Emission spectrum of a diode laser with an external cavity under the combined action of microwave and VHF modulation of .pdf Введение Работы по повышению стабильности квантовых стандартов частоты ведутся непрерывно с момента их создания. В настоящее время широко используются часы на основе явления резонанса когерентного пленения населенности (КПН), открытого в 1970-е гг. [1, 2]. Для накачки таких часов наиболее часто используются лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL), основными преимуществами которых являются малые габариты и низкий уровень потребления энергии [3, 4]. К тому же миниатюрные размеры данного типа лазеров дают возможность эффективно модулировать спектр излучения в широком интервале СВЧ-частот, в том числе и на частоте сверхтонкого перехода основного состояния D1 линии изотопа рубидия-87 (6.834 ГГц). Ширина спектра подобных лазеров (порядка 50 МГц [5]) не позволяет использовать их для создания оптических стандартов частоты. Переход к созданию комбинированного стандарта частоты возможен при использовании полупроводниковых лазеров с внешним резонатором, ширина линии которых порядка 60 кГц [6]. Для наблюдения КПН-резонансов частота СВЧ-модуляции νmod должна перестраиваться вблизи величины f0/m, где f0 - частота часового перехода, а m - целое число [7, 8]. Было показано, что эффективная СВЧ-модуляция тока инжекции диодного лазера достигается в случае согласования длины внешнего резонатора с частотой модуляции [9, 10]. Однако наблюдавшаяся в этом случае разность амплитуд боковых полос спектра [8] будет приводить к световому сдвигу частоты КПН-резонанса. Многочастотный режим генерации He-Ne-лазера на 3.39 мкм при модуляции частотой 22.4 кГц с индексом модуляции 3.1 позволил получить узкие интенсивные резонансы на F2(2) линии метана с низким уровнем световых сдвигов [11]. Снизить световые сдвиги и увеличить амплитуду КПН-резонанса было предложено за счет использования многочастотной накачки на основе фемтосекундного лазера [12]. Однако из широкого спектра такого лазера только небольшая часть компонент, совпадающих с оптическими переходами, будет давать вклад в накачку резонанса, что приводит к низкому соотношению сигнал/шум. Серия КПН-резонансов на зеемановских подуровнях одного из сверхтонких уровней основного состояния наблюдалась при накачке многочастотным излучением диодного лазера с внешним резонатором [13]. В этом случае, в отличие от классического КПН-резонанса на частоте часового перехода [1], резонанс наблюдается при совпадении частоты модуляции с частотным интервалом между зеемановскими подуровнями. В работе [14] предложен способ создания многочастотной накачки при модуляции тока инжекции диодного лазера ОВЧ-частотами в диапазоне 68-100 МГц. В этом случае при определенных параметрах модуляции удалось достичь равенства амплитуд боковых полос спектра, что важно для снижения светового сдвига КПН-резонанса. Однако управление разностью частот между соответствующими компонентами боковых полос возможно только изменением длины резонатора (межмодовой частоты) [15]. Для создания многочастотной накачки КПН-резонансов было предложено использовать излучение диодного лазера с внешним резонатором, ток инжекции которого модулируется одновременно СВЧ- и ОВЧ-сигналами [16]. Была зарегистрирована тонкая ОВЧ-структура на боковых полосах спектра. Однако вопрос об управлении положением спектральных компонент оставался открытым. В данной работе представлены результаты исследований влияния параметров СВЧ- и ОВЧ-модуляции на спектр излучения диодного лазера с внешним резонатором. Экспериментальная установка Схема (рис. 1) и подробное описание экспериментальной установки содержится в работе [16]. Рис. 1. Схема измерений спектра излучения лазера: 1 - источник постоянного тока; 2, 17 - генераторы пилообразного напряжения; 3 - ВЧ-генератор; 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 Пороговый ток лазера составил 49 мА, а длина резонатора устанавливалась таким образом, чтобы значение его межмодового интервала было близко к половине частоты часового перехода основного состояния D1 линии изотопа рубидия-87. Инжекционный ток лазера через смеситель модулировался одновременно СВЧ- и ОВЧ-сигналами. Для записи огибающих спектра использовался интерферометр Фабри - Перо, а для записи тонкой (ОВЧ) структуры спектра - аналогичный гетеродинный лазер. Экспериментальные результаты и их обсуждение Измерения проводились при токе инжекции исследуемого лазера 56 мА, когда длина волны излучения была близка к длине волны оптических переходов Rb-87 (~ 795 нм). Исследования, выполненные при помощи сканируемого интерферометра Фабри - Перо, показали, что при включении слабой ОВЧ-модуляции (0.32 мВт) амплитуда боковых полос спектра возрастает, в то время как амплитуда несущей уменьшается, а при изменении ОВЧ спектр излучения остается практически неизменным (рис. 2). Запись тонкой структуры на боковых полосах спектра с помощью гетеродинного лазера показала, что при тех же условиях частота одной из компонент остается неизменной и совпадает с частотой компоненты, наблюдаемой в отсутствие ОВЧ-модуляции (рис. 3). Интервалы между остальными компонентами структуры, как и ожидалось, определяются частотой ОВЧ-модуляции. Рис. 2. Спектр излучения лазера при СВЧ-модуляции частотой 3.4 ГГц и мощностью 40 мВт (кр. 1) и при совместном действии ОВЧ-модуля¬ции мощностью 0.32 мВт и частотой: кр. 2 - 85 МГц, кр. 3 - 100 МГц, кр. 4 - 119 МГц Рис. 3. Тонкая структура спектра излучения лазера при СВЧ-модуляции частотой 3.4 ГГц и амплитудой 40 мВт (кр. 1) и при совместном действии ОВЧ-модуляции амплитудой 0.32 мВт и частотой: кр. 2 - 85 МГц, кр. 3 - 100 МГц, кр. 4 - 119 МГц на НЧ- (а) и ВЧ- (б) боковых полосах спектра Увеличение мощности модуляции приводит к некоторому сдвигу структуры как целого. Зависимость положения центральной ОВЧ-компоненты спектра от мощности ОВЧ-модуляции представлена на рис. 4. Погрешность измерений составила величину порядка 10 МГц. Измерения проводились при мощности ОВЧ-модуляции до 2 мВт, поскольку при дальнейшем ее увеличении тонкая структура размывается [16], что может быть связано с взаимным влиянием компонент структуры друг на друга. Определение линейного теплового сдвига путем многократных измерений во времени позволило компенсировать его при обработке описанных результатов. Видно, что на исследуемом интервале мощностей модуляции на каждой из боковых полос структура смещается в высокочастотную область на величину около 45 МГц/мВт, в то время как частотный интервал между боковыми полосами остается неизменным. Рис. 4. Положение ОВЧ-структуры при изменении мощности ОВЧ-модуля¬ции частотой 100 МГц на НЧ-полосе (квадрат) и ВЧ-полосе (треугольник); СВЧ-модуляция частотой 3.4 ГГц и мощностью 40 мВт Далее рассмотрим влияние параметров СВЧ-модуляции на спектр излучения диодного лазера. Известно, что при СВЧ-модуляции тока инжекции положение боковых полос определяется частотой сигнала [7, 10]. С введением дополнительной ОВЧ-модуляции изменение частоты СВЧ-сигнала от 3.40 к 3.45 ГГц (рис. 5) приводит к смещению структуры НЧ-полосы спектра на величину (-50±5) МГц, а ВЧ полосы - на (50±5) МГц. То есть интервал между боковыми полосами спектра, как и следовало ожидать, изменяется на 100 МГц. Это свидетельствует о том, что при совместном действии ОВЧ- и СВЧ-модуляции интервал между боковыми полосами управляется частотой СВЧ-сигнала. Рис. 5. Положение структуры при изменении частоты СВЧ-модуляции амплитудой 40 мВт от 3.4 ГГц (кр. 1) к 3.45 ГГц (кр. 2) и совместном действии ВЧ-модуляции частотой 100 МГц и амплитудой 0.1 мВт на НЧ- (а) и ВЧ- (б) боковых полосах спектра Изменение мощности СВЧ-модуляции от 2.5 до 40 мВт не приводит к изменению положения структур на боковых и несущей полосах спектра, в то время как амплитуды ОВЧ-компонент напрямую зависят от мощности СВЧ-модуляции. Заключение Экспериментально продемонстрировано, что тонкая структура, наблюдаемая на боковых полосах спектра при совместном действии СВЧ- и ОВЧ-модуляции, привязана к СВЧ-компонентам. При изменении мощности ОВЧ-модуляции от 0 до 2 мВт наблюдается сдвиг оптической частоты излучения на величину (45±10) МГц/мВт, а модуляция СВЧ-сигналом мощностью до 40 мВт не приводит к сдвигу, меняются лишь амплитуды отдельных ОВЧ-компонент.

Скачать электронную версию публикации