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使用光学频率梳实现任意激光频率的锁定 摘要 飞秒光学频率梳在频域上为一列等频率间隔的频率梳齿，在时域上表现为一系列周期性的短脉冲序列。光学频率梳有频率稳定度高，频谱覆盖范围广，脉冲宽度窄的特点。光学频率梳的极高频率稳定度使其在锁定激光频率时有绝对优势。本文主要在搭建实验光路后，重合光学频率梳与待锁定激光探测干涉信号，从而获得拍频信号，再使用锁频模块进行对待锁定激光频率的锁定。 关键词 光学频率梳；待锁定激光；干涉光谱；拍频信号；频率锁定 Using Optical Frequency comb to realize Lock of arbitrary Laser Frequency Abstract Femtosecond optical frequency comb in frequency domain is a series of equal frequency interval frequency comb, in time domain, it appears as a series of periodic short pulse sequences.Optical frequency comb has the characteristics of high frequency stability, wide spectrum coverage and narrow pulse width.The extremely high frequency stability of the optical frequency comb gives it an absolute advantage in locking the laser frequency.In this paper, the optical frequency comb is coincident with the laser to be locked to detect the interference signal after the experimental optical path is built, and the beat frequency signal is obtained, and then the frequency locking module is used to lock the locked laser frequency. Key words Femtosecond optical frequency comb; laser to be locked; Interference spectrum; Beat frequency signal ;frequency lock 目录 第一章 引言………………………………………………………………………………………1 1.1 光学频率梳的发展背景及应用技术 1.2 激光频率的稳定 1.3 本文研究内容 第二章 光学频率梳锁定激光频率的研究 2.1光学频率梳的基本理论 2.1.1 光学频率梳的基本原理 2.1.2 光学频率梳重复频率和偏置频率的控制 2.1.3 简介FC1500-250 2.2 光学频率梳锁定激光频率 2.2.1 光学频率梳和单频激光相干理论 2.2.2 光学频率梳锁定激光频率方案 2.3 锁定激光频率 2.4 小结 第三章 总结和展望 参考文献 致谢 第一章 引言 1.1 光学频率梳的发展背景及应用技术 1960年，第一台激光器问世，之后，激光以其高强度、高单色性和良好相干性等特点被应用于社会发展、科技、国防、经济等多个领域。而飞秒锁模激光器[2]的出现更是促进了精密光谱测量的发展。光学频率梳在频域“梳齿”的特性，使之在测量领域有独特优势。2006年，美国JILA研究所的Hall和德国马普（Max-Planck）研究所的Hansch就因为提出用飞秒光学频率梳建立微波频率与光频率之间的联系，获得了诺贝尔物理学奖。 最早在1978年，Eckstein等人[3]就已有了使用飞秒激光直接测量激光频率的想法，但受到当时激光器性能和锁模技术的限制，最后并没有达到预期测量结果。到1999年，德国马普（Max-Planck）研究所的Hansch小组[4,5]提出了将光学频率梳在频域上谱线分布像梳齿一样的一列光学频率列，将可见光波段到红外光波波段与微波频率联系起来。2000年，Bell实验室的Stentz等人[6]进行飞秒脉冲激光频宽扩展的实验，他们利用微结构光纤，将激光带宽扩展到2倍以上，实现了一个光学倍频程的扩展。同年，Hall小组[7]将激光进行倍频，再利用自参考技术将抖动的偏置频率锁在标准频率上。2004年，美国JILA小组的Jun Ye[8]，使用锁模稳相飞秒激光，测量了大范围、高分辨率的绝对距离。在2006年，Jin等人[9]用光学频率梳作参考，将可协调外腔激光器锁定至光梳，用于测量多波长干涉，得到的频率稳定度为 。 光学频率梳的出现，将连接微波频率和光学频率连接起来，这使光学频率梳不仅仅在高分辨光谱和频率方面有重要应用，在距离测量、探测等多方面也得到了广泛应用，推动多个领域的发展。 1.2 激光频率的稳定 激光器由于各种不稳定因素，其实际输出激光的频率起伏和漂移较大，而在各种精密测量研究中，对激光器输出激光频率的稳定度要求很高，所以对激光进行稳定是极其重要的。通常用来稳定激光器频率的方法是将激光器的中心频率锁定在某个稳定度很高的参考频率上，当输出激光频率偏离参考频率时，通过一个电子伺服反馈系统，控制电流或激光器腔长，将输出激光频率拉回参考频率上。 第一次出现关于激光器稳定频率的文章是在1963年，W.R.C.R 和 D.C.W[10]发表了关于激光器稳频的文章。 在1965年，Koichi Shimoda和Ali Javan首次利用兰姆凹陷法[11]理论实现了激光频率的稳定，得到频率稳定度10-8，频率复现性为10-7。 在 1967 年，第一次出现了饱和吸收稳频法，Paul H. L M 和 L Skolnick[12]提出利用饱和吸收谱线，对激光器频率进行稳定。在 1972年，Wallard 利用饱和吸收谱线的三次倒数来稳定激光频率，他将饱和吸收气室放在谐振腔中，激光频率稳定度达到10-10。1985年，T Yanagawa ,S. Saito等人[13]采用外调制的饱和吸收稳频法稳定激光频率，电光调制器为其外调制器件，实验所用调制频率为140MHz，采样时间为1s时，频率稳定度为7×10-12。1992年，Y. Sakai, I. Yokohama等人[14]采用基于声光调制器的饱和吸收稳频法稳定激光频率，得到采样时间1s时，频率稳定度为10-11，但这种方法在调制频率过高时将不易实现，可通过降低光电探测器的前置放大噪声来解决这个问题。但采用原子分子跃迁谱线作为参考频率时，其频谱范围有限，只能稳定某些特定波长的激光，有很大的局限性。 偏频锁定技术是将一偏置频率附加到激光器输出光的频率上，再锁定到另一台激光器上的锁频技术[15]。1992年，在 CO2 相干激光雷达的外差探测技术的研究中，朱大勇等人[16]应用鉴相原理进行了偏频锁定，频率稳定度为23Hz/1s。同一年中，胡玉等人[17]使用偏频技术研究激光通信，锁定精度为200Hz/s。1998年，Stace T等人[18]进行偏频锁定, 采用 FVC 作为鉴频器，精度达到400Hz/s。 塞曼调制稳频法[19]是基于饱和吸收现象和塞曼效应的一种稳频方法，在1980年后迅速发展起来。在1987年，Jun、Valenzuela 和 Reichmann[20]使用塞曼调制稳频法稳定激光频率，在1s的采样时间下，频率稳定度为1.09×10-8。但由于这种方法的伺服控制系统较为复杂，容易受到较大的外界影响，所以在1998年，Kristan L.C和Zheng-Tian L[21]二向色性原子蒸汽锁定激光频率技术，简称DAVLL（dichroic atomic vapor laser lock），这种方法基于直流塞曼效应，在实验中，稳频时间在24小时内，频率稳定度为10-9，相较于饱和吸收稳频法，这种稳频方式有着稳频时间长，不易失锁的特点，并且光源少，电路简单，但同时，这种稳频方法的稳频波动较大，对实验环境的变化敏感，其频率复现性较差。2002年，在对DAVLL稳频法进行改良后，G.W.和W.G. 等人得到了一种去除多普勒背景的二向色性锁频技术，简称DFDL(Doppler-free dichroic lock) [22]，进行稳频时，对偏置电压不敏感，加大了信号范围，但同时其误差信号受磁场强度的影响较大，其频率稳定度仅达10-9。1998年，出现了横向塞曼效应氦氖激光器，就是运用横向塞曼稳频方法对激光器进行频率稳定，频率稳定度可达4.7×10-10，频率复现性达1.8×10-8。 2014年，名为“自动稳频半导体激光器研究”的期刊[23]中出现了一种新的稳频方法——自动稳频法。这种方法通过对激光器的温度的粗调，对其电流的细调来稳定半导体激光器的频率，在采样时间为1s时，频率稳定度达10-11量级，采样时间为千秒或万秒时，频率稳定度为10-12量级。在后期发展为自动稳频技术，在激光失锁时，系统会自动开启扫描功能，重新找到激光器的共振频率进行锁定。 光学频率梳在频域上是一列有着相同频率间隔的频率梳齿，有频率稳定度高，频谱覆盖范围广，脉冲宽度窄的特点。光学频率梳的频率稳定度可达10-14，且其频谱覆盖范围为，所以将光学频率梳频率作为参考频率进行稳频，参考频率复现性极高，且可锁定激光的范围大，远优于上述的稳频方式。所以利用光学频率梳对激光频率进行锁定有其绝对优势。 2.3本文研究内容 本文对光学频率梳锁定任意激光频率研究工作主要包括以下两部分： 第一部分，我们利用光梳其本身性质，控制光学频率梳的重复频率和偏置频率这两个自由度，来稳定光梳输出频率。使用相邻梳齿之间干涉的方式获得其重复频率信号，与频率基准进行比较并锁定；使用自参考技术，将光学频率梳低频部分倍频后与高频部分干涉拍频，将获得的偏置频率信号与频率基准进行比较并锁定，从而获得稳定的输出频率。 第二部分，对激光频率进行测量与锁定。锁定光学频率梳的重复频率和偏置频率后，将单频激光与光学频率梳进行重合干涉，将拍频信号输入频谱仪，得到干涉光谱，分析光谱获得干涉信号的频率间隔，通过误差反馈系统和锁频模块，锁定激光频率。 第二章 光学频率梳锁定激光频率的研究 2.1光学频率梳的基本理论 2.1.1 光学频率梳的基本原理 光学频率梳，简称光梳，在时域上为一系列周期性的超短脉冲序列，脉冲宽度在飞秒级。而在频域上，光学频率梳是一系列相同间隔的离散频率组成的电磁场。如图2.1所示，上图为光学频率梳在时域的形式，其输出脉冲序列的周期为光子在腔内往返一周的时间，可表示为： (2.1) 式中，为脉冲的重复周期，为腔长， 为脉冲的群速度。在时域内，每个脉冲有相同的包络，图中由红线表示，脉冲载波由图中蓝色实线表示。图中蓝色虚线就为在不考虑介质色散的情况下的光载波。因为腔内介质的色散，导致了光子相速 和群速度的不同，则使从腔内输出的相邻脉冲包络之间存在了相位差，可表示为 (2.