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780 nm单频激光器

连续、大功率、低漂移、窄线宽、可调谐、线偏振、环境稳定

 780 nm单频激光与Rb原子5²S_1/2-5²P_3/2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。该方案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15W。
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
 

频准激光光纤DFB种子激光                    频准激光外腔半导体种子激光

 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跳模调谐（1nm）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5 kHz调谐带宽和3 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 7 GHz。由于可以使用电流调谐，因而其快速调谐带宽可以达到1 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200 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）

频准激光研发的掺Er光纤放大器（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。相对于直接采用780 nm 半导体功率放大的方案而言（最大3 W)，频准激光研发的EFA方案，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。

低噪声单频1560nm光纤放大器实物图

空间输出780 nm单频激光器 FL-SF-780

为了满足以Rb原子为介质的原子物理科研及应用，频准激光使用倍频技术，获得了最高达15 W的780 nm激光。由于具备可搬运，低漂移，抗振动等优良的环境适应性，FL-SF-780nm产品已用于用户Rb原子干涉仪的外场实验并完成了连续数月的饱和吸收光谱稳频。

• 窄线宽<20 kHz （可低至2 kHz）
• 可选低强度噪声 (RIN <-130 dBc/Hz @ 100 kHz)
• 大功率 (15 W)
• 优异的光束质量 (M² <1.1)
• 功率稳定 (峰峰值<1% @25℃, <2% @15-35℃）
• 环境稳定(15-35℃，0.5 Grms(0-200 Hz))
• Rb原子
• 魔术光晶格

1：可接受定制。FL-SF 接受765-795nm范围定制
2：取决于种子激光，种子激光可外置
3：可选择低噪声种子取得低强度噪声

光纤输出780 nm单频激光器 FL-SF-780

• 窄线宽<20 kHz （可低至2 kHz）
• 可选低强度噪声 (RIN <-130 dBc/Hz @ 100 kHz)
• 大功率 (2 W)
• 优异的光束质量 (M² <1.1)
• 功率稳定 (峰峰值<1% @25℃, <2% @15-35℃）
• 环境稳定(15-35℃，0.5 Grms(0-200 Hz))
• Rb原子

1：可接受定制。FL-SF 接受765-795nm范围定制
2：取决于种子激光，种子激光可外置
3：可选择低噪声种子取得低强度噪声

780 nm单频激光器 FL-SF-780

双路光纤输出780 nm单频激光器 FL-SF-780-2

频准激光瞄准冷原子重力仪梯度仪对780nm激光器的需求，推出了功率高达1W/2W的双路输出的780nm单频光纤激光器。两路激光输出频差可以通过拍频锁频、拍频锁相进行锁定，并且可定制1560/780分光接口，这为重力仪、量子光学等高端应用提供了高性能光源。双路的1560nm的种子激光、放大器、倍频模块集成于一个小型风冷机箱中，整机结构紧凑，性能稳定可靠，可以通过震动高低温等环境测试。

• 窄线宽<20 kHz （可低至2 kHz）
• 可选低强度噪声 (RIN <-130 dBc/Hz @ 100 kHz)
• 大功率 (2 W)
• 优异的光束质量 (M² <1.1)
• 可调谐
• 线偏振
• 功率稳定 (峰峰值<1% @25℃, <2% @15-35℃）
• 环境稳定(15-35℃，0.5 Grms(0-200 Hz))
• Rb原子
• 魔术光晶格
• 光镊
   

■高低温冲击性能表现
■高低温冲击下的频率稳定性
■高低温存储

0℃-50℃中心频率漂移约为340Mhz，25℃单点中心频率漂移2小时约为40MHz
-30℃-70℃的高低温冲击存储实验，高低温冲击后激光器出光正常

■高低温冲击下的功率稳定性

 

环境温度0℃-50℃变化，每次变化10℃，功率会在变温过程中有个阶跃，但是每个温度点下，功率保持稳定。

测试第一路输出激光高低温过程中每个温度点下的稳定性，在0℃，50℃极限温度下的2小时RMS功率稳定性都优于0.2%
第二路输出激光的功率稳定性也优于0.2%（单温度点，RMS）

■频率调谐测试

种子预留扫频接口，780nm激光扫频范围约为3.2GHz。
 

FL-SF-780-2尺寸图

通过合理的频率锁定点选择，适当的双路频差控制以及移频，单台频准激光双路输出780nm激光器即可提供铷原子重力仪实验所需的所有激光。该产品具有良好的环境适应性，是可搬运原子重力仪激光光源的优秀选择

 780nm激光频率稳定模块

为了满足冷原子物理实验对激光频率的需求，频准激光搭配780nm激光器推出了多种不同的频率稳定方案。我们设计了集成式的稳频光路，并采用多种不同的光纤器件，最终实现了全光纤连接的稳频光学模块。利用该模块可以获得稳定的Rb原子饱和吸收谱和调制转移谱谱线信号，搭配频准激光的激光锁定控制模块Preci-Lock，可以实现长期稳定的780nm激光频率锁定。
冷原子相关实验中往往需要两束激光保持特定的频差。例如基于85Rb原子的原子干涉仪，其冷却光与回泵光之间频差接近3GHz，两束拉曼光频差3.03GHz；对87Rb原子这两个频差分别是接近6.6GHz和6.83GHz。为了实现多路激光的差频输出，频准激光推出了拍频锁频/拍频锁相模块，利用专用的锁定控制模块Preci-Beat，可以实现两束激光频差在50MHz-8GHz范围内的锁定。
◆集成稳频光路
频准激光将空间稳频光路进行集成并通过光纤跳线与其余器件相连，实现了全光纤连接的集成稳频光路模块。该光路模块可用于获得铷的D2线饱和吸收谱线或调制转移谱线信号，为780nm激光稳频提供所需的误差信号。

◆锁定控制模块

为了满足780nm激光在不同情况下的频率稳定需求，频准激光推出了全功能性锁定控制器Preci-Lock。该模块集成有调制解调模块、PID模块以及高压放大模块，集误差信号产生，PID伺服，PZT驱动一体功能。同时，Preci-Lock由PC端软件操控，不含物理按键及旋钮，所采集的信号亦由PC端软件显示，无需额外示波器等信号采集显示仪器。根据客户需求，该控制器可使用内调制Lock-in方式利用原子饱和吸收或吸收光谱进行稳频，也可使用外调制与调制解调的方式利用PDH技术或调制转移谱技术进行稳频。
对多路激光输出的情况，频准激光也提供Preci-Beat控制器用于不同激光之间的拍频锁频和拍频锁相。Preci-Beat控制器集成有鉴频鉴相模块与PID模块，同样完全通过PC端软件显示和控制。

◆饱和吸收谱稳频
饱和吸收谱稳频模块采用了Lock-in的形式，根据获得的谱线来得到对应的误差信号进行激光稳频。以85Rb原子饱和吸收谱线为例，集成式稳频光路模块将饱和吸收谱信号提供给锁定控制器，锁定控制器则通过Lock-in生成相应的误差信号，从而实现780nm激光的稳频。
 

频准激光搭建了两套独立的饱和吸收谱稳频系统并分别对780nm激光器进行稳频，取各自的1560nm种子激光进行拍频测试来评估稳频的稳定性。

稳频精度：<±100kHz（12h）
频率稳定性：<1×10^-11（1000s）

◆调制转移谱稳频
调制转移谱稳频与饱和吸收谱稳频不同，采用外部调制和调制解调的方法得到谱线信号，且谱线信号将直接作为误差信号使用。同样以⁸⁵Rb原子调制转移谱为例，集成式稳频光路将待解调的调制转移谱信号和饱和吸收信号提供给锁定控制器，其中饱和吸收信号将作为锁定参考；锁定控制器通过解调获得调制转移谱信号作为误差信号实现780nm激光的稳频。由于原理不同，调制转移谱稳频与饱和吸收谱稳频误差的锁定点有差别。

Preci-Lock软件显示的饱和吸收谱（参考信号）与调制转移谱（误差信号）
 

同样通过两套独立的调制转移谱稳频模块进行780nm激光稳频，利用两路1560nm种子分光进行拍频测试以评估稳频结果。相对于饱和吸收稳频，调制转移谱稳频不受激光功率起伏影响，稳定性会更好。对稳频要求更高的场合频准激光推荐使用调制转移谱稳频。

稳频精度：<±100kHz（24h）
频率稳定性：<1×10^-11（1000s）
◆拍频锁频/拍频锁相模块
拍频锁频和拍频锁相模块用于多路激光的差频控制。以频准激光为⁸⁷Rb原子重力仪和原子重力梯度仪等应用推出的双路780nm单频光纤激光器频率控制为例，可以采用移频或边带调制转移谱稳频技术将第一路激光频率以特定频差锁定在D2线基态F=2到上能级F=3共振峰上，为原子干涉仪实验提供所需的冷却光、淬灭光、第一拉曼光和探测光等；另一路激光则可以通过拍频锁相与第一路激光保持6.834GHz的频差，为原子重力仪实验提供回泵光、第二拉曼光等。

Preci-Beat控制软件显示的误差信号及输出信号

拍频锁频/拍频锁相功能由激光锁定控制器Preci-Beat实现。高速探测器将两路激光拍频后的差频信号提供给Preci-Beat控制器，控制器内的鉴频鉴相模块根据差频信号和本地信源提供的参考信号生成相应的误差信号，并通过高速PID模块实现激光的频率稳定。

3.4GHz拍频锁相下的1560nm种子激光拍频信号
 

在⁸⁷Rb原子重力仪应用中，部分场合除了需要激光保持特定频差，还需要频差的跳变，例如原子干涉中为了补偿多普勒效应拉曼光频率需要啁啾或跳变。Preci-Beat模块也为客户提供频率跳变功能，在不同差频之间跳变，切换时间<10μs。