天博体育中国官方网站激光器 - 超低噪声和狭窄的线宽

The天博体育中国官方网站激光家族提供任何商业连续波（CW）激光的最低噪声和最狭窄线宽的组合。整体非平面环振荡器（NPRO）结构以及主动噪声抑制作用，为引力波研究，原子冷却和捕获，LIDAR，LIDAR，长径干涉，光学通信和其他高表现应用程序提供了有价值的光学工具。

简介

当2015年9月第一次检测到引力波（GW）时，它不仅是数十年的工作的高潮，而且是令人兴奋的天文学新时期开始的开始，即时空计量数据的新时期的开始，其中大多数人曾在诺贝尔（Nebel）中赢得了全新的观察范围，该范围是诺贝尔（Nebel）的一项范围，该范围众所周知，众所周知的是，该申请中的大多数人都会在2017年竞争。线宽CW激光器。研究人员需要能够观察到10分在10的时空中的调制的能力²²。检测这些微小的时空移位的首选方法是使用超稳定激光器的长路径干涉法。这些干涉仪（Ligo，Geo600，处女座，Kagra）的臂长为90度。为了检测GW，系统需要能够测量与波长的一万亿相当的路径差 - 精度在光学干涉测量中完全是前所未有的。为了达到最低的噪声，前面提到的所有四个GW观测值的光学系统以天博体育中国官方网站 Laser作为种子来源开头。然后，将其1064 nm输出放大，并通过强度和频率的几个数量级进一步稳定，以实现注射到干涉仪臂中的光的所需参数^[1].

另一种严重取决于低噪声激光器的应用程序正在捕获冷原子。在这里，天博体育中国官方网站的放大版本（最多55 W）正在提供行业领先的稳定性和线宽组合，并用于为各种冷原子形成光学偶极陷阱。它的高级版本是光学晶格的形成，这是一个微陷阱的光学形成的景观，在该捕获中分布冷原子。光学晶格正在使用冷原子进行研究，以研究相变，光原子钟，二离子分子和量子模拟器。在这里，激光在强度和相位方面的光学稳定性对于确保最低原子加热速率至关重要，这反过来又可以最大化实验时间。上述应用程序仅是通过狭窄的线宽，高稳定性和CW激光源启用的少数。 LIDAR，光频标准，挤压光实验，激光注入播种，自由空间光学通信，光学计量学，纳米颗粒的捕获以及许多其他人从天博体育中国官方网站产品线中获得的参数受益。在这份白皮书中，我们研究了该行业最安静的激光产品背后的技术和功能。

npro - 单片稳定性

自1984/5发明以来，拜尔，凯恩和斯坦福大学的同事^[2]，非平面环振荡器（NPRO）仍被认为是可用的最低噪声CW激光体系结构。低输出噪声的关键之一是稳定的激光腔。典型的单模激光器结合了增益介质和各种光学元件，这些光学元件位于由两个或多个镜子形成的谐振腔中，由两个或多个由精确的机械安装支架支撑。 NPRO对激光腔使用了完全不同的方法，在激光腔中，单晶既充当增益培养基又是激光腔，这是由晶体方面定义的。同样重要的是，NPRO充当单向行动波环振荡器。在线性激光腔中，最高增益模式（和所有模式）的电场矢量沿腔沿着直立波模式，导致“孔燃烧” - 增益在正弦模式下沿空腔耗尽（或未耗尽）。即使它们具有较低的绝对增益，其他纵向模式仍然可以使用最强模式剩下的增益来振荡。消除了不希望的模式的振荡，设计激光器以作为行动波谐振器的操作。这种类型的谐振器依赖于光学二极管在一个传播方向上迫使振荡。光学二极管是一种设备，其正向传输远高于其在相反方向上的传输，导致单个纵向波仅沿向前方向传播。与驻波模式不同，行驶波消耗了所有可用的增益，并防止了其他不希望模式的振荡。 NPRO设计的巧妙元素之一是晶体不仅充当腔，而且还结合了所有必要的元素以制成光学二极管 - 全部以整体形式。

单向NPRO振荡的完整理论^[3]超出了此白皮书的范围。总而言之，将晶体保持在强磁场中，这使其充当法拉第旋转器，从而在传播光束方向上独立于沿其传播的激光光旋转激光光的极化（非偏置旋转）。另外，方面B和D处的总内部反射（TIR）（图1）将相互旋转施加到腔体内的激光光中。净效应是，在腔周围的一个方向上，由于磁场和TIR的偏振旋转加起来，而在相反的方向上，它们相互取消，从而在相反方向传播的两种模式中产生了两种不同的极化状态。然后可以设计刻面上的输出耦合涂层，以稍微偏离一个极化，从而产生单向振荡。

图1：NPRO晶体内的光学模式（蓝色箭头）的示意图（橙色箭头代表泵灯）。  NPRO增益晶体形成了整体激光腔，在该腔中，方面的角度通过总内反射（TIR）确保了高反射率。布置各个方面，以使极化旋转（由于TIR）与外部施加的磁场结合使用，优先支持单向行动波激光器的操作。 

线宽和频率调整

NPRO的频率特性 - 即线宽 - 优于其他激光类型。 天博体育中国官方网站模型直接从激光器直接提供≤3kHz的线宽，而无需进一步稳定。即使到了今天，最新的纤维激光器和外部空腔二极管激光器仍在自由运行中努力达到相同的线宽性能。 

当然，除非可以主动控制频率漂移，否则狭窄的线宽谐振器将仅对短期应用有用。在天博体育中国官方网站中，使用了两种不同的机制来提供快速，精细的控制和较慢的发射频率控制。从扩展中，此控件还提供了调整天博体育中国官方网站在30 GHz区域的绝对频率的能力。

通过使用连接到晶体的大型非光学方面之一（即图1中的水平表面之一）来实现快速和精细控制。 PZT元素提供的晶体的压缩（应变）导致有效长度（或折射率）的变化，从而导致纵向模式的频率变化。该高速循环可以使用高达100 kHz带宽操作，并将模式频率更改为1 MHz/v。 

通过改变NPRO温度（温度调整）来解决较大的频率变化。 ND：YAG整体谐振器的温度变化通过两种效果移动频率：晶体热膨胀系数和折射率的温度依赖性变化。除了这些效果外，温度变化还可能导致ND：YAG的增益曲线的小移位。一旦考虑到这一点，净有效变化大约为-3 GHz/k。图2显示了天博体育中国官方网站的基于温度的频率控制。当振荡模式的频率（由谐振器确定）相对于增益带宽的中心频率（与谐振器自由光谱范围（FSR）相似）时，模式hops发生。当晶体温度变化25°C时，天博体育中国官方网站的完整调整范围约为30 GHz。由于模式hops，该值低于3 GHz/k值。可以为特殊的天博体育中国官方网站版本提供更宽的模式免费范围（扩展调谐范围选项，并在模式跳线之间进行15 GHz的调整）。将调音范围转移到较低频率（降至281.565 THz）的选项也适用于使用特定光谱线路的用户。  图3总结了梅菲斯托的整体调整特征，当进行温度和PZT调整时。

相位噪声和频率锁定

相位噪声是激光频率线误差的名称。毫不奇怪，单片的天博体育中国官方网站激光谐振器产生的频率性能优于激光谐振器，由裁员腔元素组成，这些型腔元素与彼此相对于彼此的振动或热漂移。根据预期的应用，此频率抖动可以以Hz/√Hz单位的功率频谱密度（PSD）统计分布的形式表示。

以这种方式表达墨菲斯托频率噪声时，它遵循1/f行为。频率噪声约为10⁴hz/√hz在1 Hz时，在10 kHz时降至1 Hz/√hz（图4）。独立测试以前已经表明，天博体育中国官方网站在频率范围的范围内提供了绝对最低的相位噪声^[4]。由于这种独特的性能，天博体育中国官方网站激光家族是需要最低频率噪声的应用的最佳选择。

可以使用温度和PZT调音机制在外部控制下平稳调整激光器，还可以用于将激光输出锁定到需要绝对固定频率输出的应用程序的外部参考。与自由运行的激光相比，这种锁定还可以降低低频的相位噪声。 天博体育中国官方网站（Prometheus Laser提供1064和532 nm输出）的频率加倍，方便地覆盖了多个分子碘（I₂）在532 nm左右存在的过渡线，可用于将其发射频率锁定到这些线的超精细过渡之一。这使其成为绝对频率参考和高准确度计量学的理想激光源。碘锁的普罗米修斯的艾伦偏差测量如图6所示。在20小时内记录的Allan偏差测量值表示相对稳定性〜10^-13（修改后的Allan偏差平均为1 s）降至3·10-14（平均1000秒）。这里的碘锁定工作和测量由TEM Messtechnik GmbH进行^[6]。

在不需要绝对频率的应用中，用户希望以较高的频率稳定激光输出，天博体育中国官方网站提供了将激光锁定到稳定的高速型腔的所需功能。

振幅降噪和降噪

天博体育中国官方网站产品线还具有极低的幅度噪声。顾名思义，幅度噪声是指输出强度中的任何小烦恼。振幅噪声通常表示为相对强度噪声（RIN），该噪声是标准化到测量平均功率水平的噪声。在像天博体育中国官方网站这样的二极管泵浦固态激光器中，振幅噪声的主要来源通常是残留泵二极管噪声产生的松弛振荡。

放松振荡发生在任何激光器中，上面状态寿命更长的激光器比腔阻尼时间更长，即激光器中所有循环功率衰减的时间（主要是通过输出耦合器损失）脱离激光器泵的损失。使用二极管泵式激光器，当激光二极管泵的功率变化，即使是少量，振荡放松也会发生在NPRO或任何其他固态激光器的噪声界中产生峰值，请参见图6。这是一个内置的快速反馈回路，其驱动信号由激光头内的光电二极管提供，并在泵激光二极管电流上作用。图6显示了此特征在消除从KHz到2 MHz光谱区域的泵二极管噪声以及松弛振荡峰的有效性。除了食用噪声外，为了支持极低的噪声排放，天博体育中国官方网站系统使用专门设计的低噪声电子控制器，主要基于模拟设计。

功率缩放和波长选项

一般而言，随着泵功率的扩展，NPRO会产生正向透镜，并具有两个不利后果：泵二极管和谐振器模式之间的模式匹配，谐振器最终变得不稳定。一项关于在热透镜方面设计NPRO的详细研究^[7]表明，当泵功率增加时，热透镜将导致模式的点尺寸降低。最终，这将导致泵二极管和谐振器基本模式之间的模式匹配丧失，从而导致多透射模式振荡和NPRO主要功能的损失。从这些考虑因素来看，很明显，高功率NPRO可针对标称输出功率进行优化，而不是在低功率下使用时低阈值或高效率。 天博体育中国官方网站可以达到高达2 W的输出功率，从而保留通常的超鼻涕线宽，低噪声和高频稳定性。如果需要更多的功率，那么达到数十瓦的最佳途径，同时仍保留超鼻涕线宽，是使用主振荡器功率放大器（MOPA）方法，可提供多达55 W的功率（天博体育中国官方网站 Mopa型号）。

尽管NPRO晶体最常见于ND：YAG基本波长为1064 nm，但特定的应用可以从不同的波长中受益。因此，天博体育中国官方网站激光器也可以在绿色（532 nm）输出（Prometheus模型）的频率加倍版本上获得。

崎andess and Design

与由离散组件构建的典型激光器相比，整体谐振器设计也更加崎rug。不仅将整个空腔封闭在大部分活性介质中，而且从所有表面中使用内部反射，除了一个最小化的使用光涂层的需求。实际上，唯一涂层的表面是输出面，但是在这里，实际的腔内反射发生在活动介质内。这意味着整个激光腔因设计而无污染，并且几乎不受损害和衰老的影响。这与大多数其他激光器形成鲜明对比，在这些激光器中，设计人员（通常是最终用户）不得不担心保持光学对齐和激光腔清洁。此外，NPRO和泵二极管的小尺寸导致头部尺寸较小，使其直接稳定工作温度并易于集成到OEM工具中。

参考

[1]p。 Kwee等人., 选择。表达20，10，pp。10617-10634（2012）
[2]T.J。凯恩（R.L. Byer），， 选择。 Lett。10，65（1985）
[3]A.C。 Nilsson，E.K。 Gustafson，R.L。Byer， IEEE J.量子电子。QE25，767（1989）
[4]k。 Numata等人， Proc。 spie 10511，固态激光XXVII：技术和设备，105111d（2018）
[5]j。是的，等等， IEEE T. INSTRUM。测量。48，2，第544-549页（1999）
[6]https：//tem-messtechnik.de/en/
[7]i。 Freitag，A。Tunnermann，H。Welling，选择。 comm。115，pp。511-515（1995）