基于自制超穩定F-P腔壓窄632.8 nm外腔半導體激光線寬的實驗研究

郭松杰，周月婷，吳永前，周曉彬，田建飛，趙 剛，馬維光*，董 磊，張 雷，尹王保，肖連團，賈鎖堂

1.量子光學與光量子器件國家重點實驗室，山西大學激光光譜研究所，山西 太原 030006 2.中國科學院光電技術研究所,四川 成都 610209 3.山西大學極端光學協同創新中心，山西 太原 030006

引 言

隨著科學技術的發展，激光作為一種成熟光源已經被廣泛應用于各個領域，與普通光源相比，激光具有方向性好、單色性好、亮度高等優點。但是自由運轉的激光器無法滿足一些要求更高的光電檢測領域應用，如：相干通信、精密測量、光學頻率標準、吸收光譜計量以及光與物質相互作用研究等。多普勒展寬測溫技術(DBT)是通過測量氣體多普勒展寬吸收光譜的半寬來確定玻爾茲曼常數kB，光譜測量的精度直接決定kB的準確度，而光譜精度主要是由激光頻率的精度確定的，為了獲得高質量的頻率基準，超窄線寬激光的選擇就是其必要條件[1]。另外作為目前氣體檢測靈敏度最高的噪聲免疫腔增強光外差分子光譜(NICE-OHMS)技術，在多普勒展寬光譜機制下已獲得了2.3×10-13cm-1·Hz-1/2的探測靈敏度，且達到了散粒噪聲極限噪聲水平的1.44倍，為了進一步提高測量靈敏度，壓窄激光線寬就顯得非常必要[2]。光學元件作為光學儀器的重要組成部分，其加工質量直接影響儀器的產品性能[3]。面形誤差是光學元件的一個重要參數，檢測面形誤差最常用的方法有單光路干涉法和雙光路干涉法[4]。前者由于被測光學平面和光學樣板接觸，容易對光學平面造成損傷，難以實現無破損在線測量。泰曼-格林技術[5]作為邁克爾遜干涉技術[6]的一種變形，由于其在激光線寬之內的各種波長的光都會各自產生一組干涉條紋，這就導致除零級條紋以外，其余各級條紋間也會發生位移和重疊，使得最終的干涉條紋對比度下降，從而引入測量誤差。為了進一步提升基于雙光路干涉技術對光學元件面形誤差的測量精度，需要有效壓窄主激光源的線寬。

壓窄激光線寬通常需要將激光頻率鎖定到某一頻率參考來實現，頻率參考一般有兩種，一種是分子(或原子)的躍遷譜線中心頻率[7]；另一種是F-P腔的共振頻率[8]。當采用第一種參考時，最大優點是長期穩定性好，但由于譜線本身具有一定的展寬，影響激光線寬的壓窄程度，使得短期頻率穩定性較差。將激光頻率鎖定在F-P腔腔模上，由于頻率參考的寬度可以控制，能獲得很好的鑒頻特性譜線，可以大大壓窄激光線寬，具有良好的短期頻率穩定性，另外參考頻率可以任意改變，但是需要特殊設計來提高頻率的長期穩定性[9]。

為了實現激光到高精細度F-P腔的頻率鎖定，可以采用光學反饋或者電子學反饋兩種技術來實現，前者主要應用于半導體激光器，將腔的反射信號反饋給激光輸出端面，在一定條件下可以實現激光到腔模的頻率鎖定，而后者常采用主動負反饋的方式將誤差信號反饋給激光頻率的電壓控制端。Pound-Drever-Hall (PDH)鎖頻技術[10-11]是最有效的激光到F-P腔的頻率鎖定技術之一。該技術采用頻率調制原理，在高頻下探測誤差信號，避免了低頻噪聲的影響，大大提高了誤差信號的信噪比和鎖定性能。為了實現任意頻率的線寬壓窄，本文將632.8 nm激光鎖定到F-P腔腔模，考慮到進一步提高系統的頻率穩定性，將F-P參考腔放置于真空氣室內，并采取了溫度控制和隔振措施?；谝陨显O計，將該激光器的線寬從300 kHz壓窄到10 kHz量級。因此本窄線寬激光產生系統的研制包括了超穩腔的設計、光路設計、ECDL的頻率控制以及系統的集成四個部分。

1 實驗部分

1.1 窄線寬激光產生裝置

整套窄線寬激光產生的實驗裝置如圖1所示，圖1左上角為該系統的實物圖。首先，激光源采用德國Toptica公司的DL-Pro型外腔光柵反饋半導體激光器，輸出中心波長為632.8 nm，波長調諧范圍約為6 nm，自由運轉狀態下輸出激光線寬約300 kHz，無跳模調諧范圍大于5 GHz，輸出功率30 mW。然而由于632.8 nm波段的激光二極管性能不如常規波段的管子，導致這個波段的ECDL激光器性能不穩定，無跳模范圍較窄，且容易跳模，極大的限制了本系統對激光線寬的壓窄能力。由該激光器輸出的632.8 nm激光通過一個1∶1光纖分束器(PN635R5A1，Thorlabs)被分為兩束，一束直接輸出，作為以后應用的光源。另一束用來耦合到F-P腔，獲得激光到腔模頻率鎖定的誤差信號。用于頻率鎖定的激光首先經過一個40 dB空間光隔離器(IO-2D-633-VLP，Thorlabs)，來降低F-P腔反射光對激光器的反饋；然后經過一個二分之一波片(λ/2)來調節激光的偏振方向，使得激光能高效通過偏振分束棱鏡(PBS)；λ/2波片和PBS中間放置一個焦距為500 mm的凸透鏡，用于完成激光到F-P腔的模式匹配；由PBS和一個四分之一波片(λ/4)構成環形器來提取腔前鏡的反射光信號，并由光電探測器PD1(PDA10A-EC，Thorlabs)探測；F-P腔的透射光信號由PD2(PDA10A-EC，Thorlabs)探測，用于監視頻率鎖定狀態。

圖1 窄線寬激光產生的實驗裝置圖Fig.1 Experimental setup of narrow linewidth laser

1.2 超穩定F-P腔設計

本系統采用一個自制的高精細度F-P腔，該腔腔體采用膨脹系數在10-6K-1量級的微晶玻璃，腔長為100 mm，直徑為50 mm，自由光譜區1.5 GHz。腔體兩端用真空膠粘貼高反鏡，兩片高反鏡分別為一片平面鏡和一片曲率半徑為1 000 mm的凹面鏡，鏡片材料是熔融石英。兩片高反鏡的表面鍍膜完全相同，鏡片在632 nm處的0°反射率為99.988 5%±0.003 5%，透射率約為0.01%，腔精細度為27 000[12]，以此計算可得腔模線寬為55 kHz。超穩腔的機械結構示意圖及剖面圖如圖2所示。

圖2 超穩腔機械機構示意圖Fig.2 Schematic diagram of super stable cavity mechanical mechanism

雖然F-P腔腔體的膨脹系數極低，但是外界的溫度變化、機械振動、空氣流動等因素還是會對F-P腔腔模頻率造成一定的影響，難以實現穩定的頻率輸出，所以系統采取了一系列措施來克服這些因素的影響，使之成為超穩定F-P腔(簡稱超穩腔)。首先，為了減少聲音噪聲、空氣對流以及環境溫度變化對腔長的影響[13]，我們將F-P腔放置于真空度為10-5torr的不銹鋼真空腔室中?？紤]到真空環境中的熱量是以輻射方式傳遞，同時為了進一步降低熱輻射對F-P腔的影響，在其外側安裝了一個用無氧銅材料制成的輻射屏蔽腔，其表面鍍有厚度為0.25 μm的金膜，目的是提高輻射屏蔽腔對熱輻射的反射效率。實驗前期，我們發現電鍍的外層金膜在真空環境里有揮發現象，為了防止揮發的金膜附著在腔鏡以及真空室的法蘭窗片上，將鍍金的屏蔽輻射腔放入烘烤箱里烘烤，使容易揮發的外層金膜在高溫下先揮發掉?？紤]到隔離機械振動，我們將F-P腔的腔體環繞兩個硅橡膠圈放置于該輻射屏蔽腔內，輻射屏蔽腔與真空室之間也用硅橡膠圈隔開。該輻射屏蔽腔不僅可以屏蔽熱輻射，避免真空室的溫度變化以熱輻射的形式直接作用于F-P腔，進一步提高超穩腔的溫度控制效果，同時在真空系統充放氣過程中還可以起到保護F-P腔的作用。為了更進一步獲得高穩定度的腔模，還需要對真空室進行主動控溫[14]。由于系統中F-P腔放置于真空室中，不能直接對F-P腔進行溫度控制，所以我們的控溫對象是整個真空腔室，真空腔室外設計有鋁結構件，使其緊密貼合腔室，通過對鋁塊的溫度控制來實現對真空室的溫度控制。阻值10 kΩ的熱敏電阻放置于鋁塊側面的開孔里，與鋁塊緊密接觸，實時讀取真空室的溫度。四塊相同的額定電壓12 V、額定電流2 A方形半導體制冷片分別貼于鋁塊的上下表面，為鋁塊均勻加熱。采用一個額定功率250 W的溫度控制器驅動半導體制冷片，設置溫度控制器，將真空室的溫度控制在25 ℃，溫度穩定度為±0.01 ℃。為了保證制冷片的良好散熱，獲得穩定的溫度控制效果，不引入額外的振動和噪聲，制冷片采用水冷散熱的方式進行散熱。為了減少超穩腔與空氣進行熱交換，用隔熱棉將超穩腔緊密包裹。最后，將激光器、超穩腔和光路部分集成到一個機箱里，放置于隔振平臺上，進一步降低外界振動的影響。通過以上一系列措施，可以大大減小外界環境對F-P腔產生的影響，提高鎖定性能。

1.3 ECDL激光器到超穩腔的頻率鎖定

我們采用PDH鎖頻的方法完成ECDL激光器到超穩腔的頻率鎖定，在鎖定過程中，誤差信號經過PID控制模塊后同時反饋控制兩部分：激光器的電流和光柵上的壓電陶瓷(PZT)。電流負責高頻部分反饋控制，壓電陶瓷負責低頻部分反饋控制。頻率反饋控制的硬件部分主要包括反射光路、調制解調單元(PDD 110)、PID控制單元(FALC 110)和高壓放大器單元(DCB 110)。具體過程為PDD 110單元產生18 MHz的正弦波調制信號，輸入到ECDL激光器的電流AC端口，對激光器的電流進行頻率調制。反射光路探測器PD1接收的信號送到PDD 110單元進行解調，產生誤差信號。誤差信號送到FALC 110單元后被分為慢速環路和快速環路。慢速環路連接DCB 110的PZT控制端，控制激光器反饋光柵上的PZT，快速環路連接激光器電流DC輸入端，控制激光器的電流。通過慢速和快速兩路鎖定，完成寬帶寬的頻率反饋控制，保證良好的鎖定性能。

2 結果與討論

圖3(b)和(c)分別表示激光頻率掃描狀態下的F-P腔誤差信號和透射信號。激光控制器的掃描模塊產生高壓三角波，直接掃描激光器的PZT，改變激光器的輸出頻率。當激光頻率與F-P腔共振時，在透射端可以觀察到腔模信號，如圖3(c)所示，在每個透射峰的兩側，可以看到兩個幅度比較小的調制邊帶，圖3(b)為控制器PDD 110單元對PD1探測的F-P腔反射信號解調產生的誤差信號。圖3(a)為與激光控制器掃描信號同周期的方波觸發信號。由于激光控制器產生的三角波掃描信號為高壓信號，無法直接在示波器上監視。

圖3 掃描狀態(左)及鎖定狀態(右)的腔透射信號和誤差信號(a)：掃描觸發信號；(b)：掃描狀態下的誤差信號；(c)：掃描狀態下腔透射信號； (d)：掃描關閉后的觸發信號；(e)：鎖定狀態下的誤差信號；(f)：鎖定狀態下腔透射信號Fig.3 Cavity transmission signal and error signal of scanning state (left) and locked state (right)(a)：Scan trigger signal；(b)：Error signal in scanning state；(c)：Cavity transmitted signal in scanning state； (d)：Trigger signal in scan off；(e)：Error signal in locked state；(f)：Cavity transmitted signal in locked state

圖3(e)和(f)分別表示鎖定狀態下的F-P腔誤差信號和透射信號，此時用以掃描波長的三角波信號關閉。對比圖3(c)，從圖3(f)可以看到頻率鎖定之后透射光的光強比腔模的峰值略高，說明已經將激光頻率鎖到了腔模中心。之所以鎖定后功率噪聲較大，主要是因為頻率伺服帶寬不夠寬，百kHz段增益不夠大。圖3(d)表示鎖定狀態下控制器輸出的觸發信號。由于頻率噪聲的影響，由圖3(e)表示的誤差信號在零點附近抖動。

誤差信號的功率譜可以用來表征系統鎖定性能，圖4(a)顯示了激光頻率鎖定到F-P腔后，用頻譜分析儀(FSW Signal &Spectrum Analyzer 2 Hz～13.6 GHz，Rohde&Schwarz)測量的圖3(e)所示的誤差信號頻譜。圖4(a)中中心主峰為18 MHz調制頻率，從最外側峰距離主峰的間隔可以看出，鎖定帶寬約為1 MHz。低頻范圍內的噪聲抑制是通過反饋控制PZT來實現的，而高頻噪聲抑制則是通過反饋控制電流調制端實現。其中對PZT的反饋控制為一個單積分，其積分速度為80 dB·s-1。用于電流調制端反饋的PID波特圖如圖4(b)和(c)所示，可見在10 MHz范圍內相位皆小于100°，說明由圖4(b)所示的增益以負反饋形式完全加載到了電流調制端。這里的0 dB增益與圖4(a)的帶寬不一致是因為帶寬是由總開環傳遞函數0 dB增益決定的。

圖5(a)表示掃描狀態下測量的誤差信號，在信號上加載的高頻振蕩為沒有解調干凈的18 MHz調制頻率信號，可以得到誤差信號的峰峰值Vpp約為0.34 V。依照洛倫茲函數的色散和吸收信號關系，峰峰值對應的光頻率差約等于腔膜線寬55 kHz，可以計算在零電壓偏置處PDH誤差信號幅度對頻率的響應為55 kHz/0.34 V，即162 kHz·V-1。該誤差信號經FALC 110單元反饋給PZT輸入端與電流調制端，完成激光器頻率到高精細度F-P腔膜頻率的鎖定。為了評估激光到腔模中心位置的相對頻率噪聲水平，在100 sample·s-1的采樣率下記錄鎖定20 s時長的誤差信號，如圖5(b)所示。根據頻率響應關系將電壓噪聲轉換為頻率噪聲，再對頻率噪聲進行統計分析，并用高斯函數對其進行擬合，得到激光相對于參考腔的頻率相對偏差數值，結果如圖6所示。

圖6 鎖定后誤差信號的頻率分布統計Fig.6 Frequency distribution statistics of error signals after locking

圖中紅線為高斯線型擬合結果，可以得到頻率相對標準偏差為7.3 kHz?？紤]到標準偏差和高斯函數半寬的關系，其線寬約為17.2 kHz，由于處于溫控和真空系統中的F-P腔腔模頻率噪聲在Hz量級，因此該數值近似為此時激光器輸出激光的線寬值。

為了測量鎖定之后激光頻率的長期穩定性，我們采用波長計(WS7-60，Highfinesse)對激光頻率進行了12 h的連續測量，頻率漂移情況如圖7所示，漂移量約為30 MHz。從圖中可以看出，鎖定之后的激光頻率向一個方向漂移，這是由于作為參考的F-P腔腔長在發生微小的變化，這與我們采用的微晶玻璃材料性能有關。

圖7 頻率鎖定后連續12 h的頻率漂移Fig.7 Frequency drift for 12 consecutive hours after frequency lock

3 結 論

為了獲得高質量的激光光譜測量精度以及干涉法測量光學面型的測量精度，本文基于自主設計的超穩定F-P腔，實現了外腔半導體激光器線寬的有效壓窄。通過對自制的高精細度F-P腔采取溫度控制、真空密封、隔振處理等措施，大大減小了聲學噪聲、機械振動、環境溫度變化以及空氣對流對F-P腔的影響。采用PDH鎖頻技術，將外腔半導體激光器的頻率鎖定到了自制的超穩腔腔模，鎖定帶寬被拓展到了1 MHz。通過對誤差信號等的分析，輸出激光的線寬約在17.2 kHz，系統穩定，可以實現大于12 h的連續鎖定，頻率穩定度為30 MHz/12 h。