用于铯-氦磁力仪的无调制便携激光稳频稳功率系统

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自由运转激光器的频率和功率经常随时间漂移和抖动,不能满足精密测量、量子计量、量子信息等领域的激光应用要求。人们必须在光学平台上搭建额外且复杂的控制系统来对激光的波长、功率和偏振进行稳定,这限制了激光系统的便携性,也是磁力仪拓宽应用领域的一大难题。有些高精度磁力仪,如铯-氦磁力仪,甚至要求频率和功率同时稳定。针对激光频率、功率和偏振态的稳定问题,本文提出了一套便携高效的解决方案,设计了一个光纤耦合的便携式激光稳定系统,利用无调制的消多普勒双色性稳频方法实现激光频率稳定,利用声光调制技术实现功率稳定。通过这种精心选择的稳定方法,实现了对光纤输出激光的频率和功率双重稳定的效果,泵浦激光器频率和功率的长期稳定性能够同时得到显著提高,同时也大幅提升了激光系统的便携性。经过我们对激光稳定系统的测试,在两小时的频率测量时间内,光纤最终输出的激光频率漂移降低到10 MHz以下,稳定性达到3.22×10-8,相比自由运转激光器频率漂移的100 MHz,性能提升了10倍。对激光器的频率进行10小时的连续测量,频率稳定前后,其Allan偏差改善了大约两个数量级,在平均时间200 s时达到σ(τ)=1.57×10-9。通过1.8小时的光功率监测,稳定激光功率前后,稳定性从3.22%提高到0.031%,噪声达到10-6V/(Hz)1/2水平,降低了2个数量级,与探测器的电子噪声非常接近,最大噪声抑制比50 d B。我们将此激光稳频稳功率系统搭建于一个小型光学平板上,在保证了光纤输出激光的频率和功率双重稳定效果的同时,大大提高装置的便携性。我们将其应用于铯-氦磁力仪的泵浦激光器,这是激光稳频稳功率系统首次在铯-氦原子磁力仪实验中进行理论与实验研究。研究结果表明,本系统成功地将铯-氦原子磁力仪的时域噪声峰峰值从0.158 n T显著降低到0.009 n T,这个性能测试结果对磁力仪来说是一个非常有利的提升。该设备同时具有小型化和高精度的特点,便携性得到了极大的提高,这使其实际应用范围变得更加广阔。我们在铯-氦原子磁力仪上的实验表明了它的有效性和应用的兼容性,这同时也证明,本系统在便携式光纤磁力仪,或其他原子分子和光学物理学相关的应用中也是一个合适的工具。
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