激光器的稳定

2021-02-23 17:00:26 浏览:999

定义

应用于激光器中来提高激光器输出光功率、频率或其它量的稳定性。

激光器存在各种激光器噪声,在实际应用中很不利,因此需要采用一些技术抑制噪声并且稳定激光器的参数。下面讨论主动和被动激光稳定机制。

主动激光稳定

主动稳定机制包含一些电子反馈系统(或者正反馈系统),参数的涨落转化为电子信号,然后在以某种形式作用于激光器。

图 1 二极管泵浦的固态激光器,采用了反馈系统来稳定输出功率。

主动稳定机制有以下例子:

1、可以采用如图1所示的示意图来稳定激光器的输出功率。采用光电二极管控制激光器功率,然后通过控制激光谐振腔中或者外部的泵浦功率和损耗来校正功率。采用这种方法,可以同时减小开通电源产生的尖峰效应以及稳态时的强度噪声。这里需要注意的是,作用于输出光束而不是激光器本身可以减小强度噪声。

2、通过控制谐振腔长度可以稳定单频激光器的光频率,或者锁模激光器频率梳中的频率。获得反馈信号有几种方式,例如,通过记录第二个激光器的拍音,或者测量一个非常稳定的参考腔或者干涉仪的透射和反射,或者采用无多普勒效应光谱学方法测量吸收池的透射率等。常用的采用参考强产生信号的方法是Pound-Drever-Hall方法[2,3],它将弱相位调制的光传送到参考腔。另一个不需要调制的机制为Hansch-Couillaud方法[1]

3、稳定载波包络相位偏移或者锁模激光器频率可以采用,例如,先用f-2f干涉仪测量相位,然后通过激光器谐振腔中的楔形物或者倾斜镜子产生反馈光。这种稳定方法在频率测量中非常重要。

4、锁模激光器的脉冲计时可以通过对比光二极管信号与参考的电子振荡器来控制,然后通过控制腔长来稳定脉冲。

5、通过测量光束位置(例如,采用四象限的光电二极管)可以稳定输出光束的指向,然后采用压电控制的谐振腔镜纠正它。

主动系统能得到的稳定性由光电探测噪声,控制器件的带宽,反馈电路的设计和参考物的稳定性(例如,光参考腔)等因素决定。

被动激光稳定

被动稳定机制不需要电子学器件,只是采用纯光学效应。例如:

  • 可以采用稳定的参考腔的反馈光来稳定激光器的频率。(即可以认为是采用了另一个激光谐振腔,组成一个复合腔)
  • 可以通过克尔介质的交叉相位调制效应使两个锁模激光器同步,腔内的两束脉冲在介质中相遇。

也可以采用注入锁定来稳定激光器的频率,也就是将另一个激光器中产生的具有非常稳定频率的光束注入到谐振腔中。

参考文献

[1] T. W. Hänsch and B. Couillaud, “Laser frequency stabilization by polarization spectroscopy of a reflecting reference cavity”, Opt. Commun. 35 (3), 441 (1980) (Hänsch–Couillaud technique)
[2] R. W. P. Drever, J. L. Hall et al., “Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator”, Appl. Phys. B 31, 97 (1983)
[3] G. C. Bjorklund et al., “Frequency-modulation spectroscopy”, Appl. Phys. B 32 (3), 145 (1983)
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[5] J. Dirscherl et al., “A dye laser spectrometer for high resolution spectroscopy”, Opt. Commun. 91, 131 (1992)
[6] T. Day et al., “Sub-hertz relative frequency stabilization of two diode laser-pumped Nd:YAG lasers locked to a Fabry–Pérot interferometer”, IEEE J. Quantum Electron. 28 (4), 1106 (1992)
[7] N. Uehara and K. I. Ueda, “193-mHz beat linewidth of frequency-stabilized laser-diode-pumped Nd:YAG ring lasers”, Opt. Lett. 18 (7), 505 (1993)
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[9] S. Seel et al., “Cryogenic optical resonators: a new tool for laser frequency stabilization at the 1 Hz level”, Phys. Rev. Lett. 78 (25), 4741 (1997)
[10] Y. Shevy and H. Deng, “Frequency-stable and ultranarrow-linewidth semiconductor laser locked directly to an atom-cesium transition”,Opt. Lett. 23 (6), 472 (1998)
[11] B. C. Young et al., “Visible lasers with subhertz linewidths”, Phys. Rev. Lett. 82 (19), 3799 (1999)
[12] S. Kasapi et al., “Sub-shot-noise frequency-modulation spectroscopy by use of amplitude-squeezed light from semiconductor lasers”, J. Opt. Soc. Am. B 17 (2), 275 (2000)
[13] E. D. Black, “An introduction to Pound–Drever–Hall laser frequency stabilization”, Am. J. Phys. 69 (1), 79 (2001)
[14] F. W. Helbing et al., “Carrier–envelope offset phase-locking with attosecond timing jitter”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9 (4), 1030 (2003)
[15] St. A. Webster et al., “Subhertz-linewidth Nd:YAG laser”, Opt. Lett. 29 (13), 1497 (2004)
[16] H. Stoehr et al., “Diode laser with 1 Hz linewidth”, Opt. Lett. 31 (6), 736 (2006)
[17] F. Seifert et al., “Laser power stabilization for second-generation gravitational wave detectors”, Opt. Lett. 31 (13), 2000 (2006)
[18] F. Kéfélian et al., “Ultralow-frequency-noise stabilization of a laser by locking to an optical fiber-delay line”, Opt. Lett. 34 (7), 914 (2009)
[19] P. Kwee et al., “Shot-noise-limited laser power stabilization with a high-power photodiode array”, Opt. Lett. 34 (19), 2912 (2009)
[20] N. Satyan et al., “Phase noise reduction of a semiconductor laser in a composite optical phase-locked loop”, Opt. Eng. 49 (12), 124301 (2010)
[21] P. Kwee, B. Willke and K. Danzmann, “New concepts and results in laser power stabilization”, Appl. Phys. B 102 (3), 515 (2011)
[22] R. Paschotta, “Noise in Laser Technology”. Part 1 – Intensity and Phase Noise; Part 2: Fluctuations in Pulsed Lasers; Part 3: Beam Pointing Fluctuations

参阅:激光器噪声、强度噪声、尖峰效应、相位噪声、线宽、激光功率稳定系统、激光器、注入锁定、载波包络偏移、频率梳、频率测量、方法

涨落和噪声

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