基于自制超稳定F-P腔压窄632.8nm外腔半导体激光线宽的实验研究

摘要：

窄线宽激光由于其具有单色性好、稳定度高、相干长度长等优点,广泛应用于光电检测领域,包括相干通信、精密测量、光学频率标准、吸收光谱计量以及光与物质相互作用研究等.目前频率稳定的氦氖激光器线宽可以达到M Hz量级,分布反馈式(DFB)光纤激光器线宽可达kHz量级,DFB半导体激光器线宽可以达到M Hz量级,然而光栅反馈半导体激光器可以实现百kHz量级线宽的输出.为了进一步压窄各类激光器线宽,需要通过反馈控制技术来锁定激光到某一频率参考.该研究将自行设计的超稳腔作为频率参考,实现了632.8 nm外腔半导体激光器(ECDL)线宽的有效压窄.本窄线宽激光产生系统的研制包括超稳腔设计、光路设计、ECDL频率控制以及系统集成.超稳腔采用两镜法布里-珀罗腔(F-P腔)结构,腔体是膨胀系数约为10-6 K-1的微晶玻璃,腔镜为一对反射率达99.9885％(±0.0035％)的平面镜和凹面镜.为进一步减小外界环境对F-P腔腔长的影响,需要对腔体进行温度控制,本系统采用四片总功率为96 W的半导体制冷片以及水冷散热设计.同时为了降低声音和空气流动对腔模频率的影响,将F-P腔置于真空度为10-5 torr的真空室中;另外为了有效隔振,腔体与真空室用硅橡胶材料隔离.该系统采用的ECDL为德国Toptica公司的DL pro系列激光器,其具有压电陶瓷(PZT)和电流调制两个频率控制端,响应带宽分别为1 kHz和100 MHz.激光器的频率控制采用了Pound-Drever-Hall(PDH)锁频技术,18 MHz的调制频率加载到激光器的电流调制端,通过对F-P腔的反射信号进行解调获得误差信号,通过两路反馈控制,实现了近1 M Hz的锁定带宽.通过对系统的不断优化,最后将自由运转状态下约300 kHz的激光线宽压窄到了10 kHz量级,并且系统运行稳定,连续12小时锁定的频率漂移量约为30 M Hz.该研究研制的632.8 nm窄线宽激光源不仅可以应用到吸收光谱计量领域,同时也可以在光学面型精密测量领域发挥重要作用.

关键词：窄线宽激光、半导体激光器、超稳腔、频率锁定

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分类号：O433.1(光学)

资助基金：国家重点研发计划项目;山西省1331重点学科建设计划111计划项目;国家自然科学基金项目;山西省回国留学人员科研资助项目;中国科学院大气光学重点实验室开放课题基金项目

在线出版日期：2021-02-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共6页

页码：339-344