780nm单频激光器

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2020-10-14

780nm单频激光器

780nm单频激光与Rb原子52S1/2-52P3/2能级跃迁共振，可用作Rb原子激光冷却、Rb原子量子调控以及Rb原子探测等；因而在以Rb原子为媒介的原子钟、原子磁力计、以及诸如原子重力仪/原子陀螺仪/原子重力梯度仪等原子干涉仪的应用中必不可少。同时在以Rb原子为媒介的量子模拟、原子分子光谱、冷原子BEC等科研应用中，也是不可或缺。

在这些应用中，大功率意味着更多的冷原子数目、更大的光与原子作用区域、更均匀的作用力；低漂移可以保证时间更长更稳定的Rb原子无多普勒稳频；窄线宽可以降低原子探测的噪声获得跟高的信噪比；环境稳定的特性使得激光器对环境温度和振动不敏感，在原子钟、磁力计、以及以原子干涉仪为基础的重力仪/陀螺仪/重力梯度仪等应用中有着重要的意义，是可搬运仪器所必需。

780 nm单频激光器方案简图

频准激光推出如上图1560 nm种子+掺Er光纤放大器+单次通过周期性极化晶体倍频获得780 nm激光的方案。这种全固态不包含可手动调节的机械部件，因而对振动和温度不敏感，具有良好的环境稳定性。同时由于使用了EFA作为放大器，因而还具备大功率的特性，780 nm激光最大功率达5W。

种子激光

在频准激光推出的780 nm激光方案中，激光的频率漂移、线宽、调谐特性等皆取决于1560 nm种子激光。频准激光使用两种类型种子激光。一种为光纤DFB激光器，第二种为外腔半导体激光器。

两种1560 nm种子激光对比

这两种种子激光器均可以提供窄线宽低漂移可调谐的1560 nm激光。其中光纤DFB激光器使用增益光纤DFB光栅作为谐振腔、增益介质及选模元件，可以实现全范围内的无调模调谐（0.8 nm）和窄线宽（<10 kHz)。

其使用压电陶瓷作为快速调谐元件，可以实现10 kHz调谐带宽和5 GHz范围的快速调谐。而第二种外腔半导体结构的种子激光使用体光栅作为选模元件，并有一体化固定结构的谐振腔，因而通过温度及电流调谐。其无跳模温度调谐范围为5 GHz。

由于可以使用电流调谐，因而其快速调谐带宽可以达到5 MHz，相应的调谐范围为500 MHz。两种激光器均为全固态结构，无手动调节的机械组成，因而具有很高抗振动特性和温度稳定性，第二种结构的激光器抗振动特性甚至可以达到宇航级。由于优秀的环境稳定性，两种种子激光器均具备低漂移的特性，常温下频率漂移低于100 MHz。

延时自外差法拍频信号测量线宽5.2 kHz

8h种子激光中心频率漂移<25 MHz

掺Er光纤放大器（EFA）

频准激光使用掺Er光纤放大器（EFA）作为1560 nm激光功率放大器，相对于直接的780 nm半导体功率放大的方案（最大3 W)，其具有的大功率特性无可替代。该EFA最大可稳定长寿命输出达15W。由于采用全光纤放大器的方案，EFA同样具备非常好的环境稳定特性。

低噪声光纤放大器与种子激光相对线宽增宽及其测量方法

频准激光研发的EFA在放大的过程中可保证激光极低的频率及强度噪声增加。其中线宽展宽低于10 Hz，强度噪声（RIN）低于-140 dBc/Hz @100 kHz。上图为测量了EFA放大过程中的线宽增宽。下图为测量了EFA的强度噪声（RIN）以及最大输出功率为15W的低噪声单频1560nm光纤放大器实物图。

图片典型10 W LN-EFA-1550 相对强度噪声谱(RIN)（需要种子激光II-低噪声1560 nm种子激光）

最大输出功率15W的低噪声单频1560nm光纤放大器实物图

单通倍频及功率稳定

频准激光使用周期性极化晶体作为倍频介质，EFA输出1560 nm激光单次通过即可最大获得5W 780 nm激光。相较于腔内倍频，单次通过倍频方案无需任何锁定，不惧振动及温度循环，具有良好的环境适应性，还保持有较高的倍频效率。不仅如此，光纤输出的优良空间模式还得以保留，M2<1.1。

经过倍频后780 nm激光线宽是1560 nm种子激光线宽的两倍。由于倍频过程中， 780 nm输出功率与基频1560nm激光功率的平方成正比。因而，倍频后780 nm激光的强度噪声也将比基频光高6 dB。780 nm功率抖动比例是1560 nm基频光功率抖动比例的两倍（1560 nm 2%的功率不稳定性将引起780 nm4%的功率不稳定性）。同时为了进一步增加激光器的热稳定性，频准激光使用功率稳定模块，最高可在15-35℃温度循环下获得小于2%的功率稳定性。