基于自制超稳定F-P腔压窄外腔二极管激光线宽的实验研究

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由于窄线宽激光其具有单色性好、稳定度高、相干长度长等优点,被广泛应用于各个研究领域。但是自由运转的激光器的线宽仍然无法满足一些要求更高的科学研究和工业生产,例如相干通信、精密测量、光学频率标准、吸收光谱计量以及光与物质相互作用等领域,需要使用线宽更窄的激光来进一步提高探测灵敏度。光学元件的面形误差是评价其加工质量的一个重要参数,提高面形误差的检测精度具有十分重要的意义。光学干涉技术可以实现光学表面的在线精确测量,光源线宽限制了进一步提高面形误差的测量精度,所以需要进一步压窄激光源的线宽。压窄各类激光器线宽,一般通过反馈控制技术来锁定激光到某一频率参考,比如原子跃迁谱线中心频率、一些外部频率标准等都可以作为频率参考。本文利用自行设计的超稳腔作为频率参考,将激光频率锁定到超稳腔的共振频率上,实现了632.8nm外腔二极管激光器(ECDL)线宽的有效压窄。本窄线宽激光产生系统的研制主要包括四部分:超稳腔设计、光路设计、ECDL激光器频率控制以及系统集成。超稳腔采用两镜法布里-玻罗腔(F-P腔)结构,腔体是膨胀系数约为10-6 K-1的微晶玻璃,腔镜为一对反射率达99.9885(±0.0035)%的平面镜和凹面镜。为了最大程度减小外界机械振动、声学噪声、空气流动、温度变化等因素对F-P腔腔长和腔体稳定性造成的影响,我们对F-P腔采取了真空密封、隔振处理、温度控制等对应措施。将F-P腔置于真空环境中,可以有效降低声音和空气流动对腔模频率的影响,利用一个分子泵机组,将真空室的真空度控制在10-5torr。为了有效隔离机械振动,F-P腔体与真空室之间用双层硅橡胶材料隔离。虽然F-P腔的腔体膨胀系数极低,受温度变化影响小,但是为了进一步稳定F-P腔的腔长,设计了温度控制系统,通过控制真空室的温度,使F-P腔处于恒温环境中。考虑到系统集成后搬运转移方便,我们设计了布局紧凑、结构稳定的光路系统。本系统采用的ECDL激光器为德国Toptica公司的DL pro系列激光器,其具有压电陶瓷(PZT)和电流调制两个频率控制端,响应带宽分别为1kHz和100MHz。激光器的频率控制采用了Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术,18MHz的调制频率加载到激光器的电流调制端,对F-P腔的反射信号进行解调获得误差信号,通过两路反馈控制,锁定带宽达到1MHz。通过对系统进行不断优化,最后我们将自由运转状态下约300 kHz的激光线宽压窄到了10 kHz量级,并且系统运行稳定,连续12小时锁定的频率漂移量约为30 MHz。本文研制的632.8 nm窄线宽激光源可以有效提高干涉技术对光学元件面形误差的测量精度。
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