698nm超稳激光研究进展

刘涛，陈龙，张林波，许冠军， 刘军,3，董瑞芳，张首刚



698nm超稳激光研究进展

刘涛1,2，陈龙1,2，张林波1,2，许冠军1,2， 刘军1,2,3，董瑞芳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）

为满足新一代时间频率系统中锶原子光钟的研制任务的需求，研制了698nm超稳激光系统。基于PDH激光稳频技术，将激光频率锁定在高精细度光学参考腔共振频率上，通过PID负反馈控制系统实现对激光频率的纠正，从而提高激光的频率稳定度。两套独立激光系统的拍频比对结果显示，单套激光系统的频率稳定度约2.5×10-15/s，线宽是2Hz。

PDH稳频技术；光钟；超稳激光器；Fabry-Perot参考腔

0 引言

时间是最基本的物理量之一，其国际基本单位是秒。1967年，第十三届国际计量大会将秒长定义为，位于海平面上的133Cs原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁振荡9 192 631 770周所持续的时间为1 s。Cs原子喷泉钟是现行秒定义的基准钟[1-2]，其频率稳定度为10-16量级。近年来，锶原子光钟发展迅速，其稳定度和准确度都已经进入10-18量级[3-4]，较Cs原子喷泉钟提高了两个量级。由于其优越的性能和瞩目的进展，锶原子光钟有望成为下一代频率基准[5]。

为满足我国对高精度时间基准的迫切需求，中国科学院国家授时中心正在开展锶原子光钟研制工作。其中，工作波长为698 nm的超稳激光器[6-10]作为锶原子光钟的本地振荡器，用于探测钟跃迁信号，是锶原子光钟不可缺少的重要组成部分。锶原子光钟参考跃迁线的自然线宽在mHz量级，为了实现锶原子参考跃迁线的精密测量，需要研制具有极高频率稳定性的698 nm稳频激光。

本文介绍了国家授时中心在698nm稳频激光系统研制方面的最新进展。通过对剩余幅度调制（RAM）进行抑制和对控制系统进行优化，将两台优化后的698 nm稳频激光系统进行拍频比对，最终测量得到单台激光系统的激光频率秒级稳定度约2.5×10-15，线宽是2Hz。本文研制的超稳激光较好地满足锶原子光钟对光学本地振荡器的需要。

1 窄线宽激光实验系统

Pound-Drever-Hall（PDH）稳频[11]激光系统的原理示于图1。本文采用商用外腔光栅反馈半导体激光器（DL-pro）作为光源，输出波长698nm，输出功率约24mW，不跳模连续扫描范围大于20 GHz，自由运转线宽标称值为1MHz。利用隔离度~60dB的光隔离器（ISO1）防止光反馈。输出光经偏振分束器PBS1分为两束。其中，反射光用于与另一套稳频激光拍频，进行激光频率稳定度测量。透射光通过50cm单模光纤（SM fiber）进行模式清洁。光纤输出光再经过消光比>50dB的格兰泰勒棱镜（glan-taylor polarizer，PGT），并利用电光相位调制器（EOM）进行相位调制。电光晶体后的光隔离器（ISO2）是为防止后续光学元件与电光晶体端面形成标准具效应产生额外的RAM[12]。通过光电探测器PD1监视剩余幅度调制信号的大小。激光从PBS3透射经过匹配透镜L耦合入光学参考腔，参考腔反射光经过四分之一波片后由PBS3反射到光电探测器PD2，探测到的信号用于产生误差信号。

注：ISO1、ISO2为隔离器；λ/2为二分之一波片；λ/4为四分之一波片；PBS1、PBS2、PBS3为偏振分束器；M为反射镜；SM fiber为单模光纤；EOM为电光相位调制器；PS为相移器；PD1、PD2为光电探测器；PID为比例积分控制器；L为耦合透镜。

将PD2探测信号经混频解调出鉴频信号，该信号再经过比例积分微分电路反馈到激光器。实验中，激光频率控制器包括一路比例放大、三路积分和一路微分。分别通过调节激光外腔的压电陶瓷和激光二极管驱动电流来控制输出激光频率。

实验中将激光频率锁定在光学参考腔的共振频率上，锁定后激光的频率稳定性主要由光学参考腔有效腔长的稳定性决定。激光稳频系统利用水平放置带切割的圆柱型光学参考腔，几何模型如图2所示。腔长100 mm，外径100 mm，轴方向切割面与光轴间距c=47 mm，支撑面与光轴间距c=3 mm。通过衰荡光谱技术[13]测得该参考腔的精细度约为130000。参考腔的热噪声由腔体热噪声、腔镜基片热噪声和腔镜镀膜热噪声组成[14]，根据文献计算得到实验中参考腔的热噪声极限是6.93×10-16。为了减小外界环境对腔长的影响，我们采取以下措施：①选用的光学参考腔材料为热膨胀系数很小（3×10-8/k）的超低膨胀玻璃ULE，降低其长度随温度的变化率；②将光学参考腔置于高真空度的真空腔室中。腔室真空度保持在6.5×10-7Pa，由20 L/s离子泵维持，同时对真空腔室进行精密的温度控制，真空腔室采用单点测温、腔室表面缠绕锰铜丝加热的控温方式，温度1 h内短期稳定度约10 mK，1d内未观测到明显漂移；③将系统置于主动隔振平台上，其对频率大于1Hz的振动有20dB的隔离效果，有效降低了因地面震动导致的激光频率噪声；④通过有限元软件分析计算参考腔的最佳支撑点位置，最大限度降低参考腔振动敏感度。对支撑点施加三维方向的约束固定，将该参考腔划分约10万个四面体单元格，计算结果显示，该腔竖直方向上的振动敏感度约为2.5×10-12/ms-2。

图2 光学参考腔结构示意图

考虑到环境扰动会对光学器件等造成影响，实验中采用隔音箱将系统中光学部分与外界环境相隔离，减弱实验室空气流动、声音等对光学元件的影响。

激光经过相位调制器进行相位调制时，通常会产生剩余幅度调制，从而影响激光的中长期稳定性。实验中，对电光晶体的温度、剩余幅度和误差信号三者间的关系进行研究。实验结果表明，将电光晶体温度控制在剩余幅度最大时的温度值时，误差信号对电光调制器产生的剩余幅度敏感度最低。在该超稳激光系统中，将电光晶体温度控制在剩余幅度最大点，从而减弱了剩余幅度对系统锁定质量的影响，同时降低了对电光晶体控温精度的要求。稳频激光系统中控制系统直接决定了锁定质量。通过对PID控制系统的参数进行优化调整，使用频谱分析仪测得控制系统的控制带宽为2.7MHz。相位噪声的均方值定义为相位噪声功率谱密度从积分到无穷大，当时，为载波的半高宽，表征了控制系统对激光频率误差信号的跟踪精度[15-16]，计算得到该控制系统跟踪精度约为0.33 Hz，对应698 nm激光频率稳定度为7.6×10-16。

2 实验结果及分析

实验中，通过拍频比对两套独立稳频的698nm激光系统，测量了激光频率稳定度和激光线宽。利用1根5m长的保偏光纤（PM fiber）将第一套系统输出激光传输至第二套系统的平台上，将两束激光合束并保持相同偏振态，利用快速光电探测器测量两光的拍频信号，并将探测器输出信号分别接入频率计数器和频谱分析仪。对计数器所得数据进行处理，消除30mHz/s线性漂移后得到如图3所示的阿伦偏差曲线。可以看到，两光的拍频信号在平均时间为1s时的频率稳定度为3.6×10-15。频谱分析仪所测结果如图4所示，两套独立的698nm激光器的相对激光线宽是2.9Hz。实验中采用的两套稳频激光系统性能相当，因此可知其中一套激光的频率稳定度约2.5×10-15/s，线宽是2Hz。

由图3和4可以看到，激光频率长期稳定度恶化，可能的原因包括：参考腔多路控温系统存在问题，导致参考腔局部温度1d内变化约40mK；采用的5m保偏光纤保护不够，经测试发现，光纤噪声导致的激光线宽最大展宽约0.5 Hz，下一步拟采用光纤相位噪声抑制。此外，分析认为短期稳定度的提高可能与机械震动及系统的噪底有关，拟评估参考腔震动敏感度，并进一步优化控制系统。

图3 两套独立的698 nm激光器系统拍频信号频率稳定度

图4 两套独立的698 nm激光器系统拍频信号频谱

3 结语

本文介绍了中国科学院国家授时中心698 nm超稳激光的最新研究进展。通过PDH激光稳频技术将半导体激光器输出激光锁定在精细度约为130 000的光学参考腔共振频率上，同时对该参考腔采取了主动隔振、控温等措施减弱外界环境对其稳定性的影响。在稳频系统中，可以通过对电光晶体进行温度控制减弱剩余幅度调制对激光频率稳定度的影响。通过将两套独立的稳频激光进行拍频比对，测得拍频信号的频率稳定度为3.6×10-15/s，线宽是2.9 Hz。两套稳频激光系统相关参数基本一致，假设其性能相当，则单台激光系统的激光频率稳定度约为2.5×10-15/s，线宽是2Hz。

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Development of 698 nm ultra-stable lasers

LIU Tao1,2, CHEN Long1,2, ZHANG Lin-bo1,2, XU Guan-jun1,2,LIU Jun1,2,3, DONG Rui-fang1,2, 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)

An ultra-stable laser system at 698 nm as local oscillator for strontium lattice clocks is developed for a new generation of time and frequency system. The output frequency of lasers is locked to a resonance of a rigid Fabry-Perot cavity with a high finesse based on the Pound-Drever-Hall technique. The fractional frequency stability is improved via the PID feedback control system correcting of laser frequency. The beat-note measurements between two independent frequency stabilized lasers show that the fractional frequency stability of one laser is about 2.5×10-15with 1 s averaging time and the linwidth is 2 Hz.

the Pound-Drever-Hall technique; optical clock; ultra-stable laser; Fabry-Perot cavity

TM935

A

1674-0637(2016)03-0202-05

10.13875/j.issn.1674-0637.2016-03-0202-05

2016-01-05

国家自然科学基金委重大科研仪器设备研制专项（61127901）；国家自然科学基金资助项目（11273024）；中国科学院重点部署资助项目（KJZD-EW-W02）；国家自然科学基金委青年科学基金资助项目（11403031）

刘涛，男，研究员，主要从事高精度时间频率产生和传递研究。