電壓調(diào)制光譜中的殘余幅度噪聲的研究-

1、量子光學學報5(4:239243,1999A cta S inica Quantum Op tica文章編號:1007-6654(199904-0239-05電壓調(diào)制光譜中的殘余幅度噪聲的研究X肖連團李昌勇李倩張臨杰賈鎖堂周國生(山西大學電子信息技術(shù)系,山西太原030006摘要:從理論和實驗上研究了殘余幅度噪聲(R AM對諧波探測的影響。通過對Har vey-M y att外腔式二極管激光器進行低頻(1K Hz電壓調(diào)制和高次(2f以上諧波探測獲得了10-6的最小探測吸收率。關(guān)鍵詞:外腔式二極管激光;殘余幅度噪聲;電壓調(diào)制;諧波探測中圖分類號:O431文獻標識碼:AHarvey-M yatt外腔

2、式可調(diào)諧二極管激光器1由于其體積小、固體介質(zhì)的可靠性與穩(wěn)定性以及價格低廉等特點,在光譜學和環(huán)境學中得到了廣泛應(yīng)用13。該激光外腔利用透鏡來準直光線,增益介質(zhì)位于波導(dǎo)中,通過旋轉(zhuǎn)外腔后鏡來調(diào)諧激光波長。激光器在短時間內(nèi)的線寬小于300kHz(50ms,與單片的Fabr y-Perot二激管激光器的典型線寬10M Hz500M Hz4相比,線寬明顯變窄。這種利用電壓調(diào)諧的外腔式二激管激光器實現(xiàn)了輸出光無跳模、窄線寬和連續(xù)調(diào)諧,因而更適合高靈敏及高分辨的光譜測量?；贖arvey-M yatt形式的外腔式二極管激光輸出是利用壓電陶瓷控制后鏡的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)波長調(diào)諧的,由于機械部件的作用,決定了這種采用外

3、部電壓調(diào)諧激光波長的方法只能在低頻下工作(帶寬0.5kHz4kHz。Ch等人2通過200Hz的正弦頻率調(diào)制激光波長,用這種外腔式二激管激光器在紅外線(1.5L m附近測量了乙炔的振動躍遷;Nguyen等人3用該外腔X收稿日期:1999-11-06基金項目:山西省留學歸國基金和太原市科技啟明星計劃資助項目。作者簡介:肖連團(1967-,男,山西大同人,講師,山西大學電子信息技術(shù)系在職博士生。式二激管激光器在調(diào)制頻率為108Hz 時,探測了氧原子在760nm 附近的R 段的電子吸收譜;我們采用低頻(1kHz波長調(diào)制和高次諧波探測法獲得了銫原子D 2線高靈敏度和高分辨率的吸收光譜5,6。這種電壓調(diào)制

4、方式由于波長調(diào)制的頻率較低,測量系統(tǒng)僅需要低帶寬的探測器,而且利用矢量鎖相放大器(如SR 830,SRS 很容易處理信號的高次諧波。但是在波長調(diào)制的同時引入了能量起伏,由此產(chǎn)生的殘余幅度噪聲(RAM 作為諧波探測的主要背景信號嚴重地限制了測量結(jié)果的下限。1RA M 產(chǎn)生的理論背景對于正弦信號作用下的相位調(diào)制來說,其已調(diào)振蕩的相位多了一個與調(diào)制信號成比例的增量,所以激光已調(diào)振蕩的瞬時電場可表示為E (t =E 0expi X 0t +i U ,U (t =B sin(X m t ,(1式中,E 為激光振蕩的振幅,X 0為振蕩的角頻率,B 為比例系數(shù),X m 為調(diào)制頻率。電場的瞬時頻率X (t 的

5、大小為X (t =X 0+BX m cos(X m t 。(2在實際的調(diào)制過程中,激光輸出的能量并不是恒定不變的,那么伴隨著調(diào)幅的瞬時電場為E (t =E 01+M sin(X m t +U ex pi X 0t +i B sin(X m t 。(3其中,M 是調(diào)幅系數(shù),U 為調(diào)頻與調(diào)幅之間的相位差。在低于幾百M Hz 的調(diào)制頻率下,U 大約為P 26。由于激光輻射的能量等于振蕩電場的平方,所以有I (t =I 01+2M sin(X m t ,M =I 0-I max 2I 0。(4I 0是在X 0處探測到的能量大小。如果把調(diào)制項用貝塞爾函數(shù)表示,式(3轉(zhuǎn)換為E (t =E 0exp(i X

6、 0t +l =-r 1exp(il X m t ,(5其中r 1=l k =-1a k J i -k (B ,a 0=1,a 1=M 2i exp(i U。能量起伏對諧波(n X m 探測造成的背景信號I RAM =2I 0l r l r *l -n =2I 0l j ,k =-1a j a *k l J l -j (B J l -k -n (B 。(6貝塞爾函數(shù)J l -k -n (0只有在l -k -n =0時等于1,否則為零。所以在使用鎖相放大器探測諧波分量時,具體有240量子光學學報5(41999I RAM =2MI 0sin(H +U n =112M 2I 0cos(H +2U +

7、P n =20n 3(7H 是探測信號與參考頻率的相位差。圖1激光器在調(diào)諧過程中的能量起伏(a 和在1kHz 波調(diào)制下的AM 信號(b 由(7式可知,RAM 引入的背景信號與激光能量I 0成正比,從而在1f 和2f 探測中成為主要噪聲,而且在高次諧波探測(2f 以上的作用為零。在低頻電壓調(diào)制的實際應(yīng)用中,由于低頻噪聲(1f噪聲對I 0的影響,另外激光能量并不隨電壓調(diào)諧呈嚴格的線性關(guān)系,在高次諧波探測中RAM 信號作為探測的主要噪聲仍會限制測量結(jié)果的下限7,而且其最小探測吸收率只能由實驗具體測定。2實驗結(jié)果與討論我們利用Harvey -M yatt 外腔式二極管激光器(美New Focus 60

8、17作泵浦源。激光器的工作溫度為26,固定輸入電流55mA ,輸出功率為8.5m W 。壓電陶瓷的預(yù)置直流偏壓為95V 左右,激光輸出的中心波長為852.11nm (空氣中。激光器的可調(diào)諧范圍為70GHz ,電壓調(diào)制(精細頻率調(diào)制帶寬為3.5kHz,調(diào)制度約為0.7GHz/V 。調(diào)制信號取自于鎖相放大器(美SR830的內(nèi)部振蕩器輸出的正弦電壓。函數(shù)信號發(fā)生器(美H P 33120A產(chǎn)生1Hz 的慢掃鋸齒波電壓,與調(diào)制信號迭加后送入激光器的頻率調(diào)制輸入口,疊加到預(yù)置直流偏壓上實現(xiàn)對輸出光波長的調(diào)制和掃描。對激光器的輸出直接用一普通的硅光電二極管進行測量,光電轉(zhuǎn)換后的信號送入鎖相放大器進行處理。同

9、時函數(shù)信號發(fā)生器輸出的同步方波置入鎖相放大器的輔助輸入,作為鎖相放大器內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)的同步信號。鎖相放大器(SRS 830可以探測任何n 19999次諧波,只要n 次諧波頻率值不超過102kHz 。諧波測量的選擇可通過改變鎖相放大器的諧波探測(Har-monic Detect來實現(xiàn)。圖1(a中給出激光器在波長調(diào)諧(1Hz時的能量輸出?？梢娂す饽芰坎⒉皇潜３趾愣ú蛔兊?低頻噪聲對激光輸出的影響也很明顯。1(b是激光在調(diào)諧的同時施加1kHz 的波長調(diào)241肖連團等電壓調(diào)制光譜中的殘余幅度噪聲的研究制后引起的幅度調(diào)制(AM ,這種幅度調(diào)制疊加在被測吸收信號上,嚴重地影響了測量結(jié)果的 靈敏度。圖2激光器

10、在1kHz 波長調(diào)制下產(chǎn)生的諧波背景噪聲(12f ,(24f ,(36f ,(48f ,調(diào)制深度為BX m = 1.6G Hz圖2對應(yīng)(1、(2、(3和(4記錄的是幅度調(diào)制的二次、四次、六次及八次諧波信號,表示在諧波探測附加的背景信號。這些背景信號作為基準決定了測量結(jié)果的下限,其組成部分包含了RA M 噪聲、低頻噪聲、散粒噪聲和探測器的熱噪聲。這里對諧波探測的影響主要是RAM 噪聲和低頻噪聲。我們發(fā)現(xiàn),諧波次數(shù)越高,背景信號即噪聲越小,在2f 、4f 、6f 中,背景信號主要是RAM 噪聲,在8f 探測中低頻噪聲的影響已十分明顯。更高次的諧波探測如10f 、12f ,由于被測吸收信號的分量非常

11、小,雖然背景信號更小(主要是低頻噪聲,探測結(jié)果的信噪比仍會降低,從而沒有應(yīng)用價值。對于多譜勒吸收線,由圖2可以計算出2f 、4f 、6f 和8f 諧波探測的最小探測吸收率分別為2.510-5,7.010-6,4.010-6和1.510-6。3結(jié)論本文從理論和實驗上研究了殘余幅度噪聲(RAM 對諧波探測的影響。在低頻電壓調(diào)制和高次諧波探測的應(yīng)用中,由于低頻噪聲(1/f 噪聲對I 0的影響和激光能量隨電壓調(diào)諧的非線性關(guān)系,在高次諧波探測中RAM 噪聲仍會限制測量結(jié)果的下限,而且其最小探測吸收率只能由實驗具體測定。通過對Harvey -M yatt 外腔式二極管激光器進行低頻(1kHz 電壓調(diào)制和高

12、242量子光學學報5(41999次諧波探測獲得了10-6的最小探測吸收率。參考文獻:1HA RV EY K C ,M Y AT T C J .Ex ter nal -cav ity diode la ser using a gr azing -incidence diffraction g ratingJ .Op t L ett ,1991,16:910-912.2CH D B ,HOV DE D C .W avelength -modulation detectio n o f acety lene w it h a near -infr ar ed ext ernal -cavity di

13、o de laser J.A pp l Op t ,1995,34:7002-7005.3N GU YEN Q V ,DIDDL E R W.High-r esolutio n ox yg en abso r ption spect rum o btained with an ex ter -nal-cavit y continuo usly tunable dio de laser J.Op t L ett ,1994,19:2134-2136.4CASSI DY D T ,BR U CE D M ,V entr udo B F.Shor t-ex ter nal-cav ity m odu

14、le fo r enhanced sing -mo detuning of InGaA sP and A lGaA s semico nductor diode lasers J .Rev S ci I ns tr um ,1991,62:2385-2388.5X IA O L iantuan,L I Cho nyo ng ,L I Q ian ,JIA Suo tang ,ZHOU G uo sheng.L ow -fr equency w aveleng thm odulation spectro sco py w it h the D 2tr ansitio n of atomic Cs

15、 using an ex ter nal -ca vit y dio de laser J .A p p l Op t ,accepted .6XI AO L iantuan ,L I Chonyo ng ,L I Q ian ,et a l .L ow -fr equency w av eleng th modulat ion spectro scopyusing an ex ter nal -cav ity diode laser J .SP I E ,1999,3862:556-559.7SIL V ER J A.Fr equency modulation spectr oscopy f

16、o r tr ace species detectio n:theor y and compar ison a-mo ng ex per imental metho ds J.A pp l Op t ,1992,31:707-717.Residual Amplitude Modulation Noise Limitationin Voltage Modulation SpectroscopyXIAO Lian -tuan LI Chang -yo ng LI Qian ZHANG Lin-jie JIA Suo-tang ZHOU Guo-sheng(D ep artment of Elect

17、ronics and inf or mation T echnology ,Shanx i U niver sity ,T aiy uan 030006China Abstract :With 1kHz vo ltag e modulation and harmonics detection,residual amplitude modu-latio n (RAM no ise w ere carr ied out exper im entally .We find that even in higher (than sec-ondharm onic the RAM is do minant in the backgr ound sig nal fo r the influence o f ex cess noise (1/f noiseand no nlinearity in th