利用模清洁器实现锶光钟的光晶格光源强度噪声的抑制

田晓，尹默娟，徐琴芳，孔德欢，常宏，张首刚

（1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院时间频率基准重点实验室，西安710600；3.中国科学院大学，北京100049）

利用模清洁器实现锶光钟的光晶格光源强度噪声的抑制

田晓1，2，3，尹默娟1，2，徐琴芳1，2，孔德欢1，2，常宏1，2，张首刚1，2

（1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院时间频率基准重点实验室，西安710600；3.中国科学院大学，北京100049）

利用模清洁器过滤高频噪声的特性，对锶原子光钟的光晶格光源—813nm半导体激光器的强度噪声进行抑制。首先对模清洁器腰斑和激光器腰斑之间的匹配透镜参数进行理论计算，通过模式匹配，得到模清洁器的反射信号和透射信号。然后利用pound-drever-hall（PDH）边带稳频技术将模清洁器锁定于激光频率上，由模清洁器透射出的激光强度噪声被抑制。利用一对平衡零拍探测器对经过模清洁器前后的激光器强度噪声进行测量。结果表明，未经过模清洁器的激光强度噪声在分析频率30MHz内无法达到散粒噪声极限，经过模清洁器后，激光强度噪声在约8MHz达到散粒噪声极限。通过强度噪声抑制，可使813nm半导体激光器用于锶冷原子光晶格装载实验，并且减小了光晶格噪声对势阱囚禁冷原子的影响，有利于下一步的钟跃迁谱探测实验。

强度噪声；光学腔；模清洁器；半导体激光器；光晶格钟

0　引言

近年来，基于外腔反馈的半导体激光器以其易调谐、超窄线宽、结构简单、体积小等优点被广泛应用于原子物理、高分辨光谱、原子钟等领域[1-5]。随着半导体激光器的大规模应用，对其性能的要求也越来越高，其中激光器的强度噪声是激光器很重要的物理参数之一[6]。激光器的强度噪声源自于自发辐射的随机性[7]，激光输出强度的起伏表现为强度噪声。半导体激光器的输出强度噪声很高，往往高于散粒噪声极限（shortnoise limit，SNL）几十个dB[8]。实验上常采用光电反馈[9]、注入锁定[10]等技术对半导体激光器强度噪声进行抑制。采用环行腔对激光器强度噪声进行抑制是一种简单、有效的方法，利用它过滤高频噪声的特性，已经被成功用于固态激光器的强度噪声抑制的实验上[11-12]，这种环行腔被称为模清洁器。模清洁器除可以抑制激光器强度噪声外，还能够改善半导体激光器出射激光光束质量。

在锶光钟的光晶格装载冷原子的实验中，以半导体激光器作为光晶格的光源使用，由半导体激光器带来的额外噪声—强度噪声会对囚禁于晶格中的冷原子造成加热作用[13]。本文介绍了半导体激光器强度噪声抑制的实验研究，利用一个高精细度的模清洁器，使锶光钟光晶格的光源—813nm半导体激光器的强度噪声得到了明显改善，加模清洁器之前激光器的强度噪声在分析频率30MHz内远远高于散粒噪声极限，加模清洁器之后噪声在8MHz附近达到散粒噪声极限。

1　实验装置

模清洁器的透射场和反射场的归一化噪声可分别表示为[14]

式（1）和（2）中，inv为输入场强度噪声，ω为分析频率，γ为腔的线宽。由此两式可知：当分析频率ω远大于腔的线宽γ时，反射场的强度噪声趋于入射场的强度噪声，透射场的强度噪声趋于散粒噪声。所以模清洁器的作用就像一个“低通滤波器”：当光场入射至模清洁器时，入射场中频率低于模清洁器线宽的强度噪声被透射，频率高于线宽的强度噪声则被反射，这样入射光场中频率高于模清洁器线宽的强度噪声就会被过滤掉。

实验用模清洁器由3个镜片组成，为环行结构光学腔。图1中，模清洁器的3个镜片直径均为25.4mm，其中入射镜M1和反射镜M2是平面镜，经实验测量对813nm激光的反射率为99.67%，M3是平凹镜，反射率为99.93%，镜片的曲率半径为1000mm。模清洁器的总腔长为430mm，其中l1为30mm，l2=l3为200mm。根据傍轴光线的变换规律，利用ABCD光学矩阵[15]计算得到模清洁器匹配的腰斑Mω=327.5µm。

图1　模清洁器结构示意图

为实现有效的模式匹配，在得到模清洁器匹配腰斑的基础上，需要测量激光器的腰斑及其位置，以及基于前两者参数计算出所需匹配透镜的焦距以及位置。

基模高斯光束的光斑变化规律为

当z=z0时，光斑尺寸为最小值即为光束腰斑ω0，并且随z值越来越远离z0，激光光斑ωL逐渐变大。因此通过测量实际光路不同位置处的光斑尺寸并通过比较，便可获得腰斑值ω0及其对应位置z0。但在某些特殊情况下，如受已有光学系统空间限制或激光腰斑处于激光器内部等，无法通过直接测量得到激光腰斑，可采用反推法间接获得激光器的腰斑。具体地，首先对实际光路上不同位置处对应的光斑尺寸进行测量，然后基于测量的多组数据，利用基模高斯光束的变化规律，推算出激光器的腰斑值及其位置。

实验采用德国Toptica公司生产的Pro系列外腔反馈半导体激光器，输出激光为线偏振的高斯光束。测量中，人为设置测量零点，利用NewPort光束质量分析仪（NewPort，LBP-2-USB）以间隔1cm测量光路上不同位置处的光束尺寸，利用公式（3）拟合，结果如图2所示，得到激光器出射激光光束的腰斑为112µm，腰斑位置在测量零点靠近激光器方向20.5cm。

图2　激光器腰斑的拟合结果

基于高斯光束的腰斑变换规律[16]，如图3所示，对所需匹配透镜的焦距及位置进行计算，激光通过透镜后的（像方）腰斑尺寸及其相应位置分别为

式（4）和（5）中，f为所需匹配透镜的焦距。

已知激光腰斑0ω，通过透镜变换使0ω与模清洁器腰斑Mω匹配，即像方腰斑0ω′为模清洁器腰斑Mω，将已知的模清洁器腰斑以及激光器的腰斑尺寸代入式（4）和（5），得到匹配透镜的焦距f=198mm，透镜距激光腰斑l=246mm，计算时设定

图3　高斯光束腰斑变换规律

2　实验过程及结果

依据理论计算结果，实验中采用f=200mm的匹配透镜，通过将透镜放置于一个精密平移导轨上，实现精确光学调节，优化激光光束与模清洁器的波前匹配，当匹配透镜距激光腰斑位置l=240mm时，得到较好的模式匹配效果。此时，模清洁器内部的压电陶瓷被加载经高压放大的10MHz三角波信号，用于扫描模清洁器腔长。采用光电探测器（Sacher，PR-100）探测透射信号并由示波器（Tektronix，TDS3012B）同步显示。模清洁器的透射信号和反射信号如图4所示，模清洁器透射谱的精细度约为200，腔的线宽约为3.5MHz。

图4　模清洁器的透射信号和反射信号

采用边带稳频（pound-drever-hall，PDH）[17]方法将模清洁器锁定在激光频率上，使腔与激光器保持共振，当激光通过模清洁器出射后，出射光束即为通过模清洁器被噪声过滤的激光。实验锁定系统如图5所示，此时对模清洁器停止扫描，对激光器进行频率扫描，获得透射和反射信号，其中反射信号用于模清洁的锁定，透射信号用于测量激光器的强度噪声。

图5中，半导体激光器输出激光经过λ/2和PBS1被分成两部分，一部分输入F-P腔，由光电探测器PD1进行探测，用于激光器的模式监测，另一部分用于激光器强度噪声抑制的实验。高频信号发生器产生频率为12MHz、幅度为-33dBm的正弦波调制信号，信号被分成相等两路，一路经功率放大器（mini circuits，ZHL-5W-1）加载到电光调制器（new focus，4062），对入射激光进行相位调制；另一路信号经过移相器shifter输入到混频器，通过光电探测器PD2采集得到反射信号，使之与信号发生器产生的本地信号进行混频。通过混频器得到误差信号，由低通滤波器（mini circuits，BLP-2.5+）过滤高频信号，然后经过比例积分微分PID伺服控制电路得到反馈电压，被高压放大器（山西大学光电所，Model PZ-2003A）放大后加载到模清洁器凹面镜M3的压电陶瓷上，调节模清洁器的腔长。图6所示为模清洁器的透射信号及通过模清洁器反射信号与本地信号进行混频得到的误差信号，精细调节误差信号偏置电压将其偏置归零，再通过PID（比例积分微分）电路将模清洁器锁定在激光频率上，实现激光稳定透射。最后利用平衡零拍探测器对经模清洁器过滤的激光强度噪声进行测量。

图5　利用PDH锁定模清洁器的系统示意图

图6　模清洁器的透射谱及对应的误差信号

实验用一对平衡零拍探测器（国防科技大学研制）测量激光的强度噪声，利用λ/2和PBS2将透射信号分成两束，分别打入平衡零拍探测器的PD3和PD4的直流端口DC，再接入示波器通道1和通道2，观测示波器上两通道的直流电压值，通过调节PBS2前的半波片，使两电压值完全相等，从而精确实现两束光强完全相等。然后将这两路信号分别通过使用加法器（mini-circuits，ZSC-2-1+）和减法器（mini-circuits，ZSCJ-2-1+）进行信号的相加和相减步骤，通过频谱分析仪（rohde&schwarz，FSH4）获得测量结果，det（）Vi+和det（）Vi-分别代表测量的激光强度噪声和散粒噪声极限。实验测量时频谱分析仪的参数设置为：分辨率带宽（RBW）300kHz，视频带宽（VBW）3MHz，衰减0dB，扫描时间（sweep time）20ms。实验结果如图7所示，通过图中曲线a（散粒噪声极限），b（经过模清洁器后的激光器强度噪声谱），c（未经过模清洁器的激光器强度噪声谱）的比较可以看出，经过模清洁器之前，激光器的强度噪声未得到抑制，输出的激光强度噪声很高，直到30MHz还远远高于散粒噪声极限，将模清洁器锁定后，模清洁器频率与激光频率共振，经过模清洁器的激光强度噪声得到明显降低，在约8MHz就达到散粒噪声极限。

图7　激光器的强度噪声谱

3　结论

实验通过采用3镜环行腔结构的模清洁器，使锶光钟光晶格光源—813nm半导体激光器的强度噪声得到有效抑制，在约8MHz处便达到散粒噪声极限。实验中模清洁器的精细度要低于其理论值，因此对模清洁器的精细度调节仍有优化空间，从而使得腔线宽更窄，以实现在更低频率处达到散粒噪声极限。利用模清洁器实现强度噪声抑制的813nm半导体激光器，输出激光具有更低的强度噪声，减小了光晶格噪声对囚禁冷原子温度的影响。因此，813nm半导体激光器强度噪声的抑制对锶光钟的冷原子光晶格装载十分重要。

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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

国家自然科学基金资助项目（61127901，11474282）

田晓，女，博士，助理研究员，主要从事量子频标研究。