摘要
研究表明，在混合外腔激光器（HECL）中使用扫描法布里-珀罗干涉仪（FPI）进行体布拉格光栅（VBG）的原位对准，能够在紧凑的结构中实现单纵模（SLM）激光输出，并具有高度的波长稳定性。美国Innovative Photonic Solutions (IPS) 公司观察到，与非外腔结构相比，使用外腔结构后激光线宽大约减小了10倍。利用这项技术，IPS公司制造了用于锂原子激光冷却与俘获的671 nm紧凑型激光二极管。在生产过程中，使用光谱分析仪（OSA）测得的激光线宽为0.01 nm，这受限于仪器的分辨率。然而，通过外差拍频方法测得的实际激光线宽小于100 kHz，并且可以通过改变有效腔长进行调谐。这种简单、低成本的设计也已应用于制造用于铷原子的780 nm和795 nm激光器、用于铯原子的852 nm和894 nm激光器以及用于镱原子的1156 nm激光器，以匹配它们各自的原子跃迁。本文将详细介绍这些激光器的设计、LIV特性、使用FPI进行的SLM表征以及线宽，这些激光器对激光冷却和光学钟跃迁应用有重要贡献。关键词：窄线宽激光器，量子光学，光学钟跃迁，量子计算，单模
1. 引言
窄线宽混合外腔激光器（HECL）对于激光冷却和原子钟跃迁等现代精密应用至关重要。这些应用要求激光器具有高度稳定和窄的光谱线宽，通常低于100 kHz，以实现与原子和分子跃迁的精确相互作用。通过将激光二极管与外部光反馈机制（如衍射光栅或VBG）集成，HECL实现了优异的光谱纯度、可调谐性和降低的相位噪声。 在激光冷却中，窄线宽激光器对于创建光学和在磁光阱（MOT）中俘获原子系综至关重要。激光必须紧密匹配原子跃迁频率，以通过多普勒效应和亚多普勒冷却过程有效地操纵原子的动量态。同样，作为时间和频率标准基准的原子钟，依赖于相干且相位稳定的激光来探测超窄原子跃迁。例如，碱金属或碱土金属原子（如铷或镱）中的跃迁对激光的光谱线宽和稳定性高度敏感，会影响时钟的整体精度。 本文讨论的HECL器件是使用标准的法布里-珀罗激光二极管（FPLD）制造的，其正常激射波长在目标"锁定"波长值约10 nm范围内。这些激光二极管的一端镀有高反射率膜，另一端镀有低反射率（AR）增透膜，以抑制独立激射，并使来自体布拉格光栅（VBG）的光谱滤波反馈作为激光器的输出镜工作。商用VBG的中心波长容差为0.05 nm，允许用户通过温度和电流调谐激光器，精确实现所需的原子跃迁波长。这种VBG锁定的HECL能够产生稳定性增强的超窄线宽激光器。在这种配置中，VBG将激光反射回激光腔芯片，有效地延长了激光的腔长。 低反射率AR增透膜对于抑制法布里-珀罗激光器前表面的光反馈至关重要。这允许更宽的温度调谐范围，可以通过多层介质膜和/或弯曲波导器件实现。在实践中，商业化的低反射率AR涂层增益芯片的可获得性，是实现在可见光和近红外波长广泛应用仅存的障碍。 在HECL配置中使用VBG带来的另一个好处是减少了温度变化对激光芯片有效折射率变化的影响。通过延长谐振腔和使用低热膨胀系数材料，可以将标准FPLD与HECL之间的有效折射率变化比显著降低。这一特性使得HECL可以设计得比传统FPLD热稳定性高30至70倍，波长稳定性优于0.01 nm/℃。 本文将重点介绍使用VBG隔离单横模半导体FP激光器的单纵模的HECL。在这种配置中，激光腔形成于FP激光器后端面的高反射率涂层和VBG之间。通常，准直光学元件和FP激光器的前端面具有低反增透膜，以最小化对半导体增益区的宽带反馈，而来自VBG的窄带反馈仅允许在其带宽内发生受激发射。VBG元件的光谱带宽远窄于激光器有源介质增益光谱的宽度。只有那些具有足够增益以超过激射阈值的激光腔纵模才会振荡并被放大。在这种情况下，激光腔的输出将包含单一纵模。2. 结果与讨论
使用法布里-珀罗干涉仪（FPI）对以此方法构建的激光器进行了测试。如图1所示，FPI的自由光谱范围为1.5 GHz。根据计算，每个纵模的半高全宽约为10 MHz，这受限于干涉仪的分辨率。因此，在制造过程中，FPI可用于测试激光器纵模的合格/不合格标准。图1：在主动VBG对准后，FP干涉仪中观察到的激光模式，显示了单纵模激光器的模式间隔图2记录了使用标准波长计（Advantest Q8326光学波长计）在25小时内的波长稳定性数据，确认了原子跃迁所需的波长稳定性。激光线宽由自发发射引起的量子噪声决定，并表示为光功率 Pm的函数。对于单模半导体激光器，考虑到线宽增强因子α的影响，其光谱线宽的理论极限可修正为如下表达式[4]：其中 是光子能量，是模式中的自发发射光子数，在阈值以上趋近于1，Pm是模式中的功率，α是折射率实部与虚部之比，是由下式给出的腔带宽：图3展示了标称785 nm HECL的实验测量线宽随驱动电流变化的函数关系。观察到阈值以上的激光线宽小于100 kHz。典型的法布里-珀罗激光器的线宽在几百kHz范围内。在这种半导体激光器上使用外腔，可以将线宽降低两个数量级。这是构建外腔激光器的动机，代价是激光器的尺寸有所增加。在图4中，激光线宽被绘制为两种不同腔长FP激光器的有效腔长（L）的函数。理论和实验数据都表明，增加腔长可以减小激光线宽。 为定制波长构建HECL的主要挑战之一是商用FP激光芯片的可获得性。标准的低AR涂层FP芯片以及超低AR超辐射发光二极管已成功用于此应用。这些激光器与定制的VBG结合使用，以覆盖较宽的波长范围。表1展示了许多常见原子跃迁波长中已实现的波长（绿色）和尚未实现的波长（红色）。使用上述讨论的方法，构建了几个可用于不同光学钟跃迁的代表性HECL。Li的相关低能级如图5(a)所示。最近有报道指出，锂原子从基态的低能级跃迁是 SP，波长为671 nm。图5(b)显示了LIV曲线，插图为光谱图。LIV代表一个20 mW的自由空间器件。提供14针蝶形和TO-Can封装选项。铷-87：780.241 nm和794.979 nm图6(a)是 Rb原子对应5SP和5SP的能级图。图6(b,c)分别展示了780.241 nm和794.979 nm激光器的LIV图，插图为光谱图。这些波长提供14针蝶形和TO-Can封装配置。此外，蝶形封装可选配内部光隔离器，提供>50 mW的光纤耦合输出功率。铯-137：852.347 nm和894.592 nm图7(a)是 Cs原子对应 SP和 SP的能级图。此激光波长的考虑因素与Rb类似。这些波长也提供14针蝶形和TO-Can封装配置。1156 nm激光器可以倍频得到用于镱钟跃迁的578 nm激光。图8(a)和8(b)分别是镱钟跃迁的能级图和LIV曲线。提供14针蝶形和TO-Can封装选项。3. 结论
美国Innovative Photonic Solutions (IPS) 公司开发了一系列线宽小于100 kHz的VBG稳定混合外腔FP激光器，满足了原子钟跃迁的严格要求。美国Innovative Photonic Solutions (IPS) 公司的数据表明，这些激光器表现出卓越的长期稳定性，能够以最小的不确定度实现钟跃迁。为实现这些特定波长，美国Innovative Photonic Solutions (IPS) 公司成功采用了标准的低AR涂层FP芯片和超低AR角面超辐射发光二极管。虽然部分目标波长仍在开发中，但这些激光器的超窄线宽使其成为激光冷却和原子钟跃迁等应用的理想选择。 北京海科思锐光电仪器有限公司是美国IPS公司在中国的正式授权代理商，负责其全线产品在中国区域的市场推广、产品销售以及售后服务工作。
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