基于噪聲免疫腔增強光外差分子光譜技術實現(xiàn)光纖激光器到1530.58 nm NH3亞多普勒飽和光譜的頻率鎖定?

賈夢源趙剛周月婷劉建鑫郭松杰吳永前馬維光張雷董磊尹王保肖連團賈鎖堂

1)(山西大學,激光光譜研究所,量子光學與光量子器件國家重點實驗室,太原 030006)

2)(山西大學,極端光學協(xié)同創(chuàng)新中心,太原 030006)

3)(中國科學院光電技術研究所,成都 610209)

1 引 言

絕對頻率穩(wěn)定的激光源在精密測量如時間計量、頻率定標等基本物理量確定以及光譜分析、光通訊、引力波探測、激光雷達等應用領域具有非常重要的意義[1?7].由于原子、分子或離子的吸收線位置穩(wěn)定,人們常以它們的躍遷譜線為標準來鎖定激光頻率,為了減小被測介質的速度引起的多普勒展寬,通常利用飽和吸收光譜技術或偏振光吸收光譜技術獲取亞多普勒信號作為鑒頻信號,以此獲得高穩(wěn)定頻率的激光源[8,9].在飽和吸收光譜技術中,激光被分束為探測光與抽運光,相向與同一簇原子相互作用,大功率的抽運光使原子的吸收飽和,反向探測光可探測到亞多普勒信號,以此作為頻率參考進行激光器的頻率穩(wěn)定.該方法原理簡單,易于操作,可以獲得絕對穩(wěn)定的激光頻率,但是氣體分子的吸收較弱,飽和功率強,需要較高的激光功率來產(chǎn)生吸收飽和.另一種方法是將激光器鎖定在一個超穩(wěn)高精細度法布里-珀羅(F-P)腔的縱模上,以kHz量級的腔模作為參考信號,利用反饋控制穩(wěn)定激光頻率[10,11].這種方法可以適用任意激光頻率的穩(wěn)定,但是F-P腔易受環(huán)境影響,雖然短期內(nèi)F-P腔透射峰窄線寬的特性可以保證激光器頻率的壓窄,但是長時間下F-P腔腔模會有較大漂移,欲獲得長期穩(wěn)定的激光頻率就需要增加復雜外圍系統(tǒng)進行溫度控制、機械以及真空度穩(wěn)定.本文展示的頻率穩(wěn)定技術是一種基于腔增強的飽和吸收光譜技術——噪聲免疫腔增強光外差分子光譜技術(NICE-OHMS)[12?15].這項技術是將氣體吸收介質置于高精細度的F-P腔內(nèi),高精細度諧振腔不僅無源放大了激光的功率,同時可以實現(xiàn)低氣壓氣體的高靈敏測量,使一些較弱的吸收線也能獲得飽和,產(chǎn)生亞多普勒信號,以此吸收線為參考信號,可以將激光鎖定到分子、原子或離子的弱吸收線位置.

NICE-OHMS技術結合了頻率調(diào)制光譜(FMS)與腔增強光譜(CEAS)兩項技術[12,14].FMS技術將吸收信息移到高頻段,可以有效地抑制噪聲,特別是由于激光功率起伏引起的1/f噪聲,同時FMS探測是一種無背景的探測;CEAS技術利用耦合進入光學腔的激光在兩個高反鏡之間多次反射,大幅度地增長了光與吸收介質的作用路徑,從而增強了吸收信號[16].同時由于腔內(nèi)高功率激光場的建立,可以實現(xiàn)弱吸收的飽和,從而觀測到亞多普勒信號,可作為參考信號實現(xiàn)激光頻率的穩(wěn)定.在NICE-OHMS中,為了結合FMS與CEAS,在通過Pound-Drever-Hall(PDH)技術將激光載頻鎖定到高精細度腔TEM00模的同時,需要通過DeVoe-Brewer(DVB)技術將FMS中的調(diào)制頻率鎖定到高精細度腔的自由光譜區(qū)上[17].由于FMS中的載波和邊帶同時受到PDH鎖定中頻率噪聲的影響,它們的拍頻信號就不會受腔頻率幅度噪聲的影響,所以NICE-OHMS技術對該類噪聲免疫,而這個噪聲是限制CEAS探測靈敏度的主要因素.這些因素使得NICE-OHMS技術成為世界上靈敏度最高的痕量氣體檢測技術之一,同時也是高效的激光頻率穩(wěn)定技術[18,19].

NICE-OHMS技術最初是在1996年由美國JILA小組的Ye等[12]提出的,他們使用了高穩(wěn)定的Nd:YAG激光器和精細度為105的高精細度腔,將激光器鎖定在1064 nm處C2HD的亞多普勒信號上,獲得了1.8×10?12cm?1的探測靈敏度和1×10?11頻率穩(wěn)定度(1 s積分時間).隨后,為了提升NICE-OHMS技術的應用性,人們使用了不同的可調(diào)諧激光器,如外腔二極管激光器(ECDL)、分布式反饋半導體激光器(DFB)、量子級聯(lián)激光器(QCL)、光學參量振蕩激光器(OPO)、回音壁腔半導體激光器(WGM)等測量了不同的氣體分子吸收[15,20?23].特別是2007年瑞典的Axner Ove小組提出了基于光纖激光器的NICE-OHMS系統(tǒng),由于激光器及部分光學元件的光纖化,降低了該技術的復雜性,使整個實驗系統(tǒng)變得更加緊湊,大幅提升了NICE-OHMS技術的實用性,同時受益于光纖激光器的線寬窄、輸出功率穩(wěn)定等優(yōu)點,也獲得了很高的探測靈敏度[24].2015年他們基于此系統(tǒng)測量了C2H2在1531 nm的吸收線型,靈敏度達到9×10?14cm?1,是目前基于多普勒線型測量的最低濃度探測極限.此外,也出現(xiàn)了大量使用NICE-OHMS技術將可調(diào)諧激光器鎖定到亞多普勒吸收線中心的工作.2014年,Hemanth等[25]首次將ECDL穩(wěn)定在的ν1+ν3帶44.1→44.0的躍遷線上,在1 s的積分時間內(nèi),相對頻率穩(wěn)定度為5×10?13.2016年,Shailendhar等[26]使用一個精細度為170000的超高精細度腔,將ECDL頻率鎖定在了CO泛頻躍遷吸收線上,1000 s積分時間下的頻率穩(wěn)定度可達到3.5×10?14,進一步提升了ECDL鎖定的頻率穩(wěn)定度.2017年,Chen和Liu[27]首次將量子點激光器鎖定在N2O在1.28μm位置的吸收線上,1 s積分時間鎖定的穩(wěn)定度為6.4×10?11.但是,目前為止,還沒有基于光纖激光器NICE-OHMS實現(xiàn)激光頻率穩(wěn)定工作的報道.

本文提出了一種基于光纖激光器的NICEOHMS頻率穩(wěn)定系統(tǒng),首先闡述了NICE-OHMS技術原理,結合實驗裝置介紹實驗過程,展示了實驗過程中涉及的鎖定效果,分析PDH和DVB以及亞多普勒線鎖定過程中的現(xiàn)象,給出了NH3的多普勒以及亞多普勒線型,同時使用得到的亞多普勒信號作為鑒頻信號反饋控制激光器的頻率,使激光線寬在3 h內(nèi)頻率偏差為16.3 kHz,測量結果的阿倫方差分析顯示,在136 s的積分時間下,頻率偏差為0.32 kHz,對應的頻率穩(wěn)定度為1.6×10?12.

2 實驗原理

NICE-OHMS技術涉及兩個頻率調(diào)制過程[12,28].如圖1所示,黑線所示的洛倫茲線型表示腔相鄰的三個縱模,紅色箭頭表示激光的載頻和邊帶頻率成分,箭頭指向對應其電場的相對相位,箭頭指向相同表示相位相同,箭頭指向相反表示相位相差180?.激光的載頻是νc,第一個調(diào)制頻率νpdh遠大于腔模線寬同時遠小于腔的自由光譜區(qū)(FSR),第二個調(diào)制頻率νfsr等于腔的FSR.同時施加兩個調(diào)制頻率后的激光場包含了9種頻率成分,分別是νc,νc±νpdh,νc±νfsr,νc±νfsr±νpdh.PDH鎖頻過程利用νc±νpdh將激光的載頻νc鎖定在高精細度腔的第N個透射峰上,DVB鎖定過程利用νc±νfsr±νpdh將激光的調(diào)制邊帶νc±νfsr分別鎖定在N?1和N+1個透射峰上.進行兩次鎖定之后,激光的載頻νc與邊帶νc±νfsr會以相同的方式耦合進入腔體.PDH鎖定中產(chǎn)生的頻率噪聲會對FMS的各個頻率成分產(chǎn)生相同的影響,這些影響在信號解調(diào)過程中抵消掉,這就是NICE-OHMS技術噪聲免疫特性的原理.光在進入腔體后,會在兩個高反鏡之間來回反射,提高了腔內(nèi)光場功率,當進入腔內(nèi)的激光功率為P0(W)時,實際腔內(nèi)的光功率為F/π·P0,F(無量綱)表示腔的精細度,從而可以獲得亞多普勒信號,同時極大地增加了系統(tǒng)探測靈敏度.

圖1 NICE-OHMS技術PDH與DVB鎖定的原理圖Fig.1.Principle of PDH and DVB locking in NICE-OHMS technology.

光與腔內(nèi)物質作用后由輸出鏡透射,被高速探測器探測,再使用頻率為νfsr的參考信號進行解調(diào)就可以獲得NICE-OHMS信號.根據(jù)解調(diào)相位的不同,可以分別獲取NICE-OHMS的吸收和色散信號,分別對應于由于氣體引起的激光的幅度衰減和相位延遲.由于腔內(nèi)大功率光場的建立,當激光頻率掃描到氣體吸收線中心時,腔內(nèi)傳播方向相向的兩束激光與軸向速度分量為零的分子作用,在多普勒展寬的NICE-OHMS信號上會出現(xiàn)亞多普勒結構.由載頻貢獻的NICE-OHMS色散信號可以表示為[29]

ηfm(無量綱)是儀器因子,包含了光電轉換效率和電子增益;?ν(Hz)是激光的載頻νc相對于氣體吸收中心頻率的失諧量;β是FMS的調(diào)制系數(shù);Ji(β)表示i階貝塞爾函數(shù);L表示腔長(cm);nA是分子數(shù)密度(molecules/cm3);S是分子的躍遷線強度(cm·molecule?1);分別表示在腔的徑向方向,以正向(+)和負向(?)對向傳播的載頻光的色散線型函數(shù)(包含多普勒展寬和亞多普勒信號線型,其中正向表示激光到腔的入射方向,負向表示相反方向);θfm是解調(diào)相位,色散相位下取π/2;G0表示載頻光的飽和度.

3 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示,光纖激光器(Koheras Adjustik,E15PztS PM)產(chǎn)生中心波長為1530.58 nm的激光,激光線寬在120μs積分時間內(nèi)為1 kHz,掃描范圍覆蓋NH3的ν1+ν3帶在6533.4615 cm?1位置的吸收線[30].激光依次經(jīng)過光纖耦合聲光調(diào)制器(FAOM,MT110-IIR20 Fio-PM0.5-J1-A)、光纖耦合電光調(diào)制器(FEOM,photline,MPX-LN-0.5)以及光纖準直器輸出到自由空間.出射的空間光經(jīng)過光學隔離器(OI,Thorlab,SM087RC)、匹配透鏡(ML),λ/2波片、偏振分束棱鏡(PBS),λ/4波片,耦合進入高精細度腔.腔的反射光再次通過λ/4波片和PBS射入探測器1(PD1,NEW FOCUS,model 1611),用于實現(xiàn)PDH和DVB的鎖定.腔的透射光經(jīng)透鏡2(len2)會聚,打到探測器2(PD2,New port,model 1611)上,用于獲得NICE-OHMS信號.為了避免Etalon噪聲的產(chǎn)生及影響,光學器件的光學平面都盡量傾斜,位置的擺放都需要盡量符合Etalon免疫距離(EID)[31].

系統(tǒng)中的高精細度腔是由一對反射率均為99.86%的平面鏡和凹面鏡(Layertec公司)組成的平凹腔,其中凹面鏡的曲率半徑為1 m,兩個鏡面之間的間隔為39.4 cm,對應腔的FSR約為380 MHz,因此可以得到腔模的半高全寬是160 kHz.兩腔鏡被分別固定在兩個環(huán)形壓電陶瓷(PZT,PiezomechanikHPSt,150/20-15/25)上,用于調(diào)節(jié)腔長,環(huán)形壓電陶瓷另一端固定在低膨脹微晶玻璃制成的腔體上,其熱膨脹系數(shù)5.4×10?7/?C.腔體中空,通過波紋管與真空泵(Leybold公司,PT50)以及配氣系統(tǒng)(莫尼特爾環(huán)境技術開發(fā)有限公司,BML-9550)連接,用于實驗中氣體濃度配比以及氣壓控制.

圖2 實驗裝置圖 FL,光纖激光器;FAOM,光纖聲光調(diào)制器;FEOM,光纖電光調(diào)制器;OI,空間光隔離器;ML,匹配透鏡;λ/2,二分之一波片;PBS,偏振分束棱鏡;λ/4,四分之一波片;PZT,壓電陶瓷;Lens,聚焦透鏡;PD,光電探測器;PID,比例積分微分控制器;HVA,高壓放大器;FG,函數(shù)發(fā)生器;Mixer,混頻器;LP,低通濾波器;?,移相器Fig.2.Experimental setup:FL,fiber laser;FAOM,fiber coupled acousto-optic modulator;FEOM,fiber coupled electro-optic modulator;OI,spatial optical isolator;ML,matching lens;λ/2,half wave plate;PBS,polarizing beam splitter prism;λ/2,quarter wave plate;PZT,piezo-electric ceramics;lens,focusing lens;PD,photodetector;PID,proportional integral differential controller;HVA,high voltage amplifier;FG,function generator;Mixer,mixer;LP,low pass filter;?,phase shifter.

在傳統(tǒng)的NICE-OHMS實驗系統(tǒng)中,需要信號發(fā)生器產(chǎn)生兩個射頻信號:νpdh與νfsr,其中νpdh用于實現(xiàn)PDH鎖定,νfsr用于獲得NICE-OHMS信號.為了將νfsr鎖定到腔的FSR上,需要使用頻率為νdvb=νfsr?νpdh的參考信號對腔的反射光進行解調(diào)獲取誤差信號用于實現(xiàn)DVB鎖定.νdvb是νfsr和νpdh通過混頻器后再經(jīng)過一個窄帶帶通濾波器獲得,但是由于νdvb和νfsr的頻率差較小,要求帶通濾波器的通帶很窄、Q值高,致使設計難度很大.為了避免帶通濾波器的設計,實驗中我們使用兩個信號發(fā)生器產(chǎn)生νfsr和νdvb射頻頻率,這兩個信號混頻后再通過一個低通濾波器產(chǎn)生νpdh=νfsr?νdvb, 以此獲得νpdh,νfsr和νdvb這三種頻率成分.在本實驗裝置中,信號發(fā)生器1(FG1,Stanford,SG386)產(chǎn)生νfsr=380 MHz信號,與信號發(fā)生器2(FG2,FLUCK,6061A)產(chǎn)生的νdvb=355 MHz拍頻,再通過一個35 MHz低通濾波器(LP1,自制),獲得νpdh=25 MHz.380 MHz和25 MHz同時加在FEOM上,對激光進行調(diào)制.反射光被探測器1探測,然后分成兩束,一束與25 MHz信號進行混頻,混頻結果經(jīng)過低通濾波器2(LP2,Minicircuits,Model PLP-1.9)再送入比例微分積分控制器1和2(PID1和PID2,自制),分別用于反饋控制激光器的壓電陶瓷和FAOM,從而實現(xiàn)反饋帶寬為100 kHz的頻率鎖定.探測器1輸出的另一束交流信號與355 MHz混頻,再經(jīng)過低通濾波器3(LP3,Minicircuits,Model PLP-1.9)送入比例微分積分控制器3(PID3,自制),反饋到FG1的頻率控制端口,用于實現(xiàn)DVB的鎖定.鎖定后的激光在腔內(nèi)與氣體(1000 ppm NH3)發(fā)生作用,透射出腔體后被探測器2接收,探測器2輸出的交流信號與380 MHz混頻,然后經(jīng)過低通濾波器4(LP4,帶寬1 kHz,自制),得到NICE-OHMS信號.由于PID反饋控制的低頻增益足夠大,通過掃描高精細度腔上PZT1的長度,可以實現(xiàn)激光頻率的連續(xù)掃描.為了觀測到吸收線中心的亞多普勒信號,通過調(diào)節(jié)380 MHz射頻源的相位,得到NICE-OHMS的色散信號,然后將亞多普勒信號作為誤差信號,送入比例微分積分控制器4(PID4,STANFORD,SIM960)反饋控制高精細度腔上的PZT2,從而將激光中心頻率鎖定到NH3吸收線中心位置處.

4 實驗過程及數(shù)據(jù)分析

為評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性,首先對PDH以及DVB鎖定性能進行分析.圖3描述的是PDH鎖定效果.圖3(a)是沒有鎖定的情況下掃描腔長得到的PDH誤差信號,中間的線型特征對應的是激光載頻與腔模達到了共振,兩邊幅度較小的特征是調(diào)制頻率νpdh對應的邊帶與腔模達到了共振.通過調(diào)節(jié)νpdh的解調(diào)相位,使得載頻對應的線型幅度最大,可為鎖定提供足夠的反饋增益,信號關于中心位置平滑對稱.中間線型特征的峰-峰值是0.50 V,對應的激光頻率變化等于腔模的半高全寬,因此可以得出誤差信號的頻率-幅度系數(shù)為160 kHz/0.50 V.圖3(b)顯示的是鎖定后的誤差信號,采樣時間為4000 s,激光鎖定到腔模中心,鎖定后的誤差信號均勻的分布在零點附近,幅度遠遠小于鎖定前的誤差信號幅度,說明激光頻率相對于腔頻率抖動很小.為了評估PDH的鎖定帶寬,使用測量的頻率-幅度系數(shù),將鎖定后的誤差信號由電壓變換為頻率.經(jīng)過統(tǒng)計分析,結果如圖3(c)所示,對結果進行正態(tài)分布擬合,可以得出PDH鎖定帶寬是4.3 kHz[18,32].

圖4(a)為在激光到腔模頻率鎖定后掃描νfsr頻率得到的DVB誤差信號,信號關于零點位置上下對稱,峰-峰值為1.20 V,對應的頻率變化也等于腔模的半高全寬,因此DVB誤差信號的頻率-幅度系數(shù)是160 kHz/1.20 V.圖4(b)是鎖定后的誤差信號,測量時間為4000 s.將圖4(b)中的電壓值通過頻率-幅度系數(shù)進行變換后進行統(tǒng)計分布分析,得到圖4(c)的統(tǒng)計直方圖,對圖中曲線進行正態(tài)分布擬合,可以看出FSR鎖定帶寬是0.38 kHz.

圖3 PDH鎖定結果 (a)鎖定前的PDH誤差信號;(b)鎖定后的PDH誤差信號;(c)鎖定后誤差信號的頻率分布的統(tǒng)計分析Fig.3.The PDH locking result:(a)PDH error signal before locking;(b)PDH error signal after locking;(c)statistical analysis of frequency distribution of error signal after locking.

圖4 DVB鎖定結果 (a)鎖定前的DVB誤差信號;(b)鎖定后的DVB誤差信號;(c)鎖定后誤差信號的頻率分布的統(tǒng)計分析Fig.4.The PDH locking result:(a)DVB error signal before locking;(b)DVB error signal after locking;(c)statistical analysis of frequency distribution of error signal after locking.

兩個鎖定完成之后,腔內(nèi)充入濃度為1000ppm的NH3,氣壓保持70 mTorr,掃描激光頻率可以獲得氣體的NICE-OHMS色散線型,如圖5所示.圖5(a)是測量得到的腔增強直接吸收信號,圖中的紅線是擬合的高斯線型,可以看到腔模信號與高斯線型擬合得很好,吸收的透射腔模左右對稱、線型平滑,說明掃描過程中保持了較好的鎖定效果;但是受頻率-幅度噪聲的影響,擬合后噪聲的標準偏差達到0.046 V,而信號的幅度是0.067 V,信噪比僅為3.3 dB,且觀察不到亞多普勒信號.圖5(b)是色散相位下的NICE-OHMS信號,信號幅度14.3 V,對NICE-OHMS線性變化處(圖中綠色框圖對應部分,時間位于0.3035 s到0.39 s之間)進行線性擬合顯示,擬合后噪聲的標準偏差為0.076 V,對應信噪比為45.5 dB.在吸收中心頻率附近減小掃描范圍,得到的亞多普勒信號光譜如圖5(c)所示,對應圖5(b)中的紅色方框區(qū)域,由亞多普勒信號幅度與多普勒信號的幅度比可知腔內(nèi)載頻光的飽和度G0約0.22,圖中的亞多普勒信號關于吸收線中心奇對稱,為吸收線的鎖定提供了必要條件[29,33].

圖5 實驗測量的氣體吸收信號 (a)腔增強直接吸收信號;(b)色散相位的NICE-OHMS信號;(c)亞多普勒NICE-OHMS信號Fig.5.Measured gas absorption signals:(a)Cavity enhanced direct absorption signal;(b)NICE-OHMS signal with dispersive phase;(c)sub-Doppler signal of NICE-OHMS.

為評估70 mTorr氣壓下NH3亞多普勒線型寬度,用頻率失鎖后的PDH誤差信號進行了定標.圖6(a)顯示的是獲得亞多普勒信號時的掃描電壓.圖6(b)表示的是在這個掃描電壓下,關閉DVB鎖定與PDH鎖定后獲得的PDH誤差信號,可以確定載頻與單個邊帶引起的PDH誤差信號峰值間對應的頻率差是25 MHz,載頻與單個邊帶引起的PDH誤差信號峰值對應在時間軸上的距離是0.24 s,則頻率間隔與掃描時間的關系是25 MHz/0.24 s.圖6(c)是在掃描電壓不變情況下獲得的亞多普勒信號,線型的半高全寬對應的時間間隔是0.02 s,利用圖6(c)獲得的頻率間隔與掃描時間之間的關系可以求出70 mTorr氣壓下亞多普勒NICE-OHMS信號半高全寬是2.05 MHz.進一步可知亞多普勒結構的頻率-幅度系數(shù)為2.05 MHz/1.04 V.

圖6 亞多普勒信號定標過程 (a)腔體壓電陶瓷的掃描信號;(b)未鎖定的PDH誤差信號;(c)亞多普勒NICEOHMS信號Fig.6.Sub-doppler signal scaling process:(a)Scanning signal of cavity piezoelectric ceramics;(b)PDH error signal before locking;(c)sub-Doppler signal of NICE-OHMS.

獲得亞多普勒信號之后,我們對腔長未鎖定與鎖定情況下的激光頻率漂移進行了對比.首先在實現(xiàn)PDH和DVB鎖定而不使用亞多普勒信號鎖定腔長的情況下,讓系統(tǒng)自由運轉,對解調(diào)后的NICE-OHMS信號進行了3 h的連續(xù)采集,采樣率30 Hz,結果如圖7(a)中的黑線所示.可以看到激光頻率會隨著腔長的變化而產(chǎn)生長期單向漂移,NICE-OHMS信號會沿著吸收線輪廓變化.并且NICE-OHMS信號在漂移過程中,信號噪聲越來越明顯,這是由于在圖中隨著激光頻率的偏移,對應的氣體色散信號越大,導致DVB鎖定的位置會偏移FSR中心,從而降低了NICE-OHMS的噪聲免疫特性[28].圖7(a)中黑線顯示,NICEOHMS信號(頻率鎖定的誤差信號)在3 h的測量時間內(nèi),從0 V漂移至?3.26 V,在解調(diào)相位不變的前提下,信號的漂移會沿著圖5(b)中色散相位下的NICE-OHMS線型,已知圖5(b)中的亞多普勒信號峰-峰間隔為2.05 MHz,基于該間隔定標可以得到0—?3.26 V的頻率范圍約50 MHz.然后將亞多普勒信號反饋給腔的壓電陶瓷,從而穩(wěn)定腔長,最終將激光器頻率鎖定在亞多普勒線中心.圖7(a)中的紅線為連續(xù)采樣3 h的結果.可以看到激光器的頻率基本保持在NH3振轉能級躍遷位置,波數(shù)穩(wěn)定在6533.4615 cm?1附近.圖7(b)是對激光器進行亞多普勒鎖定后帶寬的評估,由已獲得的70 mTorr氣壓下亞多普勒信號的頻率-幅度系數(shù),將圖7(a)中紅線表示的幅度信息進行頻率換算,得到對應的頻率分布.圖7(b)是長期鎖定下測量的頻率統(tǒng)計直方圖,圖中曲線是對圖像進行正態(tài)分布擬合的結果,可以看出頻率相對偏差是16.3 kHz.

圖7 腔長鎖定性能的評估 (a)黑線表示未鎖定腔長時激光器的頻率變化,紅線表示鎖定腔長后激光器的頻率變化;(b)鎖定后誤差信號的頻率分布統(tǒng)計分析Fig.7.Evaluation of cavity length locking performance:(a)The black line shows the frequency change of the laser when the cavity is not locking,the red line shows the frequency change of the laser after the cavity length is locked;(b)statistical analysis of frequency distribution of error signal after locked.

為進一步評估系統(tǒng)鎖定穩(wěn)定度,對亞多普勒鎖定后的誤差信號進行了阿倫方差分析,將3 h測量的誤差信號利用亞多普勒頻率-幅度系數(shù)定標后獲得的激光頻率偏差如圖8(a)所示.圖8(b)中黑線是圖8(a)對應數(shù)據(jù)的阿倫方差,紅線是1/τ1/2擬合結果,可以看出在10 s內(nèi),阿倫方差值與1/τ1/2一致,說明在這段時間內(nèi)白噪聲為系統(tǒng)的主要噪聲.10 s后,阿倫方差值偏離了白噪聲特征,此時1/f噪聲、布朗噪聲以及腔長漂移的作用逐漸顯現(xiàn).阿倫方差最低點出現(xiàn)在136 s,此時相對頻率偏移量是0.32 kHz,對應頻率穩(wěn)定度為1.6×10?12.

圖8 激光頻率長期鎖定的阿倫方差分析 (a)激光頻率鎖定在NH3亞多普勒吸收線上后3 h內(nèi)激光頻率相對亞多普勒吸收線中心的頻率偏差;(b)黑線表示激光頻率鎖定NH3亞多普勒吸收線上后,對頻率偏差進行的阿倫方差分析,紅線是對黑色數(shù)據(jù)點擬合的1/τ1/2線型Fig.8.Analysis of Allan deviation for long term lock-in of laser frequency:(a)Frequency deviation of laser frequency relative to sub-Doppler absorption line center within 3 hours after laser frequency locking in NH3 sub-Doppler absorption line;(b)black line indicates Allan deviation analysis of frequency deviation after laser frequency locking on the sub-Doppler absorption line of NH3,the red line is 1/τ1/2line for fitting black data points.

5 結 論

本文介紹了一種基于1.53μm光纖激光器的NICE-OHMS實驗裝置,為提高DVB鎖定效果,采用了混頻產(chǎn)生PDH調(diào)制信號的方法.鎖定性能測量顯示,PDH鎖定帶寬4.3 kHz,DVB鎖定帶寬0.38 kHz.在此基礎上,腔內(nèi)充入1000 ppm的NH3,保持氣壓70 mTorr,觀測到了NH3在6533.4615 cm?1吸收線位置的亞多普勒信號,對應吸收線強度4.436×10?22cm·molecule?1[30].之后將激光頻率鎖定在NH3的亞多普勒吸收線上,鎖定帶寬16.3 kHz.阿倫方差結果顯示,136 s積分時間下穩(wěn)定度達到1.6×10?12.

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