采用Zeeman效应与饱和吸收法的激光器稳频

第33卷第3期 光电工程 V ol.33, No.3

2006年3月 Opto-Electronic Engineering March, 2006 文章编号：1003-501X(2006)03-0123-04

采用Zeeman 效应与饱和吸收法的激光器稳频

马红玉1, 2，徐 震1，王育竹1

( 1. 中国科学院上海光学精密机械研究所 量子光学实验室，上海 201800；

2. 中国科学院研究生院，北京 100039 )

摘要：由于塞曼效应中性原子的超精细能级在磁场中会产生塞曼分裂，且对于左旋和右旋圆偏振光原子能级的偏移不同，因此利用Zeeman 效应的这种特性与饱和吸收相结合的方法对光栅外腔反馈的半导体激光器系统进行稳频。这种方法能够将激光频率稳定地锁在原子吸收谱线的峰值处，锁频后激光器不易失锁，用于激光冷却铷原子实验。 关键词：Zeeman 效应；饱和吸收光谱；稳频

中图分类号：TN248.4 文献标识码：A

Frequency stabilized laser by Zeeman effect and

saturated absorption lines of Rubidium atoms

MA Hong-yu1, 2，XU Zhen1，WANG Yu-zhu1

( 1. Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, the Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China；2. Granduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China ) Abstract ：Because of Zeeman effect, Zeeman split takes place in the hyperfine level structure of neutral atoms where there is magnetic. And the split is different between the right circularly polarized light and the left circularly polarized light. An external cavity diode laser can be stabilized by Zeemam effect and saturated absorption lines of atoms. The method can stabilize the output frequency of laser on the peak of atoms absorption lines and less lose lock. The laser stabilized by this method is used in the experiment of laser cooling atoms.

Key words：Zeeman effect; Saturated absorption spectra; Frequency stabilization

引 言

半导体激光技术近年来迅猛发展，半导体激光器的性能不断提高。由于其小型化及易操作等方面的优点，目前激光冷却与捕获多采用半导体激光器。激光冷却与捕获技术对激光器的频率稳定性要求很高，而半导体激光器自由运转时频率稳定性很差，不能直接应用于冷原子、量子频标等科学研究领域，因此需要对其进行稳频。Kristan L.Corwin等人采用Zeeman 效应[1]对光栅外腔反馈的半导体激光器进行了稳频，这种方法具有很大的稳定区域，且稳定性较好，但其误差信号不能准确锁定在谱线峰值处。我们结合Zeeman 效应与饱和吸收光谱的方法，将外腔反馈式激光器锁定到Rb 原子D2线的超精细谱线上。

1 实验原理与装置

光栅外腔反馈半导体激光器的频率取决于电流、温度及光栅的位置。利用光栅的色散性，如果把出射激光的某一频率的部分再反馈回激光管，则这部分频率的激光由于受激辐射使增益提高，抑制其它的模式，

收稿日期：2006-01-06；收到修改稿日期：2006-02-15

作者简介：马红玉(1979-) ，女(汉族) ，陕西华县人，在读博士生，主要从事冷原子物理研究。E-mail :[email protected]

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就起到了选频的作用；同时外加的反馈元件又使激光腔长变长，起到压窄线宽的作用，这就是光栅结构的外腔半导体激光器的基本原理。

激光器在长时间工作下，由于电流、温度等漂移导致激光输出频率漂移，常采用稳频方法是饱和吸收法[2-5]。即将部分输出光锁定在铷原子的D 2线上，将其转化为电反馈信号通过反馈回路加载到激光电流和反馈光栅的压电陶瓷(PZT)电压上，达到稳定激光频率的目的。但是这种方法容易失锁。有弱磁场存在时，原子Zeeman 能级的吸收谱线会发生分裂，如图1所示。图1中，a 为无磁场时的原子的Doppler 加宽谱线，b ，c 分别为加弱磁场后σ-圆偏光和σ+圆偏光产生的频率移动。由于Zeemam 效应，饱和吸收光谱中的σ+与σ-分量偏移方向相反，频移量相同。若将b 与c 信号相减，可得如图2所示的类色散曲线信号。图中的

I n t e n s i t y /(a . u . )

I n t e n s i t y /(a . u . )

Relative frequency shift 图1 原子的吸收谱线

Fig.1 Atomic absoption spectrum

图2 σ+与σ- 谱线相减后的类色散曲线

Fig.2 Dichroic signal of the difference of σ+ and σ-

原点即为谱线的中心频率处，将此信号反馈回激光器我们就可以将激光输出频率锁定在原子的精细谱线上。

实验装置如图3所示。图3中，玻片1、2为λ/2玻片，玻片3为λ/4玻片。我们用的是Toptica Photonics公司的DL110光栅外腔反馈半导体激光器。从激光器输出的光通过光隔离器(Optical Isolator)，以消除光反馈对激光器模式的影响。这束光经过偏振分束棱镜分成两束，将其中较弱的一束光用做稳频，另一束较强的光用于冷却与捕获原子。用来做稳频的这束光通过一偏振分束棱镜，一束用作探测光，另一束用作泵浦光。泵浦光被两个反射镜反射，通过(λ/4)波片射入放置在通电螺线管内的Rb 泡中。探测光通过Rb 泡，经过(λ/4)波片由线偏光变为圆偏光，再通过分束镜将探测光中的σ+与σ-偏振分量被分离开来，由一对性能一致的光电二极管

Fig.3 Schematic of the experimental setup

分别探测。这两个光电二极管经过减法器将这两个信号相减得到类色散曲线，再经过比例积分微分放大电路将误差信号反馈到激光器光栅外腔压电陶瓷(PZT)的控制电压上，实现稳频。

这种稳频方法消除了Doppler 加宽对谱线的影响，能将激光器稳定在Rb 原子超精细光谱的任一个饱和吸收峰值处，且有较宽的信号范围。与饱和吸收稳频相比，对光强噪声不敏感，不易失锁。

2 实验结果

铷原子有两种同位素，激光冷却和捕获实验中用的是87Rb 原子D 2线超精细结构能级及其磁子能级间的跃迁，即52S1/2和52P3/2之间的超精细能级跃迁，该跃迁所对应的激光波长为780nm 。原子的吸收谱线可以清楚地分辨出原子的基态超精细分裂，激发态的能级分裂则无法分辨，这是由于各种加宽机制的存在，使谱线的宽度远远超过自然线宽(6MHz)，主要的加宽机制是Doppler 加宽，室温下的Doppler 线宽约 为510MHz 。但是在消多普勒加宽的饱和吸收谱中可以观察到激发态的能级分裂。

2006年3月 马红玉 等：采用Zeeman 效应与饱和吸收法的激光器稳频

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从激光器的输出之中分出一小部分光做饱和吸收，采集饱和吸收信号作为探测信号；先让激光器进行 扫频，通过调节温度和电流以找到需要的谱线；然后调节扫描偏置，缩小扫描范围，使在扫描范围内只有一个峰或一个坡；对该信号进行分析处理，加入负反馈回路，并逐步停止扫描。当激光频率偏离设定的值时，负反馈回路就会把在压电陶瓷上加反向的偏置，将频率纠回设定值。得到如图4所示的铷原子的52S 1/2F=2 到52P 1/2 F=1,2,3饱和吸收谱，可以非常容易地观察到激发态超精细能级分裂的三个饱和吸收峰，以及它们两两交叉的三个吸收峰。

螺线管通上电流，在磁场强度为140高斯左右时，铷原子的52S 1/2F=2 到52P 1/2 F=1,2,3饱和吸收谱的类色散曲线如图5所示。将此信号作为误差信号输入到激光器的比例积分微分放大(PID)电路。调节扫描偏置，将激光频率移到想要锁定的吸收峰处，调节扫描偏置与PID 电路的积分与放大的比例，使得系统工作在负反馈状态，对激光器进行锁频。频率锁定后，其对激光光强的波动不敏感，能工作较长时间不失锁。

0.2

I n t e n s i t y /(a . u . )

I n t e n s i t y /(a . u . )

0.1 0.0 -0.1

-0.2

图4 铷原子52S 1/2 F=2-52 P 3/2跃迁谱线

Fig.4 52S 1/2F=2-52P 3/2 of 87Rb

图5 87Rb 的52

S 1/ 2 F=2-52 P 3/2跃迁谱线Fig.5 Dichroic signal of 52S 1/ 2F=2-52 P 3/2 of 87Rb

改变通电螺旋管的电流，也就是改变磁场的大小，发现饱和吸收谱的色散曲线幅值随之而变，图6为磁场强度为(a)70高斯、(b)90高斯、(c)115高斯和(d)140高斯时的色散曲线。由图可见，随着磁场强度的增大，曲线的斜率也随之增大，曲线斜率越大的信号对噪声扰动越不敏感。若再加大磁场强度，类色散谱线会加宽，这是因为在同一多普勒加宽下的不同跃迁的移动量不同。所以我们选择在140高斯下对激光器进行稳频。

1.00.0

I n t e n s i t y /(a . u . )

0.0 -2.0

I n t e n s i t y /(a . u . )

(a) 70Gauss

2.0

-2.0

(b) 90Gauss

I n t e n s i t y /(a . u . )

1.00.0

I n t e n s i t y /(a . u . )

1.0 0.0

-2.0

(c) 115Gauss

-2.0

(c) 140Gauss

图6 不同磁场强度下的色散曲线

Fig.6 Dichroic signals of different magnetic intensity

126 光电工程 第33卷第3期

3 结 论

用饱和吸收法和Zeeman 效应对光栅外腔反馈的半导体激光器进行稳频，使激光器输出频率能够稳定在铷原子的超精细能级的谱线上，这种方法对噪声不敏感不易失锁，适合应用于激光冷却铷原子的实验。 参考文献：

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