激光穩頻技術

Laser Frequency Stabilization

激光器作為現代科學技術重要標志之一已經在精密干涉測量、光頻標、激光通信、激光陀螺 、激光雷達等諸多領域得到了廣泛的應用。在激光的眾多指標中激光頻率穩定度是一個極其重要的指標參數。因此，隨著激光應用的發展激光穩頻技術成為基礎科學研究的重要方向在現代科學技術中發揮著越來越重要的作用。

現在激光器的穩頻技術主要分為主動式穩頻和被動式穩頻。

主動式穩頻： 把單頻激光器的頻率與某個穩定的參考頻率相比較，當振蕩頻率偏離參考頻率時，鑒別器就產生一個正比于偏離量的誤差信號。這個誤差信號經放大后又通過反饋系統返回來控制腔長，使振蕩頻率回到標準的參考頻率上，實現穩頻。這種穩頻的方法又可依據選擇參考頻率方法的不同分為兩大類。一類是把激光器中原子躍遷的中心頻率作為參考頻率。把激光頻率鎖定到躍遷的中心頻率上。屬于這類方法的有：蘭姆凹陷法、塞曼效應法、功率最大值法等。這類方法簡便易行，能夠滿足一般精密測量的需要。但是復現度相對不高。另一類方法是把振蕩頻率鎖定在外界的參考頻率上，例如用分子或原子的吸收線作為參考頻率，這是目前水平最高的一種穩頻方法。所選取得吸收物質的吸收頻率必須與激光頻率相重合。這種穩頻方法較為復雜，但可以得到較高的穩定度和復現度。

被動式穩頻： 利用熱膨脹系數低的材料制作諧振腔的間隔器；或將熱膨脹系數為負值的材料與熱膨脹系數為正值的材料按一定長度配合，以使熱膨脹互相抵消。實現穩頻。這種方法一般用于工程上對穩頻精度要求不高的場合。當然在精密控溫的實驗室內，再加上性能極好的聲熱隔離裝置，也可達到很高的穩定度。

PDH 穩頻技術

Pound-Drever-Hall Technology

目前主動式穩頻中的原子分子飽和吸收法和Pound-Drever-Hall（PDH）技術是激光穩頻技術中最主要的兩種方法，然而原子分子飽和吸收法受波長限制比較大 。PDH穩頻技術選擇不受波長限制的法布里－珀羅干涉儀（FPI）作為頻率參考標準，因其具有系統抗干擾能力強、不易失鎖、穩定度高等優點，使其廣泛應用到干涉引力波探測器、原子物理學和時間測量標準等領域，并成為了主流的穩頻方案。

PDH技術使用了常見的光學外差光譜和射頻電子學技術，用標準具或法布里-珀羅F-P腔測量激光器的頻率，并將測量結果反饋給激光器，來抑制激光器的頻率偏差。其優點包括來自激光強度的頻率測量的解耦，以及響應時間，這可能比腔的響應時間更快。

iXblue調制器實現PDH穩頻技術

Choosing a good Phase Modulator for PDH

法國iXblue集團作為國際知名光通信設備生產商，有著30年多年的研發、生產經驗，公司研發生產了多種規格的調制器，可完全適配到PDH技術的反饋裝置之中。

下圖為典型PDH系統圖，當激光器的頻率與F-P腔的FSR（整數倍）完全匹配時，入射到F-P腔后經歷多次反射，利用諧振腔的共振頻率作為頻率參考標準進行鑒頻，反射回PBS的光束相當于與諧振腔的參考頻率建立起一定關系。同時，通過光外差光譜檢測技術檢測反射譜線（色散型譜線，該譜線反映了激光頻率與光學共振頻率之間的偏差)。之后，再經過混頻器、低通濾波器等電子電路處理，便可獲得激光頻率相對于諧振腔共振頻率的誤差信號，最后通過反饋系統補償激光，讓頻率穩定在誤差信號的零點附近，從而實現激光頻率的穩定。在反饋系統中，激光相位調制頻率的選擇直接影響了穩頻系統的性能。當調制頻率大小接近F-P腔線寬時，穩頻系統具有最高的鑒頻靈敏度，當調制頻率高于F-P腔線寬時，在F-P腔共振頻率附近出現很陡的線性鑒頻區，依然具有較高的鑒頻靈敏度，并且調制頻率越高，系統捕獲范圍和鎖定帶寬越大，激光器的低頻幅度噪聲也可有效避免。

▲ PDH典型系統

考慮到當使用電光調制器來實現PDH技術時，在環境擾動期間，剩余幅度調制（RAM）總是引起錯誤信號的扭曲和意外的頻率偏移，以及激光源的窄線寬和所需調制深度。iXblue公司專門研發了為PDH設計減小RAM和深調制深度的相位調制器，并為不同波長適配不同系列的調制器，如下圖。

▲ iXbule LN-0.1相位調制器系列適配不同PDH波長

與市面上其它相位調制器相比，iXblue公司的LN-0.1系列調制器有以下諸多優點：

• 適配低頻：直流耦合調制頻率200 MHz
• 專用于給定的波長范圍
• 極低的驅動電壓Vπ
• 低插入損耗（LIL選項）
• 高輸入阻抗來提高調制效率
• NIR系列高偏振消光比（PER）
• 低剩余幅度調制專利設計（EP3009879A1）

相位調制器在PDH技術中顯著性能

Excellent Performance of Phase Modulator for PDH

熱效應抑制

為光通信應用而設計和開發的普通高帶寬行波電光調制器在射頻線末端有負載電阻端，以減少電射頻反射。當在低頻率下工作時，這種高速相位調制器在射頻微波線路中有過高的電流，這將通過焦耳效應來引起局部加熱。當頻率變得較低并且與熱效應的時間常數相當時，熱循環和散熱就成了一個問題。因此，在加熱和冷卻過程中，電極、波導的物理特性會發生變化。

▲ 調制頻率為50Hz時，強度的變化

上圖中上方曲線為調制信號，下方曲線為光強信號。左圖中調制器有電容電極，右圖調制器卸載了電容電極。由此看出在調制頻率均為50Hz時，由于右圖拆載了電容電極，導致熱減少，光強穩定。

為了減小上熱對系統的影響，iXblue的LN-0.1系列相位調制器采用高輸入阻抗負載（10kΩ)或開路式電極導線(1 MΩ)的設計抑制熱效應。iXblue調制器應用到PDH時，通過相關實驗證明其調制器可在一個大的溫度范圍內（-40℃到+85°C）保持性能穩定。

剩余幅度調制抑制

當使用電光調制器實現PDH技術時，在環境擾動期間，剩余幅度調制（RAM）總是引起錯誤信號的扭曲和意外的頻率偏移。當系統的不穩定性逐漸降低到極低水平時，抑制或減輕RAM引起的頻率不穩定性就變得非常重要。

如上圖所示，在MPX-LN-0.1-1500的DC上加載電壓時，RAM會隨著在調制器上加載的一個直流電壓的變化而降低，該電壓會使鈮酸鋰波導有一個整體負折射率變化。當加載的DC電壓為5-15V時，足以將RAM降低>10 dB。這使得iXblue的調制器在應用到PDH技術時，會顯著提高激光器的頻率穩定性。而且iXblue LN-0.1系列調制器內部嵌入高阻抗射頻負載終端，不會被直流信號所損壞。