原子饱和吸收稳频实验

一、实验目的

        1、掌握激光稳频的基本原理；

        2、学会搭建用干激光稳频的光学系统和电学系统，并得到用干稳频的频率误差信号；

        3、掌握—阶谐波、三阶谐波微分稳频的技术；

        4、通过调节调制频率的相位等参数观察误差信号的变化规律，最后优化各种用干稳频的参数，并将激光频率锁定干枷87原子的跃迁线中心；

        5、学会获得长时间激光频率锁定的方法。

二、实验原理

        激光稳频就是将激光的频率通过某种方法锁定到一个频率参考源上的方法。半导体激光器稳频的基本原理为：通过加调制的方法改变半导体激光器的外腔参数（腔长，光栅转角等）或其工作电流、工作温度，使其输出激光的频率受到相应的调制，从而在相应的光谱输出有对应的强度变化，然后我们对光谱强度变化进行一定处理，从而得到激光频率偏移参考中心频率的信号，再根据此信号由稳频系统向半导体激光器反馈入相应的控制参量，用以把输出光频率控制在参考频率处。最终得到频率稳定的激光输出。

图1 稳频电路框架

        我们半导体激光器的稳频系统由五大模块组成：可调谐半导体激光器， 精密电流控制， 精密温度控制，PZT外腔驱动器，稳频电路系统（伺服环路）。可调谐半导体激光器用于获得可以调谐的激光输出。精密电流控制主要是向激光器供流，精密温度控制是控制激光器中工作物质（半导体）的温度，PZT外腔驱动器用于控制半导体激光器的外腔长，由此可以进行激光频率调谐。稳频电路系统由几个部分组成：信号发生器，带通滤波整形，信号移相，带通滤波放大，鉴相器，低通滤波放大（如图1所示），主要是把光谱强度变化进行一定处理， 得到误差信号，把得到的误差信号反馈给半导体激光器的控制系统，实现稳频。

三、实验内容简介

        1、在学会搭建用于激光稳频的光学系统（即搭建用干观测饱和吸收光谱的光学系统和电学系统，并得到其光谱）和电学系统基础上，并得到用干稳频的频率误差信号；

        2 、学会激光频率锁定的方法。

四、实验简介

        激光虽然有单色性很好的优点，但一般来说，激光器产生的激光频率并不十分稳定， 而是在随电流、环境温度以及激光器本身的机械形变等因素而改变。在诸多领域扮演重要角色的激光，其频率的稳定性是关键。激光稳频就是将激光的频率通过某种方法锁定到一个频率参考源上的方法。而目前的频率参考源有两种，原子、分子的光跃迁线以及光学谐振腔。当激光与原子相互作用或者通过光学谐振腔时，由于原子对激光的吸收或者激光在光学谐振腔内的驰豫，激光的幅度和相位都会发生变化。用激光频率的调制与解调技术将激光的这种变化转换为电信号（即频率的误差信号如图2、图3所示）并用于对激光的频率进行反馈控制，最终得到频率稳定的激光输出。本实验主要是掌握激光稳频的基本原理，并学会搭建用千激光稳频的光学系统和电学系统，并得到用于稳频的频率误差信号，并能通过调节调制频率的相位等参数观察误差信号的变化规律，最后优化各种用于稳频的参数并将激光频率锁定千枷87原子的跃迁线中心。

图2 铷原子饱和吸收光谱与一阶谐波的误差信号

图3 铷原子饱和吸收光谱与三阶谐波的误差信号