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1、山西大学硕士学位论文铯原子D2线光抽运光谱及其应用研究姓名：李乾勇申请学位级别：硕士专业：光学指导教师：王彦华2010-06I中 文 摘 要 随着科技的进步，激光技术越来越广泛的应用于科研和多种技术领域中。如量子光学、冷原子物理、激光光谱、精密测量、光纤通信和光信息储存等方面。激光稳频技术是激光技术中的一个重要应用，是控制激光器不可缺少的方法。稳频可以分为以固定参考频率的稳频或是相对某一参考频率的偏频锁定。稳频激光的稳定性往往决定了整个系统的稳定性或者探测的精度。本文介绍了一些常用的稳频方法，并着重分析了几种偏频锁定的特点。最后介绍了我们使用的光抽运光谱实现偏频锁定的方法。主要的工作有以下几个
2、部分： 第一部分介绍了半导体激光器的基本特性以及光栅外腔反馈半导体激光器的基本特性和设计原理，特别是对影响半导体激光器频率的各种因素进行了分析。简单介绍了稳频的方法，主要是以光学谐振腔或特定的原子、分子跃迁谱线为频率参考来获取鉴频信号，对激光器调制或无调制的方法进行频率锁定，总结分析不同稳频方法的特点及其适用的范围。 第二部分在稳频技术的基础上来介绍不同偏频锁定技术的特点，分析不同方法的适用范围和优缺点。着重介绍了用声光频移器实现了等间距频率差的频率梳的实验研究。 第三部分着重介绍了铯原子及其 D2 线的相关知识，以及工作在铯原子 D2 线的两激光在相向或同向作用下产生的各种光抽运光谱，分析不
3、同情况下的光谱的意义。最后介绍了利用光抽运光谱实现两激光器偏频锁定的实验装置和实验过程。通过数据分析实现偏频锁定后两激光频率差的稳定性。 比较有新意的工作是，当控制光连续扫描时，可探测频率固定的探测光透射信号而获得无多普勒背景的光抽运光谱。该光谱可提供稳定性仅依赖于原子超精细分裂的偏频信号。当实现两个激光器相对偏频锁定时，能在主激光器自由运转甚至一定范围内连续调谐条件下保持两个激光器频率差同原子超精细能级间隔的锁定。 关键词关键词：激光技术；偏频锁定；光抽运光谱；铯原子 IIABSTRACT With advances in technology, laser technology, more
4、 and more widely used in scientific research and a variety of technical fields. Such as quantum optics, atomic physics, laser spectroscopy, precision measurement, optical fiber communications and optical information storage and so on. Laser frequency stabilization technology is laser technology, an
5、important application, is an indispensable method of laser control. Frequency stabilization can be divided into a fixed reference frequency or relative frequency stability of the natural frequency of a reference frequency locking. The stability of laser frequency stabilization often determines the s
6、tability of the system or the accuracy of detection. This article describes some of the commonly used frequency stabilization methods, and analyzes the characteristics of several partial frequency locking. Finally, we use the optical pumping spectroscopy method to achieve partial frequency locking.
7、The main work in the following sections: The first section describes the basic characteristics of the semiconductor laser and the grating feedback external cavity semiconductor laser of the basic features and design principles, especially the impact of semiconductor laser frequency factors were anal
8、yzed. The second part discusses frequency stabilization methods, mainly optical resonator or a specific atomic, molecular transition lines as the frequency of reference to obtain the frequency detection signal, or no modulation of the laser modulation frequency locking methods, analyzed different Ch
9、aracteristics and Frequency Stabilization Method scope. Finally, frequency stabilization techniques to analyze the introduction of the partial frequency locking technology, the scope of the several advantages and disadvantages of partial frequency locking techniques. The third part focuses on the D2
10、 line of cesium atoms and their knowledge, and work in the D2 line of cesium atom laser in the opposite or the same two-under to produce a variety of optical pumping spectrum, IIIspectral analysis of different situations the meaning of . Finally, the use of optically pumped laser spectrum to achieve
11、 the two partial frequency locking of the experimental apparatus and experimental procedure. Achieved by data analysis after the partial frequency locking of two laser frequency stability of difference. Have more innovative work is, when control of light scanning, it can detect the probe light trans
12、mission fixed frequency signal and Doppler-free, background optical pumping spectrum. The spectrum can provide stability depends only on the partial atomic hyperfine splitting frequency signal. When the partial realization of the relative frequency of two lasers locked, can operate even in the main
13、laser free continuous tuning condition within a certain range to maintain the frequency difference between the two lasers with the atomic hyperfine levels of the locking interval. Key words：laser technique; offset locking; optical pumping spectrum; cesium 第一章 引 言 1第一章 引 言 半导体激光器在光与原子相互作用实验研究和很多技术领域都
14、有着非常广泛的应用，尤其在量子光学、冷原子物理、激光光谱、精密测量、光纤通信和光信息储存等方面都希望激光器输出窄线宽、频率稳定并可连续调谐的激光。半导体激光器PN 结发光的特点决定了温度和输入电流的波动以及激光器机械结构的振动等都能带来输出光频率的抖动1。通过改善或稳定这些因素， 半导体激光器自由运转的频率起伏可大大减小。很多时候人们还需要建立电子伺服控制系统，通过主动稳频的技术抑制频率的漂移，如在实验室广泛采用的 PDH 稳频技术2, 饱和吸收光谱稳频3等方法，都是以光学谐振腔或特定的原子、分子跃迁谱线为频率参考来获取鉴频信号，在反馈到激光器中改变影响输出频率的工作参数后就形成了反馈环路并能
15、改善激光器频率的稳定性。 由于直接调制激光器并利用相敏检波技术获得鉴频信号的锁频方法会因调制带来谱线展宽并增加一定的频率噪声，很多时候利用光学元件如电光调制器、声光调制器4等将需要的调制加在锁频系统的光路中，完成对激光器的锁频。而完全无调制的锁频方案则可以利用外加纵向磁场中原子气室的塞曼效应形成的磁致二色性产生类色散鉴频信号5；或者使用两个同样频移量的声光频移器分别产生+1 级和-1 衍射光，再把分别经过同一个饱和吸收装置得到的超精细跃迁吸收峰信号相减，以得到鉴频信号6；利用两束光以不同入射角度穿过同一个共焦腔时谐振频率略有不同，这样完成激光器相对于谐振腔的无调制锁频7。 上述的锁频方法中参考
16、频率标准确定，因此锁频环路闭合后激光器的输出频率是不可调谐的，很多时候不能满足使用的要求，如作为中性原子磁光阱中的冷却光8需要激光频率相对于原子分子跃迁线稳定，且有一定失谐；或者在研究失谐条件下电磁感应吸收(Electromagnetically Induced Absorption, EIA) 9和电磁感应透明（Electromagnetically Induced Transparency, EIT)10等量子相干效应的实验中， 光不能同原子共振，但不同的光场频率需要有固定的频率差以实现双光子共振；在激光外差相干探测时也要求两个激光的频率差相对稳定，而不苛求激光稳定在某个具体的频率，所有这些情况下都需要激光器的偏频锁定。 相对于某一参考频率如原子跃迁线进行的偏频锁定，当偏移频率在共振线宽范围内时可选一电压信号作为参考标准，在同激光通过原子气室的透射信号强度比较后获得鉴频信号后可将激光器的频率锁定在共振峰峰值附近的斜坡上实现偏频锁铯原子 D2 线光抽运光谱及其应用研究 2定，其偏频的精确度依赖于电压信
