫度為3μK.采用光電倍增管(H11526-20-NF,Hamamatsu,Japan)探測二級窄帶冷原子團的數(shù)目,通過測量冷原子團的熒光功率,推算二級窄帶冷原子團的數(shù)目約為5×106.

圖6 二級窄帶冷卻原子團的EMCD圖像 (a)0 ms原子團;(b)膨脹20 ms原子團Fig.6. EMCCD images of second cooling atoms:(a)Atomic cloud at 0 ms;(b)freely expanded atomic cloud after 20 ms.

4 結(jié) 論

采用光梳注入外腔半導(dǎo)體激光器,經(jīng)頻率鎖定主動濾波放大后產(chǎn)生了窄線寬激光光源,并利用其作為鍶原子光鐘二級冷卻光源,實現(xiàn)了鍶原子二級冷卻.實驗中將中心波長為689 nm,帶寬為10 nm的光梳種子光源注入689 nm Littrow結(jié)構(gòu)光柵式外腔半導(dǎo)體激光器,通過外腔半導(dǎo)體激光器的增益光譜和諧振腔雙重濾波選模后,實現(xiàn)了從光梳2.5×104個模式中選出并放大單個模式.將重復(fù)頻率為250 MHz的光梳鎖定在線寬為赫茲量級的698 nm超穩(wěn)激光上,經(jīng)注入鎖定主動濾波后輸出的單縱模激光繼承了注入種子光的窄線寬特性,最終得到了功率輸出為12 mW,主邊模比值約為100的689 nm窄線寬激光光源，其同步帶寬約為20 MHz.相較于參考文獻[26],我們將級聯(lián)式注入改為了單臺激光器注入,簡化了系統(tǒng),增強了系統(tǒng)的可操作性.實驗中通過增加從激光器的外腔腔長來減少自由光譜區(qū)內(nèi)消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的模式數(shù)量,使從激光器的模式選擇和放大作用增強.最終實現(xiàn)的窄線寬689 nm激光光源的邊模抑制比和同步帶寬雖低于文獻[26],但我們利用該窄線寬689 nm激光光源完成了88Sr原子的二級冷卻,獲得了溫度為3μK、原子數(shù)約為5×106的冷原子團.實驗表明,利用單臺從激光器,經(jīng)過光梳主動濾波放大后輸出的激光光源能很好地滿足鍶原子光鐘的二級冷卻光要求.本文提出的基于單臺光柵式外腔半導(dǎo)體激光注入鎖定的光梳主動濾波放大方法,未來可用于鍶冷原子光鐘其他光源的獲得,實現(xiàn)鍶原子光鐘光源的集成化,為光鐘小型化的研制提供新的研究思路.

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