1、 在1030 nm的Yb：YAG固體激光器的高分辨率頻率標(biāo)準(zhǔn) 葉軍，馬隆勝*和約翰·L·霍爾 聯(lián)合天體物理實(shí)驗(yàn)室，標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)和科羅拉多大學(xué)博爾德分校研究所， 博爾德，科羅拉多州80309-0440 二極管泵浦固態(tài)的Yb：YAG激光器已經(jīng)穩(wěn)定到一個(gè)高精細(xì)度腔全外置伺服回路。超靈敏腔增強(qiáng)頻率調(diào)制光譜已經(jīng)恢復(fù)子多普勒乙炔泛音過渡具有高信號(hào)對(duì)噪聲比，導(dǎo)致的吸收靈敏度在1-S的平均時(shí)間。這個(gè)高分辨率分子共振用作激光器的長期穩(wěn)定的參考。該系統(tǒng)可以被開發(fā)成在1.03毫米的波長范圍內(nèi)具有高度緊湊和穩(wěn)定的光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)。©2000年美國光學(xué)學(xué)會(huì)S0740-3224(00)03206-

2、9 OCIS代碼：140.3580, 140.0140, 300.6360, 300.6390, 300.6460, 350.4800. 二極管泵浦固體激光器被視為在許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域中最有前途的相干光源，包括通信， 遙感和檢測(cè)，高分辨率光譜，并精確的測(cè)量。除了在，如能源效率，尺寸，壽命和固有噪聲電平的領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)劣，新的固態(tài)激光系統(tǒng)覆蓋不同的波長范圍目前正在積極的發(fā)展。二極管泵浦的Yb：YAG激光器提供了一定的好處超過激光器，如那些Nd：YAG激光，在低的熱負(fù)荷，長上態(tài)的壽命，沒有激發(fā)態(tài)吸收和變頻損失，一個(gè)寬吸收帶在940納米，它是在GaAs二極管激光射范圍內(nèi)。因而Yb：YAG激光對(duì)高功率和高

3、效率的激光手術(shù)是更好的選擇。（1）Yb：YAG還提供了一個(gè)支持飛秒脈沖產(chǎn)生一個(gè)寬的發(fā)射光譜。（2）在CW世界，1.03（1.05）毫米可調(diào)資源，當(dāng)然是值得歡迎的光譜工作。然而，由于缺乏在該波長區(qū)域中的合適的參考文獻(xiàn)在某些應(yīng)用限制了激光，它的頻率或波長的精確知識(shí)是必需的。在本文中我們的報(bào)告，首次就我們所知高分辨率（子多普勒分子振動(dòng)倍頻轉(zhuǎn)換）1.03毫米左右的頻率基準(zhǔn)Yb：YAG激光。可調(diào)的Yb：YAG激光器3在我們的實(shí)驗(yàn)中使用的輸出50毫瓦（單縱模）近1030 nm的二極管泵浦功率800毫瓦。激光波長可以被緩慢地只與它的諧振器的溫度控制調(diào)節(jié)。因此，實(shí)現(xiàn)了激光器的頻率穩(wěn)定與合理的寬的帶寬，外部的激

4、光的頻率和相位校正換能器是必要的。（4）聲 - 光調(diào)制器（AOM）被就此采用。自由運(yùn)行激光器的線寬是20千赫在低于0.1毫秒的測(cè)量時(shí)間的數(shù)量級(jí)。然而，通過使用天然的原子或分子的參考建立有效的長期穩(wěn)頻，這樣快速激光線寬需要進(jìn)一步減少，到一定程度該諧振信息可以收回一個(gè)增強(qiáng)的信號(hào) - 噪聲（S/N）比，并有效地用于抑制激光頻率抖動(dòng)和漂移。換句話說，當(dāng)一個(gè)本地振蕩器是更穩(wěn)定，它可以再花其頻率和相位的時(shí)間較長不必作出關(guān)于參照查詢之前的自身演變。更長的詢問期轉(zhuǎn)化成兩個(gè)諧振信號(hào)恢復(fù)過程（從而做出一個(gè)更精細(xì)的檢查對(duì)于真正的線中心）和長期伺服回路，鎖定激光頻率上的共振較小的帶寬。對(duì)于短期穩(wěn)定激光器的目的，光腔被

5、經(jīng)常使用。（5）在我們以前的超靈敏的腔增強(qiáng)頻率調(diào)制的研究（FM）光譜（6）我們結(jié)合長期和短期的穩(wěn)定的運(yùn)作成一個(gè)設(shè)備，與被提供給激光腔內(nèi)分子過渡腔共振和信息同時(shí)。我們按照目前的工作使用同樣的策略。在整個(gè)設(shè)置過程Yb：YAG激光頻率穩(wěn)定示于圖。1，電光調(diào)制器1（EOM1）允許頻率和相位的光場（相對(duì)于型腔），以在該載體被采樣在空腔反射的光（光檢測(cè)器1）的4 MHz.Phase相干解調(diào)頻率揭示了伺服誤差信號(hào)，它是用于將激光鎖定到空腔模式。外部AOM可用于頻率和強(qiáng)度穩(wěn)定。由于激光諧振器的溫度響應(yīng)被限制在一個(gè)時(shí)間常數(shù);1秒，我們需要對(duì)AOM的頻率伺服增益基本上延伸到dc范圍。（在更典型的情況下，激光諧振器

6、將具有某種啟用機(jī)械調(diào)諧能力，例如，由一個(gè)壓電換能器（PZT），其安裝在一個(gè)反射鏡中。然后，我們會(huì)滾下AOM在低頻率范圍的增益，使得PZT是主要負(fù)責(zé)糾正激光器的任何緩慢，但會(huì)潛在的大頻率的噪音。（7）為了避免過多的光束指向噪聲，我們采用了雙傳送機(jī)制的AOM使從AOM衍射光束不具有對(duì)AOM的驅(qū)動(dòng)頻率指點(diǎn)方向的依賴。圖。1，頻率穩(wěn)定一個(gè)的Yb：YAG激光器通過使用光學(xué)諧振腔與腔內(nèi)分子的吸收。關(guān)于腔的共振（分子）中，所謂的誤差信號(hào)，該信息是由相位相干檢測(cè)的回收腔體反射（透射）光在4 MHz（318兆赫）。 PBS中，偏振光分束器;PD，光電探測(cè)器。 EOM，電光調(diào)制器。 該空腔具有一個(gè)自由光譜范圍頻3

7、18.34兆赫。腔場環(huán)下降時(shí)間（ 1 / e）為測(cè)得為75毫秒，從而導(dǎo)致空腔線寬4.3 kHz和75000一個(gè)技巧1.03毫米FWHM） 。空腔鎖定信號(hào)被從外差而得直接反映了輸入領(lǐng)域之間跳動(dòng)鏡和空腔存儲(chǔ)字段的通過漏輸入鏡。因此，錯(cuò)誤包含頻率信息在時(shí)間尺度長于腔響應(yīng)時(shí)間，但在較短的時(shí)間尺度相位信息。該窄線寬腔不限制可用的伺服在測(cè)量帶寬效率，而是輔助工具的頻率和相位噪聲。在伺服機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器的功能，我們首先補(bǔ)償腔響應(yīng)具有電子傳輸功能，其具有極在dc和零在空腔的帶寬。合并腔體和該第一級(jí)放大器的響應(yīng)是一個(gè)凈積分器（頻率誤差）在整個(gè)相關(guān)頻率范圍。與預(yù)定的知識(shí)一個(gè)400納秒的時(shí)間延遲（這是由于傳播的

8、通過光光束內(nèi)的聲波的了用于頻率校正的AOM的晶體），循環(huán)被優(yōu)化的單位增益帶寬150千赫。第二級(jí)積分用于低于1 kHz以提供更多的增益在低頻范圍內(nèi)，其中激光頻率的強(qiáng)烈噪音的增加。輸出環(huán)路濾波器供給一電壓控制振蕩器（VCO），其驅(qū)動(dòng)AOM。以防止飽和VCO控制信號(hào)，它被集成更多的時(shí)間，并且是饋送到激光諧振腔的溫度伺服，用交叉VCO和熱之間0.1赫茲的頻率控制。 圖2示出了該環(huán)路誤差信號(hào)分析情況下，其中激光被鎖定到空腔中。噪音的信號(hào)上的射頻（RF）頻譜的頻譜分析揭示了附近的單位增益伺服噪音凹凸頻率為150千赫的圖。圖2（a）。在較低的頻率范圍內(nèi)的快速傅里葉變換（FFT）分析器給出了一個(gè)噪聲頻譜帶的更

9、準(zhǔn)確的測(cè)量其更高的分辨率帶寬。圖2（b）顯示了信號(hào)分析和由FFT進(jìn)行比較分析儀（由下往上排列）：電子底噪聲，散粒噪聲，噪音小，誤差在一個(gè)緊鎖信號(hào)一個(gè)松散的鎖定狀態(tài)下的條件和誤差信號(hào)。在分析儀測(cè)得的噪聲譜（在V/Hz1/2）的單位被轉(zhuǎn)換為頻噪聲譜密度（在Hz/Hz1/2），通過斜率（Hz/ V）的裝置的判別誤差信號(hào)。在傅立葉頻率比空腔響應(yīng)角頻率越高，腔的低通特性，其中x 為歸一化頻率從空腔諧共振是考慮到轉(zhuǎn)換相位噪聲譜成頻率的噪聲頻譜通過這個(gè)腔響應(yīng)功能劃分。該探測(cè)器的白散粒噪聲對(duì)應(yīng)于白上述腔角頻率的相位噪聲，因此，導(dǎo)致高頻噪聲上升在更高的傅立葉頻率。 我們可以看到，雖然我們和調(diào)制解調(diào)的光以高頻率（

10、4 MHz）時(shí)，該光強(qiáng)度噪聲仍是3 dB以上的散粒噪聲電平（在0.3毫瓦的檢測(cè)器的電源）。下一個(gè)緊緊的鎖定狀態(tài)中環(huán)路誤差信號(hào)噪聲出現(xiàn)是;20倍以上的測(cè)量散粒噪聲限制。因此，我們工作在增益限制的領(lǐng)域，與觀測(cè)的變化表示著密切的估計(jì)的實(shí)際激光器噪聲。最大增益，我們可以采用由環(huán)路帶寬，而這又是有限的受限于AOM的時(shí)間延遲。圖。2，在環(huán)路誤差信號(hào)鎖定狀態(tài)下的分析。通過一個(gè)RF頻譜分析儀分析（一）錯(cuò)誤信號(hào)，顯示出近150千赫單位增益頻率伺服噪聲磕碰。在低頻率的上升噪聲水平是由于在射頻頻譜分析儀。（二）FFT下2鎖定條件的誤差信號(hào)的分析。還示出了電子噪聲與光的基座的水平。直接從檢測(cè)器獲得的信號(hào)含有約兩個(gè)頻率

11、的噪聲（在下面的腔拐角頻率傅立葉頻率）和相位噪聲（在傅立葉頻率高于所述腔的轉(zhuǎn)角頻率）的信息。我們已經(jīng)使用了空腔響應(yīng)函數(shù)的相位噪聲轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率的噪聲頻譜。 來確定激光的相干線寬，我們轉(zhuǎn)換成頻譜密度相位噪聲譜密度和計(jì)算累計(jì)rms相位方差。一體化的第一部分進(jìn)行從1 MHz（其中測(cè)得的噪聲接近散粒噪聲極限）到10千赫，而所產(chǎn)生的相位變化小于。這是由于以下事實(shí)該快速頻率波動(dòng)有小的階段調(diào)制指數(shù)，因此轉(zhuǎn)換只是一個(gè)微不足道的載波功率與噪聲邊帶的一部分。低于10 kHz的高頻噪聲譜密度（ASF）大致持平于。小幅波動(dòng)導(dǎo)致0.28 Hz的激光線寬相對(duì)于所述腔體中的，鑒于（8 ）DN激光。當(dāng)反饋增益掉頭向下，激光

12、的快速上升的高頻噪聲在低頻率范圍內(nèi)當(dāng)然變得可見。于該反饋環(huán)路的增益足夠的情況下高一可以完全抑制原激光噪音，并且可以通過與測(cè)量噪聲更換伺服。換句話說，ASF5 DN腔/（S / N），其中 DN腔腔線寬（HWHM）和S/ N表示約腔共鳴恢復(fù)的信息的質(zhì)量。 與FM邊帶技術(shù)測(cè)量噪音可以接近它的最小可能值時(shí)，基本的散粒噪聲極限。半實(shí)物仿真和派生的散粒噪聲限制的激光頻率的理論值,根據(jù)反饋的噪聲頻譜密度： 這里的光功率P 50.3毫瓦，檢測(cè)器的響應(yīng)H 50.4 A / W，腔體的共振傳輸效率 Tcavity520，J050.96，J150.2（零和一階貝塞爾函數(shù)）為0.4調(diào)制指數(shù)在4 MHz。根據(jù)這些參數(shù)

13、，ASF計(jì)算為0.3 mHz/Hz1/2;比測(cè)量更小的1000倍值。當(dāng)前系統(tǒng)的改善將需要更好的光電隔離和更廣泛的伺服帶寬。 盡管如此，100 kHz以下的激光的固有噪聲已經(jīng)通過伺服作用大大減少。因此，我們可以得出結(jié)論： 大部分的噪聲加在VCO通過閉環(huán)反饋，而最接近的激光的內(nèi)在噪聲。有關(guān)的頻率的噪音從而資訊自由運(yùn)行激光器很容易從的讀出對(duì)AOM-VCO。建立一個(gè)參考電平的特性VCO頻率的噪聲被第一計(jì)量，而不激光腔的鎖定。 VCO的噪聲增加時(shí)，AOM的使用的伺服環(huán)路中清楚地反映了相對(duì)激光和腔體之間的噪聲。為了能夠估計(jì)激光器的參數(shù)，我們則需要考慮參考腔的噪音。 腔體位于一真空腔室內(nèi)部那同時(shí)提供熱和振動(dòng)

14、隔離。然而，腔體的穩(wěn)定性由PZT略微降低安裝鏡，這是必要的，掃描出來的分子共振。我們使用一個(gè)低噪聲，高電壓的PZT 一個(gè)60赫茲范圍內(nèi)噪聲密度驅(qū)動(dòng)器 頻帶.（10）考慮到PZT通過掃描一個(gè)腔的自由光譜范圍（318.3兆赫）與500伏， 因此，由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的附加噪聲估計(jì)在。當(dāng)腔長度穩(wěn)定在一個(gè)分子躍遷，在其中我們使用的帶寬在PZT當(dāng)然最終由伺服回路決定的。由于無源諧振腔的模態(tài)頻率不有很多快速波動(dòng)，其長期漂移可穩(wěn)定時(shí)， VCO噪聲可以被用來推導(dǎo)出自由運(yùn)行激光器的頻率噪聲。圖3比較所計(jì)數(shù)的VCO頻率的Allan方差下鎖定和自由運(yùn)行的條件。圖表明本征VCO頻率波動(dòng)的幾百赫茲的順序。然而，當(dāng)激光被鎖定

15、在空腔中，VCO具有由幾來改變千赫茲到幾十千赫茲的，使得激光的噪聲可以得到補(bǔ)償。在很短的時(shí)間尺度上，如的激光頻率的噪音大約是（ 2占的事實(shí)因素，AOM的是雙傳遞） 。噪音下降到于幾十毫秒的平均化。 在激光的相干線寬而言，我們注意到這么快的頻率波動(dòng)不會(huì)累積成因?yàn)檫@樣做的慢得多的波動(dòng)隨機(jī)相位噪聲。例如， 20 kHz于有貢獻(xiàn)的高頻噪聲小于1弧度均方根相位偏移。然而， 10 - 在1 ms千赫頻率的噪聲引起的隨機(jī)相位偏移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1弧度，以及連貫的定義線寬不再有效。根據(jù)圖。 3 ，線寬的（弧度）斷點(diǎn)似乎是<0.1毫秒，并且高頻噪聲有。我們可以驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果，使用不同的測(cè)量戰(zhàn)略。我們直接比較VCO的

16、線寬本身根據(jù)鎖定，自由運(yùn)行的條件。壓控振蕩器的標(biāo)稱頻率是80兆赫，這是下變頻用的頻率合成器，以50千赫FFT分析。圖4示出的急劇變化VCO的線寬為的情況下，其中的反饋增益激光腔鎖從零增加到最大。為20 kHz的載波VCO這種擴(kuò)大線寬可直接關(guān)系到原有的線寬自由運(yùn)行激光器 。分辨率帶寬為1kHz，對(duì)應(yīng)于一個(gè)平均時(shí)間0.16毫秒。原始的VCO載波的功率下降，由于其能量的損失成相位噪聲波動(dòng)的影響，在VCO使得以補(bǔ)償激光器噪聲時(shí)間，然后將激光器的漂移接管較長的測(cè)量時(shí)間。圖。3，AOM-VCO頻率的根Allan方差。帶圓圈的曲線表示在自由運(yùn)行狀態(tài)下VCO的頻率的噪音。帶有正方形的曲線示出了增加的VCO頻率

17、噪聲，其中VCO被用在伺服糾正激光頻率噪聲的情況。這兩條曲線之間的差別表示直接測(cè)量激光頻率噪聲。、圖。鎖定和自由運(yùn)行的條件下在VCO線寬4比較。80-MHz的VCO頻率是混合到50千赫在1-kHz分辨率帶寬FFT分析。原VCO線寬不是由1 kHz的帶寬解決。當(dāng)VCO用于將激光鎖定到空腔中，線寬增加到;20KHz。 激光長期穩(wěn)定這種激光腔系統(tǒng)是由乙炔分子填充在空腔的內(nèi)部。所涉及的過渡是一個(gè)泛音振動(dòng)line11 ： ，位于1031.6528 nm處，用0.59mD（ 1德拜躍遷偶極矩） 。對(duì)于高分辨率頻率計(jì)量的目的，我們通常使用的腔內(nèi)氣體壓力 1- 10毫托（1 Torr =133 Pa）對(duì)于3-

18、m Torr樣品氣體，我們通過46.9厘米長腔（計(jì)量其線性吸收單通）為，這導(dǎo)致了的吸收系數(shù)。本腔具有共振的20 ，這是降低了傳輸效率附近多普勒輪廓峰（的對(duì)比2.9 ）。對(duì)于子多普勒分辨率，我們使用一個(gè)事件0.45mW，并且在空腔功率積聚的電源3.2 W內(nèi)，具有的傳輸可用。是與所獲得的飽和吸收共振飽和度參數(shù)S的0.6 。可以得到的線寬通過采取的總和的分子過渡渡越時(shí)間和碰撞增寬因子和由上電展寬因子乘以這個(gè)數(shù)字。（與振動(dòng)躍遷相關(guān)的自然線寬是1千赫的量級(jí)。 ）的渡越時(shí)間的限制自由飛行線寬為270 kHz時(shí)，由腔決定束腰。的壓力加寬率，德寧率測(cè)定乙炔的另一泛音過渡，圖6是;。飽和度參數(shù)可以推斷無論從線寬

19、變寬（）或的飽和孔對(duì)比度（）就腔內(nèi)功率。 其中最靈敏的技術(shù)用于吸收測(cè)量已經(jīng)制定了我們以前的研究噪聲免疫腔增強(qiáng)的光學(xué)外差分子光譜（NICE-OHMS）.(6)我們結(jié)合在FM光譜學(xué)與腔增強(qiáng)以下面的方式：輸入激光束是頻率調(diào)制精確地在腔的自由光譜范圍（見EOM2圖1中）。透射的光通過空腔保持其純粹的調(diào)頻特性及其外差檢測(cè)（通過共振光檢測(cè)器，圖7中標(biāo)記PD 2 。 1 ）不敏感，任何（小）激光和腔之間的相對(duì)頻率的噪音。一個(gè)有用的信號(hào)產(chǎn)生的調(diào)頻組件，當(dāng)一個(gè)是相移或衰減腔內(nèi)分子分散和吸收。為了進(jìn)一步抑制在這種高頻調(diào)制的噪聲解調(diào)通道，我們猶豫不決的腔長（ 200千赫峰峰值）在低音頻頻率，我們用一個(gè)鎖定放大器來檢

20、測(cè)信號(hào)之后的高頻RF解調(diào)。的回收的線的形狀信號(hào)跟隨調(diào)制拓寬衍生的dispersion.12圖5（a ）示出了一個(gè)代表性的解調(diào)后的信號(hào)，通過利用平均化而得到的跟蹤50毫秒的時(shí)間常數(shù)，與操作參數(shù)上面列出。該信號(hào)具有的FWHM500KHz，其中包括抖動(dòng)的貢獻(xiàn)。與估計(jì)在飽和吸收水平，得到的S / N比歸一化到1秒是940 ，導(dǎo)致了的等效噪聲檢測(cè)靈敏度集成的吸收。這樣的結(jié)果是，上述的13倍計(jì)算出的散粒噪聲限制。（6） 以穩(wěn)定的分子過渡腔長，我們首先需要獲得足夠的反對(duì)稱通過使用二次諧波歧視線形狀檢測(cè)從鎖定放大器。由此產(chǎn)生的分子誤差信號(hào)被顯示在圖5（b）所示。該誤差信號(hào)經(jīng)過伺服環(huán)路濾波器并到達(dá)PZT驅(qū)動(dòng)器，

21、其控制腔長度。這樣做的質(zhì)量信號(hào)設(shè)置的頻率標(biāo)準(zhǔn)偏差激光伺服帶寬內(nèi)腔系統(tǒng)。顯然，這種帶寬需要保持，因?yàn)榈驮谟邢薜腟 / N比的分子信號(hào)的。希望過多的測(cè)量噪聲寫回到激光腔系統(tǒng)。在下面的討論中，我們提出的準(zhǔn)則設(shè)置合適的分子伺服帶寬。圖。5的（a）內(nèi)腔飽和吸收C2H2的信號(hào)（3n個(gè)3個(gè)）R（29）轉(zhuǎn)變?yōu)?031.653納米，具有三毫樣本氣體;飽和吸收，0.07 ppm的; FWHM;500千赫的檢測(cè)靈敏度歸一化，以1秒為6.4綜合吸收310211（b）從該相同的分子過渡，用于穩(wěn)定化的激光腔系統(tǒng)衍生的反對(duì)稱誤差信號(hào)。 假設(shè)分子共振具有DN摩爾的HWHM線寬，并且被回收以在1秒的S / N比（S / N）1秒。如果我們用B的