空間窄線寬激光器腔前耦合光學(xué)系統(tǒng)研制

劉軍,許冠軍,張林波,陳龍,張秀萍, 江晨暉,劉濤

(1.中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心,西安 710600；2.中國科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710600； 3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；4.西北工業(yè)大學(xué),西安 710072)

0 引言

空間新型高精密時(shí)頻工程及其相關(guān)應(yīng)用技術(shù)[1-10]受到世界上主要發(fā)達(dá)國家的重視和研究,空間鍶原子光鐘[9,11-13]是目前這種研究和應(yīng)用的典型代表。空間窄線寬激光器[10,14-18]作為空間鍶原子光鐘的本振源,是實(shí)現(xiàn)空間鍶原子光鐘中短期頻率穩(wěn)定度的重要保證。歐洲在“空間光鐘計(jì)劃”支持下,在空間窄線寬激光器的研究方面取得了一些突破[9-10],但仍面臨許多技術(shù)上的挑戰(zhàn),主要困難之一就是系統(tǒng)光-機(jī)-熱耦合的長期穩(wěn)定性問題。國內(nèi),中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所新近報(bào)道了用于空間冷原子銣鐘的激光冷卻集成光學(xué)平臺(tái)[19],采用了DBR半導(dǎo)體激光器,實(shí)現(xiàn)了線寬小于1 MHz的激光輸出,滿足了其銣原子激光冷卻的要求；中國科學(xué)院武漢物數(shù)所報(bào)道了用于實(shí)驗(yàn)室鈣離子光鐘的緊湊型窄線寬激光器方面的研究進(jìn)展[20],但是在小型化和工程應(yīng)用方面仍然面臨許多技術(shù)上的困難。本文介紹應(yīng)用于我國未來空間鍶原子光鐘鐘激光器腔前光學(xué)系統(tǒng)的研制情況,為最終實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用做好了技術(shù)上的準(zhǔn)備和經(jīng)驗(yàn)積累。該系統(tǒng)主要用于參考腔高斯光束的模式匹配,穩(wěn)定的光功率耦合,以及鑒頻誤差信號(hào)探測(cè)。

1 光路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)腔前光路如圖1所示,以實(shí)現(xiàn)腔前耦合光學(xué)系統(tǒng)的功能。為實(shí)現(xiàn)實(shí)際光路系統(tǒng)的小型化,全部光學(xué)元件,如反射鏡、波片等均采用規(guī)格為12.7 mm的器件,光學(xué)元件的安裝座及參考腔模式匹配透鏡組、光電探測(cè)器等均采用小型化設(shè)計(jì)。

注： MLPB為主光路板;C為光纖準(zhǔn)直器;MML為模式匹配透鏡組;IO為光學(xué)隔離器;HWP為1/2波片;PBS

圖1中,從主光路板(main light path board,MLPB,本文中未涉及)上激光器發(fā)出的激光經(jīng)電光相位調(diào)制后,使用長0.5 m的單模光纖傳輸?shù)角磺榜詈瞎鈱W(xué)板上。單模光纖與光纖準(zhǔn)直器相連,該準(zhǔn)直器與模式匹配透鏡組(詳見下文)采用螺紋精密牢固配合,光束經(jīng)過該透鏡組變換后滿足參考腔所需高斯光束的特性參數(shù),實(shí)現(xiàn)與參考腔之間的模式匹配和光功率耦合。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),電光調(diào)制器(EOM)與參考腔之間的光學(xué)反射面形成的“標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)”會(huì)引入較大的剩余幅度調(diào)制(RAM)[21-22],因此EOM和參考腔之間需要進(jìn)行光學(xué)隔離,以減弱后向反射進(jìn)入EOM的駐波。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),光學(xué)隔離器放置在靠近EOM一側(cè)時(shí)對(duì)與標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)相關(guān)的RAM抑制效果更佳。出射光束經(jīng)過PBS變?yōu)榫€偏振光,PBS與HWP配合使用可實(shí)現(xiàn)入腔激光功率調(diào)節(jié)。腔前耦合光學(xué)系統(tǒng)的另一個(gè)主要功能是對(duì)鑒頻誤差信號(hào)進(jìn)行探測(cè),經(jīng)參考腔反射的線偏振光偏振面與入射光束相比轉(zhuǎn)過90°,經(jīng)過QWP與PBS構(gòu)成的光學(xué)隔離組件提取后被光電探測(cè)器PD探測(cè),PD輸出的信號(hào)與本地信號(hào)混頻,解調(diào)出來的信號(hào)即為鑒頻誤差信號(hào)。圖2所示為腔前光學(xué)系統(tǒng)和參考腔之間實(shí)現(xiàn)光機(jī)耦合的示意圖,腔前光學(xué)基板是腔前耦合光學(xué)系統(tǒng)的載體,它的機(jī)械穩(wěn)定性決定入腔光束位置的穩(wěn)定性。

注： M為反射鏡;IO為隔離器;MML為模式匹配透鏡組;C為光纖準(zhǔn)直器;PD為光電探測(cè)器;QWP為1/4波片;L為透鏡;PBS為偏振分束棱鏡;HWP為1/2波片

圖2 腔前光學(xué)耦合系統(tǒng)示意圖

2 主要光學(xué)組件設(shè)計(jì)和研制

光學(xué)組件是實(shí)現(xiàn)特定光學(xué)功能不可或缺的物質(zhì)載體,本文主要討論腔前光學(xué)系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)——腔前光學(xué)基板,以及對(duì)光學(xué)系統(tǒng)小型化具有重要意義的模式匹配透鏡組的設(shè)計(jì)及研制。腔前光學(xué)基板的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是在小型輕量化的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)較高機(jī)械剛度、機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等方面的功能。模式匹配透鏡組的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于采用小型化、緊湊型光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所需穩(wěn)定地輸出高斯光束的特定參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)較高的模式匹配效率。

2.1 腔前光學(xué)基板

由于在軌運(yùn)行空間資源有限,因此系統(tǒng)在保證正常工作的需求下,要求其體積盡可能小、質(zhì)量盡可能輕量化。同時(shí)考慮到系統(tǒng)的剛度和長期光-機(jī)-熱耦合的穩(wěn)定性,在研制前期階段,我們選用航空鋁合金作為光學(xué)基板材料,并采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證其剛度。該光學(xué)基板輪廓尺寸為162 mm×68 mm×130 mm,基板側(cè)壁加強(qiáng)筋厚度為5 mm,底部安裝支撐面厚度為7 mm,基板腹部厚度為8 mm,在保證光學(xué)基板剛度的情況下,為進(jìn)一步減輕其重量,在光學(xué)基板腹部平面上和側(cè)壁加強(qiáng)筋上做了合適的鏤空處理,具體見圖3(a)和(c)所示,標(biāo)記c1-c4、s是光學(xué)基板上減輕質(zhì)量的鏤空結(jié)構(gòu),其中c4兼做入射到參考腔光束的通光孔徑。該光學(xué)基板質(zhì)量為0.62 kg,其底部通過M6螺栓和隔震平臺(tái)之間連接。在自由重力作用下,設(shè)計(jì)要求該光學(xué)基板最大形變量不超過1 μm,一階振動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)頻率大于100 Hz。

圖3 腔前光學(xué)基板三維視圖

使用有限元法分析計(jì)算了該光學(xué)基板在底面約束、自由重力加載條件下,豎直(-Z方向,按圖2中坐標(biāo)系,下同)和水平(Y方向)兩個(gè)方向上的形變情況。有限單元?jiǎng)澐謧€(gè)數(shù)約為100萬個(gè),單元形狀為四面體,選用牌號(hào)為2A12-T4的鋁合金材料,其密度為2 780 kg/m3,泊松比為0.33,彈性模量為72.4 GPa。圖4(a)為該光學(xué)基板豎直方向上有限元計(jì)算形變?cè)茍D,顯示其最大形變發(fā)生在光學(xué)基板上部區(qū)域,自由重力下的最大形變量為0.004 μm。圖4(b)為自由重力加載情況下,該光學(xué)基板水平方向上的形變?cè)茍D,計(jì)算顯示其最大形變也發(fā)生在光學(xué)基板的上部區(qū)域,最大形變量約為0.6 μm。將全部光學(xué)組件加載到該光學(xué)基板上后,有限元分析計(jì)算表明,豎直方向和水平方向上的形變最大的區(qū)域均位于光學(xué)基板的上部,相比較未加載光學(xué)組件情況下,豎直方向上最大形變量幾乎不變,水平方向上最大形變量略有增大。有限元計(jì)算該光學(xué)基板的一階振動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)頻率為977 Hz,遠(yuǎn)高于空間站固有震動(dòng)頻率,不易與其發(fā)生共振耦合。

圖4 光學(xué)基板有限元分析計(jì)算形變?cè)茍D

2.2 模式匹配透鏡組

入射到參考腔的光束必須滿足參考腔所需的高斯光束參數(shù),才能在一定入射光功率和一定電光相位調(diào)制深度條件下獲得最佳信噪比的鑒頻誤差信號(hào),否則將在腔內(nèi)激發(fā)高階模式,導(dǎo)致基于基模鑒頻誤差信號(hào)的信噪比降低,最終惡化鎖定激光的頻率穩(wěn)定度,因此需要對(duì)入腔光束進(jìn)行高斯光束變換。入腔高斯光束要求兩個(gè)參數(shù)與參考腔滿足模式匹配關(guān)系,即腔前耦合光學(xué)系統(tǒng)輸出高斯光束的束腰半徑要與參考腔的束腰半徑相等,束腰位置恰好和參考腔的束腰位置重合。本文中,參考腔采用平-凹腔鏡結(jié)構(gòu),其束腰位置位于光束入射端的平面鏡上。參考腔所需高斯光束由模式匹配透鏡組實(shí)現(xiàn)變換,該透鏡組輸出口位置距離參考腔平面鏡之間的距離被稱為“模式匹配距離”,該距離是實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)小型化的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)腔前光學(xué)系統(tǒng)的小型化和滿足入腔光束的模式匹配條件,我們?cè)O(shè)計(jì)研制了小型模式匹配透鏡組件。使用光學(xué)軟件計(jì)算已知輸入光束參數(shù)條件下,求解滿足預(yù)期輸出要求的透鏡組參數(shù)。已知輸入光束直徑為1 600 μm,波長為698 nm,要求輸出束腰半徑為200 μm,束腰位置距離組件輸出端口約為35 cm的透鏡組參數(shù)。該光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的特點(diǎn)是只能對(duì)單個(gè)光學(xué)元件的光學(xué)變換進(jìn)行計(jì)算而不能對(duì)若干個(gè)光學(xué)元件同時(shí)計(jì)算,計(jì)算過程中,將第一個(gè)光學(xué)元件的計(jì)算輸出結(jié)果作為第二個(gè)光學(xué)元件的輸入?yún)?shù),依此類推,計(jì)算滿足輸出要求的透鏡焦長分別為11.0 mm和5.5 mm。組件的小型化要求采用短焦非球面透鏡,該種透鏡對(duì)相互間縱向和橫向位置的變化很敏感,縱向距離變化會(huì)影響輸出高斯光束的參數(shù),橫向位置變化導(dǎo)致輸出光束的光斑質(zhì)量變差,最終影響模式匹配效率,因此要求安裝結(jié)構(gòu)必須具有良好的機(jī)械和熱學(xué)穩(wěn)定性,即要求材料的剛度大,熱膨脹系數(shù)小,為此我們選用不銹鋼材料。根據(jù)光學(xué)軟件計(jì)算結(jié)果,設(shè)計(jì)滿足裝配和調(diào)試透鏡組的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5(a)為所設(shè)計(jì)的透鏡組安裝機(jī)械結(jié)構(gòu)部件實(shí)物圖。該透鏡組裝配結(jié)構(gòu)采用套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),每個(gè)透鏡分別安裝到兩個(gè)套筒結(jié)構(gòu)上,分別稱為“內(nèi)套”和“外套”,兩套筒之間通過精密的螺紋匹配,螺距為300 μm。采用兩個(gè)K9玻璃短焦非球面透鏡配合使用,通過套筒之間距離的精密調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)匹配距離在(35±3) cm范圍變化,同時(shí)輸出光斑的半徑在(200±15) μm范圍內(nèi)變化,調(diào)試合適之后,使用位于兩套筒之間的鎖環(huán)將兩個(gè)套筒的位置鎖定。由于非球面透鏡的光學(xué)特性對(duì)縱向和橫向的距離十分敏感,因此在每個(gè)套筒的側(cè)壁上透鏡安裝卡槽位置處設(shè)計(jì)3個(gè)透鏡同軸調(diào)節(jié)頂絲,頂絲分布在一個(gè)圓周上,彼此之間的角位置為120°。圖5(b)為該組件裝配后與光纖準(zhǔn)直器及單模光纖匹配的套件實(shí)物圖。如圖5(c)和(d)所示,使用光束質(zhì)量分析儀(型號(hào)：BP209-VIS)分別測(cè)量與光束傳輸路徑垂直的兩正交方向上該透鏡組輸出光束的特性,并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合,擬合誤差小于4 μm。多次測(cè)量結(jié)果顯示,X方向上光斑半徑Wx為(207±10) μm,匹配距離L為(35±1.6) cm,Y方向光斑半徑Wy為(200±10) μm,匹配距離L為(35±1.2) cm,兩正交方向上光腰的位置基本重合,且光斑的畸變較小,兩正交方向光斑的直徑之比大于95%。該透鏡組完全滿足小型化腔前耦合光學(xué)系統(tǒng)和參考腔之間高斯光束的模式匹配要求。

其他光學(xué)組件均做了小型化設(shè)計(jì),特別是某些商售小型化光學(xué)組件的安裝固定結(jié)構(gòu),如基板正反兩面45°斜劈導(dǎo)光反射鏡架等,文中不再一一贅述。

圖5 小型化模式匹配透鏡組結(jié)構(gòu)及其輸出光束特性

3 腔前耦合光學(xué)系統(tǒng)可搬運(yùn)測(cè)試

測(cè)量一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)光機(jī)耦合穩(wěn)定性的一個(gè)方法是,將光信號(hào)輸入到該光學(xué)系統(tǒng),在一定條件下觀測(cè)其輸出光信號(hào)隨時(shí)間的變化情況[19]。腔前耦合光學(xué)系統(tǒng)輸出鑒頻誤差信號(hào)信噪比的長期穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)空間窄線寬激光器性能指標(biāo)的重要保障之一。鑒頻誤差信號(hào)的長期穩(wěn)定性與腔前耦合光學(xué)系統(tǒng)和參考腔之間的長期機(jī)械穩(wěn)定性密切相關(guān)。我們將通過鑒頻誤差信號(hào)來考察腔前耦合光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性,該量是基于Pound-Drever-Hall (PDH)技術(shù)[23]鎖頻的核心變量,定義鑒頻誤差信號(hào)的信噪比RSN如式(1)所示。

(1)

式(1)中,ε為鑒頻誤差信號(hào)峰峰值,slevel為鑒頻誤差信號(hào)噪聲本底。

在圖2中,假設(shè)腔前光學(xué)系統(tǒng)與參考腔實(shí)現(xiàn)最佳光學(xué)耦合匹配的情況下,入射光束與參考腔的光軸重合,此時(shí)記為光束1,該光束在模式匹配條件下在腔內(nèi)只建立基模共振,光波電場(chǎng)為E1=U0。假設(shè)腔前光學(xué)系統(tǒng)在Z方向上發(fā)生一個(gè)橫向偏移b,光束1成為光束2,那么相應(yīng)地參考腔內(nèi)光波電場(chǎng)將由式(2)[24]給出:

(2)

假設(shè)腔前光學(xué)系統(tǒng)在Y方向上發(fā)生α角度的傾斜,那么腔內(nèi)光波電場(chǎng)由式(3)[24]確定：

(3)

式(2)和式(3)中,A2和A3都是常數(shù),U0,U1和U2分別是參考腔的基模、一階模和二階模的光波電場(chǎng)。ω0為參考腔的束腰半徑,k=2π/λ,為傳播常數(shù),λ為波長。i2=-1,為虛數(shù)單位。

電光相位調(diào)制深度m<1時(shí),取一階近似,參考腔反射光波的電場(chǎng)為[25]

(4)

式(4)中,j=1,2,3,J為貝塞爾函數(shù),ω為激光頻率,ωm為電光調(diào)制頻率,m為調(diào)制深度,q為權(quán)重因子。

腔前光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)械形變,以及力學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性最終表現(xiàn)為入腔光束和參考腔光軸之間的相對(duì)位置變化,這種位置變化歸結(jié)為入腔光束相對(duì)于參考腔光軸發(fā)生橫向側(cè)移或傾斜,或者二者兼而有之,最終導(dǎo)致在腔內(nèi)激發(fā)高階模式,分配參考腔基模的光功率,導(dǎo)致基于基模的鑒頻誤差信號(hào)的信噪比降低,因此可以通過圖2中兩個(gè)變量b和α來考察腔前光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性,進(jìn)而通過式(2)和式(3)定量描述,也就是說,腔前光學(xué)系統(tǒng)的位置發(fā)生變化后,將導(dǎo)致腔內(nèi)模式發(fā)生變化。在一定調(diào)制深度下,鑒頻誤差信號(hào)ε大小與光電探測(cè)器輸出光電流i成正比,而光電流和入射到光電探測(cè)器上的光功率P成正比,即[25]：

(5)

因此,由式(2)～(5),腔前光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)械形變或位置變化必然反應(yīng)到參考腔內(nèi)激光模式的變化上,并最終反映到鑒頻誤差信號(hào)信噪比的變化。據(jù)此我們可以通過在一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)誤差信號(hào)信噪比來考察腔前光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,測(cè)量原理如圖6所示。激光器發(fā)出的光束經(jīng)電光相位調(diào)制后入射到參考腔,參考腔反射光束經(jīng)過1/4波片和偏振分束棱鏡提取后入射到光電探測(cè)器上,光電探測(cè)器輸出的射頻信號(hào)與經(jīng)過適當(dāng)相位延遲的本地信號(hào)進(jìn)行混頻解調(diào),解調(diào)信號(hào)經(jīng)過低通濾波后送入示波器觀測(cè)。測(cè)量中,本振信號(hào)源輸出20.05 MHz射頻信號(hào),該信號(hào)分為兩路,一路經(jīng)衰減后放大到23 dBm加載到EOM晶體上,一路輸出為7 dBm用于信號(hào)解調(diào)。參考腔精細(xì)度為200 000[26],入腔激光功率為65 μW。

注： EOM為電光調(diào)制器;LO為本振信號(hào)源;PS為相移器;Mixer為混頻器;LP為低通濾波器;Osclope為示波器;CAV為參考腔;圖中實(shí)線為光束傳輸路徑,虛線為電信號(hào)傳輸路徑

圖7為系統(tǒng)誤差信號(hào)信噪比監(jiān)測(cè)情況,橫坐標(biāo)表示監(jiān)測(cè)時(shí)間結(jié)點(diǎn),縱坐標(biāo)表示鑒頻誤差信號(hào)的信噪比(無量綱),監(jiān)測(cè)時(shí)間跨度約16個(gè)月。圖中,第2、3和第5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是腔前耦合光學(xué)系統(tǒng)與參考腔整體(二者共同安裝固定在小型主動(dòng)隔震平臺(tái)上,見圖2所示)在實(shí)驗(yàn)室空間內(nèi)來回搬運(yùn)、安放若干次后測(cè)得的結(jié)果。在搬運(yùn)過程中,隔震臺(tái)處于鎖定不工作狀態(tài)。在系統(tǒng)安放過程中平臺(tái)受到若干次沖擊,估算沖擊加速度>3 g(g=9.8 m/s2)。圖7中第1個(gè)和第3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是系統(tǒng)放置在實(shí)驗(yàn)室大光學(xué)平臺(tái)上時(shí)測(cè)得的結(jié)果,其他3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是系統(tǒng)安放在實(shí)驗(yàn)室地面隔音箱底板上時(shí)的測(cè)量結(jié)果,在整個(gè)測(cè)量過程中未對(duì)系統(tǒng)介入人工調(diào)試。測(cè)試結(jié)果表明,對(duì)一定大小的入腔光功率和電光調(diào)制深度,鑒頻誤差信號(hào)信噪比的變化約為5%,隨著時(shí)間的推移,其平均值總體上趨于平穩(wěn)。

圖7 誤差信號(hào)信噪比長期監(jiān)測(cè)

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于空間應(yīng)用的窄線寬激光器腔前耦合光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制,利用該系統(tǒng)輸出的鑒頻誤差信號(hào)信噪比隨時(shí)間的變化考察其光機(jī)耦合性能的長期穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi),經(jīng)過若干次搬運(yùn)安放后,測(cè)量該系統(tǒng)輸出鑒頻誤差信號(hào)的信噪比變化,表明鑒頻誤差信號(hào)信噪比的平均變化約為5%,搬運(yùn)后無需介入人工調(diào)試仍可長期穩(wěn)定工作,滿足小型化可搬運(yùn)窄線寬激光器原理樣機(jī)的應(yīng)用需求。后續(xù)還將從震動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)、高低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)、及鎖定后激光頻率和頻率穩(wěn)定度等方面對(duì)系統(tǒng)的力學(xué)-熱學(xué)-光學(xué)耦合的長期穩(wěn)定性進(jìn)行綜合測(cè)試和評(píng)估。