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宥尹
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1 51, (2014) Laser & Optoelectronics Progress 2014 中国激光杂志社基于 PDH 技术的光学传递腔的锁定郑公爵戴大鹏方银飞李兴佳杜向丽尹燕宁张慧杨秀秀夏勇印建平华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海摘要要实现分子激光冷却, 一般需要多束频率稳定的窄线宽激光提出采用 Pound-Drever-Hall(PDH) 技术将冷却激光通过光学传递腔的方法锁定到铷原子饱和吸收稳频的半导体激光上, 从而实现冷却激光线宽压窄和频率长时稳定的实验方案设计并制作了法布里 - 珀罗 (F-P) 光学腔, 建立了光学稳频系统, 实现了光学腔到参考光源的锁定关键词分子激光冷却 ; 激光稳频 ; PDH 技术 ; 光学传递腔中图分类号文献标识码 A doi: /LOP Locking of Optical Transfer Cavity Based on PDH Technique Zheng Gongjue Dai Dapeng Fang Yinfei Li Xingjia Du Xiangli Yin Yanning Zhang Hui Yang Xiuxiu Xia Yong Yin Jianping State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, East China Normal University, Shanghai , China Abstract The experiment of laser cooling of molecules generally needs multiple lasers with narrow linewidth and passive- stabilized frequency. We propose to use Pound- Drever- Hall (PDH) technique to lock the cooling laser onto the diode laser stabilized by the saturated absorption spectroscopy of Rb atom through the transfer optical cavity. The linewidth and long term drift of the cooling laser frequency could be controlled. The F- P optical cavity is designed and made, and the optical stabilization system is set up, and the optical transfer cavity is locked onto the reference laser through PDH technique. Key words laser cooling of molecule; laser frequency stabilization; PDH technique; optical transfer cavity OCIS codes ; ; ; 引言冷分子和超冷分子的实验制备与研究是原子分子和光物理研究领域中的前沿热点之一, 同时也是一个包含物理化学量子信息凝聚态物理和天文物理的跨学科交叉研究课题冷分子在精密测量, 冷分子 [1-4] 光谱学, 超冷碰撞和冷化学, 多体量子系统, 量子信息处理和分子干涉仪等领域有重要的研究前景激光冷却分子是获得冷分子乃至超冷分子的重要途径之一, 但是, 由于分子中存在振动与转动自由度, 因而分子 [5] 的激光冷却实现起来要比原子困难得多尽管如此, 分子的激光冷却已经被证实是可行的, 也是近 5 年来国际上在实验中产生冷分子方面取得的重要进展之一分子激光冷却的主要原理是, 在一些特殊的双原子自由基分子的电子基态的振转能级和第一激发态的振转能级之间存在一个接近闭合的能级系统, 类似于冷原子的闭合能级结构, 因此就有希望利用这样一个特殊的结构来实现分子的激光冷却由于目前适合做激光冷却实验的分子种类主要集中在自由基分子方面, 比如 SrF [5] YO [6] CaF [7] 分子等, 这些分子近似闭合的能级结构所处的光波段不能通过饱和吸收光谱来实 [5-7] 现激光稳频目前实验上采用的稳频方式主要有 2 种, 一种是采用光学传递腔的方法, 另一种是采用光学 [6] 频率梳的方法, 通过传递介质把冷却激光锁定到稳定的参考频率源上 2010 年,DeMille 小组在实验上实收稿日期 : ; 收到修改稿日期 : ; 网络出版日期 : 基金项目 : 国家 973 计划 (2011CB921602,2006CB921604) 国家自然科学基金 ( , , , , , , , ) 上海市自然科学基金 (13ZR ) 作者简介 : 郑公爵 (1987 ), 男, 硕士研究生, 主要从事分子激光冷却方面的研究导师简介 : 夏勇 (1977 ), 男, 博士, 副教授, 主要从事分子激光冷却方面的研究 yxia@phy.ecnu.edu.cn( 通信联系人 )

2 51, (2014) 现了氟化锶 (SrF) 的一维横向速度的多普勒冷却与 Sisyphus 冷却实验上观测到了分子束横向方向上的多普勒冷却 (5 mk) 和 Sisyphus 冷却 (300 uk) 效应 [5], 并实现了自发辐射力对分子束纵向速度的减速 ( 从 140 m/s 减至 50 m/s [8] 该实验中, 冷却激光的波长分别为和 nm 系统主要由外延腔可调谐半导体激光器 (ECDL) 注入锁定和光学锥形放大器 (TA) 组成, 包括 11 台主激光 7 台从激光和 3 台 TA 该实验 [9-11] 采用了扫描光学传递腔的方式以实现激光频率的稳定稳频的 He-Ne 激光器作为系统的绝对频率参考, 带压电陶瓷 (PZT) 的法布里 - 珀罗腔 (F-P 腔 ) 作为传递腔, 将频率稳定的 He-Ne 激光器的频率稳定性传递给 ECDLs 2013 年, 美国 Jun Ye 小组在实验上验证了氧化钇 (YO) 分子束的 1D 和 2D 横向激光冷却和磁光囚禁, 初始分子束的横向温度为 25 mk, 经多普勒冷却之后, 分子横向温度为 5 mk, 经 2D MOT 冷却的最低温度约 2 mk 实验中冷却激光为染料激光器, 冷却激光波长为 614 nm 再抽运激光为 648 nm 和 649 nm, 都为半导体激光器实验中将这些激光锁定到拍频的掺铒光纤光梳上 [6] 华东师范大学印建平小组也在开展 MgF 分子的激光冷却的实验研究所需激光波长分别为和 nm 目前, 本小组有一台德国 Sirah 公司 Matisse 连续染料激光器, 能够输出 nm 的激光, 倍频之后可以作为冷却激光为确保该染料激光频率长时稳定性, 本文提出利用基于 PDH 技术的光学传递腔来实现激光频率的稳定并控制其长时漂移该方法的原理是 1) 将光学腔锁定在一个稳定的频率参考源上, 实现腔的稳定 ;2) 将所需稳频的激光锁定在该光学腔上, 从而实现参考频率源的稳定度向冷却激光频率稳定度的传递由于采用 PDH 技术, 故系统响应比采用扫描传递腔方式的稳频系统更快实验中所用的参考频率源为一束 780 nm 的外延腔半导体激光, 该激光通过饱和吸收稳频技术锁定在铷原子 D2 线上 MgF 分子的冷却激光的稳频工作主要包括两部分 : 1) 把光学传递腔锁定到稳定的频率源上 ;2) 把商用染料激光锁定到该光学传递腔上本实验已经完成了第 1) 部分 2 光学传递腔的结构与设计一般来说,PDH 稳频技术中常用的腔为 F-P 腔本文设计的腔体结构由平面镜与凹面镜 ( 曲率半径 r= 500 mm) 组成平凹腔, 两片镜子的直径均为 20 mm, 且镜子两面一面镀增透膜, 另一面镀高反膜, 增透膜反射率小于 3%, 高反膜反射率 R 为 99.25% 由于该腔作为传递腔, 与多波长共振, 因此所镀的膜需要在 nm 与 780 nm 处均保持高反实验中, 采用 PDH 方法将 F-P 腔锁定在参考光源上, 故要求 F-P 腔的腔长可以调节, 且精度在纳米量级因此, 设计中加入一个 PZT 套管来实现腔长的调节腔体材料上, 由于殷钢的热膨胀系数很小 ( / ), 因此采用殷钢作为支撑腔体结构上, PZT 套管的一端黏贴在殷钢腔体上, 另一端通过真空胶与凹面镜相连, 通过在 PZT 上加电压可以实现腔长的调节平面镜则首先黏贴在一个殷钢制成的转接套管内, 再通过转接套管黏贴在腔体上黏贴时, 在镜边涂低膨胀真空胶与转接套嵌合, 以避免真空胶膨胀的影响此外, 为了避免光学平台震动对 F-P 腔产生的影响, 通过六本文螺丝以点接触的方式将光学腔内腔安装在外腔中, 外腔与底座之间则垫上 2 mm 厚的铁氟龙橡胶进行隔振 3 稳频光路的搭建与光学腔参数的测定依据 PDH 稳频的基本原理以及模式匹配的计算结果, 就可确定各元件的位置, 并进行光路的搭建搭建的实验装置原理图如图 1 所示图 1 中, 光路可以分为两部分, 虚线框中的部分主要将 F-P 腔锁定在 780 nm 外延腔稳频激光上, 实现 F-P 腔的稳定 ; 虚线框外的部分则是将染料激光 (718.6 nm) 锁定在 F-P 腔上, 实现染料激光频率的锁定图中 LEN 为透镜 ;M 为反射镜 ;1/4plate 为 1/4 波片 ;PBS 为偏振分束器 ;EOM 为电光调制器 ;phase shiftero 为移相器 ;mixer 为混频器 ;amp 为电压放大器 ;BPF 为带通滤波器 ;isolator 为光隔离器 ;HWP 为半波片 ;PD 为光探测器 ;LPF 为环路滤波器 ;PI 为比例积分控制器 ;dichroic mirror 为二向色镜 ;OSC 为示波器 ;AOM 为声光调制器本实验完成了虚线框中的内容其中,AOM0 的主要作用是对染料激光的频率进行调谐, 以便使激光频率能够与锁定的 F-P 腔共振 ;M1 M2 M3 M4 的为耦合反射镜, 以调整入射光与 F-P 腔中的耦合效率 ; 此外, 当光与二相色镜成 45 入射时,660~731 nm 的光透射,750~810 nm 的光反射, 从而将两束光均耦合到 F-P 腔内

51, 121401(2014) www.opticsjournal.net 图 1 传递腔稳频实验装置图 Fig.

3 51, (2014) 图 1 传递腔稳频实验装置图 Fig.1 Schematic diagram of passing frequency slabilization cavity 在放置光学元件时应严格按照理论计算出的模式匹配透镜与 F-P 腔间的距离放置模式匹配透镜并使匹配透镜同轴平行选用焦距分别为 150 mm 和 100 mm 的双凸透镜作为模式匹配透镜在 F-P 腔上加上三角波扫描电压对 F-P 腔进行扫描并利用示波器观察 F-P 腔的透射谱线在调整好模式匹配透镜与耦合反射镜使透射峰达到最大后将只有基模在 F-P 腔内共振透射峰值比较稳定而高阶模将被有效的抑制给压电陶瓷加上合适的扫描电压可以测量出腔的一个自由光谱程利用 780 nm 激光测量的腔的自由光谱程结果如图 2 所示对于该腔而言一个自由光谱程对应电压为 175 V 而一个自由光谱程对应于半个波长因此对 780 nm 光而言对应于 390 nm 故压电陶瓷的压电系数为 2.23 nm/v 同时由于 175 V 对应于一个自由光谱程 1144 MHz 故 1 V 的驱动电压对应的频率行程应为 6.53 MHz/V 故若需将腔的频率抖动控制小于 1 MHz 则 PZT 的反馈电压精度应该小于 0.15 V 图 2 F-P 腔自由光谱程的测量结果 Fig.2 Measurement results of free spectral range of F-P cavity 实验上采用激光相位调制法来测定 F-P 腔的精细度 [12] 采用了一个谐振频率为 20 MHz 的电光位相调制器对入射光进行位相调制并以三角波驱动 PZT 进行线性扫描并利用光电探测器探测透射光获得了 F-P 腔的共振透射谱线 F-P 腔的基本参数如表 1 所示

51, 121401(2014) www.opticsjournal.net 表 1 自制 F-P 光学腔的基本参数 Table 1 Basic parameters of F-P optical cavity Carity length /mm L Free spectral raye /MHz f FSR 1144 Reflectivity /% R 99.25 ± 0.

35 光学腔的锁定在调整好光学模式匹配以及将激光与腔的耦合效率调到最佳之后可以通过图 1 中的 PD2 获取 780 nm 激光与 F-P 腔相互作用的色散谱线再经过混频低通滤波后可以得到鉴频曲线(误差信号) 如图 3 所示 C1 为光电探测器 PD2 直流路的输出信号对反射光的功率进行检测 C2 为 PD2 的交流路输出信号 [13] C3 为经混频低通滤波后得出的鉴频曲线

4 51, (2014) 表 1 自制 F-P 光学腔的基本参数 Table 1 Basic parameters of F-P optical cavity Carity length /mm L Free spectral raye /MHz f FSR 1144 Reflectivity /% R ± 0.25 F 450 Fineness Cavity linewidth /MHz Δv c 2.35 光学腔的锁定在调整好光学模式匹配以及将激光与腔的耦合效率调到最佳之后可以通过图 1 中的 PD2 获取 780 nm 激光与 F-P 腔相互作用的色散谱线再经过混频低通滤波后可以得到鉴频曲线(误差信号) 如图 3 所示 C1 为光电探测器 PD2 直流路的输出信号对反射光的功率进行检测 C2 为 PD2 的交流路输出信号 [13] C3 为经混频低通滤波后得出的鉴频曲线由于色散信号在中心共振频率处幅值为 0 且为奇对称斜率也很大因此适于做鉴频信号图 3 实验测得的 780 nm 光与 F-P 腔作用的色散型误差谱线 Fig.3 Measured dispersion error of interaction of laser with 780 nm wavelength and F-P optical cavity 在获得色散型误差信号后就可以进行 F-P 腔的锁定首先逐渐减小 F-P 腔的扫描电压并调整 PZT 的直流偏置电压使误差信号始终处于扫描电压的中心处在扫描电压减少到误差信号只有中心斜边时可观察到激光与腔的共振此时将获得的误差信号送入 PI 积分控制器进行处理后送入压电陶瓷驱动源中进行反馈最后仔细调节伺服系统的各项参数实现 F-P 腔的锁定锁定后的误差信号与透射光谱信号分别如图 4 与图 5 所示图 4 F-P 腔锁定后的误差信号监测带宽 30 khz 图 5 F-P 腔锁定后的透射光谱信号 Fig.4 Error signal of locked F-P optical cavity with Fig.5 Transmitted spectrum signal of locked F-P 30 KHz bandidth optical cavity 由图 4 与图 5 可知腔锁定后反射光谱信号透射光谱信号均近似为一条直线误差信号则在零点附近振荡图 5 中透射光谱信号上存在一定的下冲这是由于当激光的线宽与腔的线宽可比拟时腔的透射光谱信号将反映激光线宽内的功率抖动与频率波动由于 PZT 压电陶瓷的机械频率响应在 khz 量级甚至更低若激光的频率短时漂移速率很快则压电陶瓷有可能会跟不上激光的频漂从而导致信号的下冲实验

5 51, (2014) 中, 该系统锁定时长约 4 h, 锁定时间与 PI 参数调节以及误差信号线型有关 5 结论提出了基于 PDH 技术的光学传递腔的激光稳频的方案, 并开展实验研究, 实现了把光学传递腔锁定到稳定的频率源上使用激光位相调制法估算并测量了 F-P 光学腔的各项参数其中, 自由光谱程为 1144 MHz, 精细度约为 450, 腔的线宽约为 2.35 MHz 利用 PDH 技术, 测得了色散型光谱误差信号, 并将设计的 F-P 光学腔锁定在了稳频的 780 nm 激光上, 实现了光学腔的锁定下一步可以对光学腔进行精密恒温控制, 同时进行真空隔离, 以便排除温度波动与空气振动对光学腔的影响, 从而增腔腔的稳定性, 进而增强系统的稳定采取一定的措施, 减小电光位相调制器的剩余幅度调制, 从而增强系统的稳定性与锁定精度参考文献 1 J Doyle, B Friedrich, R V Krems, et al.. Special issue, "ultracold polar molecules: formation and collisions"[j]. Eur Phys J D, 2004, 31: L D Carr, D DeMille, R V Krems, et al.. Cold and ultracold molecules: science, technology and applications[j]. New J Phys, 2009, 11(5): R V Krems, W C Stwalley, B Friedrich, et al.. Cold molecules: theory, experiment, applications[m]. Boca Raton: CRC Press, D S Jin, J Ye. Introduction to ultracold molecules: New frontiers in guantum and chemical physics[j]. Chem Rev, 2012, 112(9): E S Shuman, J F Barry, D DeMille. Laser cooling of a diatomic molecule[j]. Nature, 2010, 467: M T Hummon, M Yeo, B K Stuhl, et al.. 2D magneto-optical trapping of diatomic molecules[j]. Phys Rev Lett, 2013, 110 (14): V Zhelyazkova, A Cournol, T E Wall, et al.. Laser cooling and slowing of CaFmolecules[J]. Phys Rev A, 2014, 89(5): J F Barry, E S Shuman, E B Norrgard, et al.. Laser radiation pressure slowing of a molecular beam[j]. Phys Rev Lett, 2012, 108(10): Eberhard Riedle, S H Ashworth, J T Farrell Jr, et al.. Stabilization and precise calibration of a continuous- wave difference frequency spectrometer by use of a simple transfer cavity[j]. Rev Sci Instrum, 1994, 65(1): W Z Zhao, J E Simsarian, LA Orozco, et al.. A computer- based digital feedback control of frequency drift of multiple lasers[j]. Rev Sci Instrum, 1998, 69(11): Qu Wancheng, Huang Yao, Guan Hua, et al nm semiconductor laser stabilized with scanning transfer cavity[j]. Chinese J Lasers, 2011, 38(8): 屈万成, 黄垚, 管桦, 等. 传输腔稳频的 397 nm 半导体激光器 [J]. 中国激光, 2011, 38(8): Lu Honggang, Jiang Yanyi, Bi Zhiyi. Measurement of reflectivity of optical mirrors using laser phase modulation and fineness of Fabry-Perot cavity[j]. Chinese J Lasers, 2006, 33(12): 鲁红刚, 蒋燕义, 毕志毅. 激光相位调制法布里 - 珀罗腔精细度法测定反射率 [J]. 中国激光, 2006, 33(12): Zheng Gongjue, Dai Dapeng, Fang Yinfei, et al.. Balanced homodyne detector based on two- stage amplification[j]. Laser and Optoelectronics Progress, 2014, 51(4): 郑公爵, 戴大鹏, 方银飞, 等. 具有两级放大的平衡零拍光电探测器 [J]., 2014, 51(4):

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Template BR_Rec_2005.dot ITU-R BT.1789 建议书 1 ITU-R BT.1789 建议书在分组视频传输中利用传输误码信息重建接收视频的方法 (ITU-R 44/6 和 ITU-R 109/6 课题 ) (2007 年 ) 范围本建议书对业务提供商重建接收视频的方法做了详细介绍, 以便利用传输