作者简介
李文奎,硕士毕业于山西大学光电研究所量子测量和通信实验室(QMC),主要研究非经典光场和量子测量方向。所在团队为山西大学郜江瑞老师课题组。
PDH边带技术是八十年代发展起来的稳频技术,这种技术可以用于激光光源的稳频,也可用于锁定光学谐振腔,如模式清洁器、光学参量振荡腔等[3]。PDH技术基本原理为:以激光器的共振频率作为参考频率标准,利用相位调制技术对入射激光位相进行调制,在激光中心频率两侧各产生一个边频带,经参考谐振腔反射后的光信号与调制信号相比较并滤波放大后,得到激光频率偏离参考腔共振频率的误差信号,利用误差信号驱动反馈控制系统调节谐振腔腔长使激光频率稳定在激光器的共振频率上。同理,若以外部谐振腔的频率为标准,也可实现对激光器频率的锁定。
我们以激光频率作为标准,将光学谐振腔的频率锁定在激光器的频率上,其基本原理如图所示:
稳频激光器输出单纵模稳频激光,经隔离器后进入电光调制器,高频信号源(RF)通过电光调制器(EOM)对激光进行相位调制产生边带。在原来的频率左右,调制出两个边带频率,设原频率(载频)功率Pc、边频功率Ps、总功率P0,调制后的光场被注入到F-P腔内,由探测器(D)接收后,其探测到的交流信号与本地射频源混频,然后经低通滤波器(BLP)后获得误差信号,如果F-P腔共振频率与激光固有频率不同时,两边带被F-P腔反射的强度不相等,它们与载频产生拍频后的信号相位相反,而大小不相等,故误差信号不再为零。这一误差信号再进入伺服控制系统(PID),最后反馈到F-P腔的压电陶瓷PZT上,以调整F-P的腔长直到与激光器的频率完全共振。
Ω为调制频率,β为调制深度,当Ω为低频时,其误差信号为:
其中,F为腔精细度,为光频率。当Ω为高频时,其误差信号为:
δv为腔线宽。高频低频是取决于调制频率与腔线宽的比较。腔的线宽是腔自由光谱区与腔精细度的比值。故当调制频率Ω改变时,会引起误差信号的变化,下面两图分别是Ω为低频和高频时的误差曲线,误差信号斜率最大处对应于F-P腔的共振峰,我们就是要实现在共振峰处的锁定,此时F-P腔腔长与激光中心频率共振。从误差随频率的变化可以看出,对低频调制和高频调制,在中心频率处误差信号都与频率成线性关系,而反馈控制正是依靠这段区域来锁定谐振腔的腔长,使其满足共振条件而透射输出。
图2.Ω为低频(上)和高频(下)时的误差曲线。
我们可以通过将调制信号分出一路进行相位延迟,使之与F-P腔的透射光信号位相匹配然后进行混频和滤波,则只有该光信号的Ω项混频后能产生直流项误差信号,即所谓解调;将误差信号注入伺服控制系统进行检测控制,伺服控制系统由PID(比例积分微分器)构成,PID是一种线性控制器,用于实时对测量值和输出值进行比较运算,通过监测误差信号斜率最大处,即所谓误差信号线性动态范围内信号幅度变化,进行比例积分减少误差,最后将负反馈信号作用于光学腔体的压电陶瓷上,调节腔长使激光频率与腔体共振频率相同。
参考文献
[1]刘志强,刘建丽,翟泽辉.激光稳频技术的研究及进展[J].量子光学学报,2018,24(02):228-236.
[2] Drever R , Hall J L , Kowalski F V , et al. Laser Phase and Frequency Stabilization Using an Optical Resonator[J]. Applied Physics B, 1983, 31(2):97-105.
[3] 孙恒信. 光的横向小位移的量子测量[D]. 山西大学, 2014.