Combined microwave and HF modulation of injection current of a diode laser for multi frequency pumping of CPT resonances.pdf Введение С момента создания мазеров и лазеров непрерывно ведутся работы по повышению стабильности квантовых стандартов частоты [1]. Одними из наиболее массовых являются рубидиевые часы на основе когерентного пленения населенностей (КПН) резонансов, которые были предсказаны в [2] и практически сразу же зарегистрированы в ячейке с атомами натрия [3]. В работе [4] было проведено сравнение параметров КПН-резонансов для переходов в атоме Rb и показано, что сверхтонкий переход 5S1/2F2-5S1/2F1 основного состояния D1-линии изотопа рубидия-87 на длине волны 795 нм обладает минимальными световыми сдвигами и обеспечивает примерно в 10 раз более высокую интенсивность резонансов КПН по сравнению с использованием линии D2. Наиболее распространенным источником накачки рубидиевых стандартов частоты в настоящее время являются полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором, преимущество которых заключается в низком уровне потребления энергии и малых габаритах [5], что позволяет эффективно модулировать спектр излучения этого лазера в широком интервале СВЧ-частот, в том числе и на частоте часового перехода. Ширина спектра подобных лазеров составляет величину порядка 50 МГц [6]. В то же время полупроводниковые лазеры с внешним резонатором обладают существенно меньшей шириной линии (порядка 60 кГц) [7], что позволит использовать их для создания комбинированного стандарта частоты оптического и СВЧ-диапазона. В работе [8] осуществлена оптическая накачка КПН-резонансов в атомах рубидия при субгармонической синусоидальной частотной модуляции тока инжекции диодного лазера на частоте 1.139 ГГц с индексом модуляции 4.2 и зарегистрирован резонанс шириной 3 кГц на частоте часового перехода (6.834682613 ГГц). Вместе с тем была продемонстрирована эффективная СВЧ-накачка в диодном лазере с внешним резонатором, межмодовый интервал которого согласован с частотой часового перехода [9]. Однако наблюдавшееся отличие амплитуд боковых компонентов будет приводить к световому сдвигу частоты КПН-резонансов. В работе [10] описан способ снижения световых сдвигов за счет многочастотной накачки фемтосекундным лазером. Однако доля спектральных компонентов, совпадающих с оптическими переходами, составляет порядка 10-3, что приводит к низкому соотношению сигнал/шум. При ВЧ-модуляции инжекционного тока полупроводникового лазера был получен режим генерации с равными по амплитуде боковыми полосами, отстоящими друг от друга на величину вблизи частоты часового перехода атома рубидия [11]. Однако исследование тонкой структуры спектра показали, что ВЧ-структура наблюдается только при слабом модулирующем сигнале, а с увеличением мощности, когда достигается равенство амплитуд боковых полос, структура размывается [12]. В представленной работе приведены результаты исследований спектра излучения диодного лазера (λ = 795 нм) при совместной СВЧ- и ВЧ-модуляции тока инжекции с целью создания многочастотной накачки КПН-резонансов. Экспериментальная установка Оптическая схема диодного лазера была подробно описана в работе [9]. Длина резонатора лазера устанавливалась таким образом, чтобы значение его межмодового интервала совпадало с половиной частоты часового перехода основного состояния линии D1 изотопа рубидия-87. Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Сигналы от источника постоянного тока 1, ВЧ-генератора 3 и СВЧ-генератора 5 через смеситель 4 поступали на исследуемый лазер 7. Для регистрации его спектра в широком спектральном интервале излучение через оптический изолятор 9 направлялось на сканируемый интерферометр Фабри - Перо 15, который был образован плоскими зеркалами с пропусканием для входного 5 % и выходного 40 %. Его область свободной дисперсии составляла 20 ГГц. Выходное зеркало интерферометра было прикреплено к пьезокерамическому преобразователю 16, который использовался для сканирования длины интерферометра с помощью цифрового генератора пилообразного напряжения 17. Входное зеркало крепилось на другом пьезокерамическом преобразователе 14, длина которого управлялась при помощи источника постоянного напряжения 13. Последнее обстоятельство позволяло располагать исследуемые спектры в центральной части экрана осциллографа. После интерферометра излучение поступало на фотодетектор 18, с выхода которого сигнал подавался на цифровой осциллограф 19. На другой вход осциллографа поступал также сигнал от генератора пилообразного напряжения 17. Рис. 1. Схема измерений спектра излучения лазера: 1 - источник постоянного тока; 2, 17 - генераторы пилообразного напряжения; 3 - ВЧ-генера¬тор; 4 - смеситель; 5 - СВЧ-генератор; 6 - гетеродинный лазер; 7 - исследуемый лазер; 8, 19 - цифровые осциллографы; 9 - оптический изолятор; 10, 18 - фотодетекторы; 11 - полупрозрачное зеркало; 12 - поворотное зеркало; 13 - источник постоянного напряжения; 14, 16 - пьезокерамические преобразователи; 15 - сканируемый интерферометр Фабри - Перо. Штриховые линии - световые пучки, сплошные линии - электрические связи Для изучения тонкой структуры спектра использовался гетеродинный полупроводниковый лазер 6, излучение которого через систему зеркал 11, 12 смешивалось со световым пучком исследуемого лазера и поступало как на фотоприемник 10, так и на сканируемый интерферометр Фабри - Перо 15. Частота гетеродинного лазера сканировалась генератором пилообразного напряжения 2 с периодом 40 мс. Напряжение с фотоприемника 10 подавалось на цифровой осциллограф 8, на другой вход которого поступал сигнал от генератора пилообразного напря¬жения 2. Экспериментальные результаты Исследования спектра излучения диодного лазера с внешним резонатором были выполнены при совместной СВЧ- и ВЧ-модуляции. Пороговый ток инжекции лазера составлял 49 мА. Были записаны спектры при различных токах инжекции исследуемого лазера (53, 54 и 56 мА) и частотах ВЧ-модуляции (68, 85 и 100 МГц). На рис. 2 приведены спектры излучения исследуемого лазера при токе инжекции 56 мА, СВЧ-модуляции мощностью 16 дБм на частоте 3.4 ГГц для различных амплитуд ВЧ-сигнала на частоте 68 МГц. Равенство амплитуд боковых полос, необходимое для снижения световых сдвигов в КПН-резонансах, достигается при ВЧ-модуляции -2.5 дБм. Рис. 2. Спектры излучения исследуемого лазера при токе инжекции 56 мА с одновременной СВЧ- (на частоте 3.4 ГГц и мощностью сигнала 16 дБм) и ВЧ- (на частоте 68 МГц) модуляцей; а, б, в - записи ВЧ-структуры для низкочастотной, высокочастотной и центральной спектральных полос соответственно; г - спектр интенсивности излучения, записанный с помощью сканируемого интерферометра Фабри - Перо Форма биений (рис. 2, а, б, в) имеет вид «бабочки», поскольку фотодетектор регистрировал только переменный сигнал с максимумом чувствительности на частоте порядка 15 МГц. Область сканирования частоты гетеродинного лазера была ограничена величиной порядка 1 ГГц, поэтому ВЧ-структура излучения исследуемого лазера регистрировалась последовательно в различных частотных окнах для его несущей и боковых составляющих за счет изменения частоты гетеродинного лазера. Частотный интервал «тонкой» структуры спектров как на несущей (рис. 2, в), так и на низкочастотной (рис. 2, а) и высокочастотной (рис. 2, б) полосах задавался частотой ВЧ-генера¬тора. Число ВЧ-компонент на каждой из полос растет с увеличением амплитуды ВЧ-модуляции, однако при некотором значении «насыщается». При модуляции 0 дБм биения на всех полосах размываются и спектр становится сплошным. Ширина каждой из полос при равенстве амплитуд боковых по уровню 10 % от максимума составляет около 800 МГц. Это обеспечивает совпадение спектральных компонент с оптическими частотами. С помощью сканируемого интерферометра наблюдался спектр излучения лазера с разрешением ~ 1 ГГц в диапазоне 20 ГГц. Как видно из рис. 2, г, в отсутствие ВЧ-модуляции интенсивность низкочастотной СВЧ-составляющей спектра больше, чем высокочастотной, что может быть связано с совместным действием частотной и амплитудной модуляции [9]. С ростом мощности ВЧ-модуляции отношение амплитуд высокочастотной полосы к низкочастотной возрастает и при -2.5 дБм достигает единицы, а амплитуды полос в высокочастотной области увеличиваются. «Проседание» одной из ВЧ-компонент на высокочастотной боковой полосе (рис. 2, б), по-видимому, связано с наличием амплитудной модуляции, сопровождающей частотную, и с нелинейной зависимостью мощности от тока инжекции. При увеличении частоты модуляции до 100 МГц ширина спектра на каждой из полос по уровню 10 % от максимума достигает значения 1 ГГц. Принципиально картина аналогична частоте модуляции 68 МГц: при мощности модуляции -3.4 дБм удается достичь равенства амплитуд боковых полос (рис. 3, г) и зарегистрировать при этих параметрах разрешенную ВЧ-структуру (рис. 3, а, б, в); на высокочастотной СВЧ-полосе наблюдается проседание амплитуды одной из ВЧ-компонент (рис. 3, б); с увеличением мощности ВЧ-модуляции возрастает амплитуда высокочастотных СВЧ-полос первого, второго и третьего порядков. Рис. 3. Спектры излучения исследуемого лазера с током инжекции 56 мА при одновременной СВЧ- (на частоте 3,4 ГГц и мощностью сигнала 16 дБм) и ВЧ- (на частоте 100 МГц) модуляции; а, б, в - записи ВЧ-структуры для низкочастотной, высокочастотной и центральной спектральных полос соответственно; г - спектр интенсивности излучения, записанный с помощью сканируемого интерферометра Фабри - Перо Стоит отметить, что в отличие от спектров при частоте модуляции 68 МГц, биения на всех полосах (рис. 3, а, б, в) размываются при мощности модуляции -2 дБм, затем вновь становятся разрешенными (-1 дБм) и размываются окончательно (0 дБм). Это возможно связано с взаимным влиянием ВЧ-компонент различных полос спектра. Качественно поведение спектра излучения лазера при ВЧ-модуляции на частоте 85 МГц не отличается от описанных выше. Ширина спектра по уровню 10 % от максимума составила около 900 МГц, равенство амплитуд боковых полос достигается при ВЧ-сигнале -1.7 дБм. При токах инжекции 53 и 54 мА тонкая структура наблюдается при слабых ВЧ-сигналах. Однако при достижении равенства амплитуд боковых СВЧ-полос структура размывается. Заключение Совместная СВЧ- и ВЧ-модуляция тока инжекции лазерного диода (λ = 795 нм) позволила реализовать режим генерации с равными по интенсивности боковыми полосами спектра, разнесенными на ±3,4 ГГц, когда каждая из полос имеет ВЧ-структуру шириной порядка 1 ГГц, что может быть использовано для снижения полевых сдвигов КПН-резонансов и, следовательно, позволит повысить стабильность стандартов частоты.

Скачать электронную версию публикации