一种基于光拍频的连续激光调制光谱测量方法

　　0 引 言

　　连续激光调制光谱的测量和实时监测在如原子频标、原子惯性技术等原子光学系统研究以及光通信等很多领域具有重要应用[1-4]。例如：激光冷却原子中声光调制器的一级衍射效率的测量，原子相干布居捕获实验中一级边带转移率[4]的测量等。法布里-珀罗干涉仪(F-P 干涉仪)是通常用于测试激光调制光谱的仪器。但对于 F-P 干涉仪，其带宽直接决定了可以探测激光光频频差的最小值[5]，当所探测的激光光频频差小于F-P 干涉仪的带宽时，则无法将其分辨清楚。一般 F-P 干涉仪的带宽为兆赫兹量级，当调制频率为几百千赫兹时，用 F-P 干涉仪是无法对调制光谱进行分析的;而且当调制频率不确定时，无法通过 F-P 干涉仪对调制频率进行准确测量。本文在光拍频的基础上，提出一种可以实现低达千赫兹调制频率的连续激光调制光谱分析的测量方法，从理论和实验两方面对该方法进行了研究和分析。

　　1 理论分析

　　连续激光经过调制后的，对于幅度调制而言，调幅波不再是单一频率的正弦波，除了原来的载波分量以外还有正负两个边频成分;对于角度调制，调制光谱不仅包含载波，而且包含一系列边带，其边带幅值与调制系数的贝塞尔函数成正比，当调制系数比较小时，可以只考虑正负一级边带。假设 E0、E1、E2分别为连续激光经过调制后的光谱 0、+1、-1 级光的电场分量，E′为参考激光光频的电场分量，这四种光频分量同偏振态，同方向入射到光电探测器的光敏面上。其中：

　　式(6)中一共有10 项，考虑到光电探测器的物理过程，前四项是直流功率，它们给出的是直流分量。后面6 项经过积化和差的变化后，可出现两个光频的和频与差频，由于和频频率太高，因此光电探测器根本不响应，也就是说，这部分光波成分与探测器不发生相互作用。对于差频，只要其频率小于光电探测器的截止响应频率，探测器就有相应的光电流输出。从数学运算和上述物理过程考虑，滤除直流项后得到的光电流为

　　利用频谱分析仪，可测得参考光与连续调制光谱 0、+1、-1 级光的不同频率的拍频信号的功率，然后通过式(16)和式(17)即可求得调制光谱的三种光频的电场强度幅度的相对值，从而得到所需要的调制参数(例如：调幅波的调制度、角度调制的边带转移率等);当调制频率不确定时，还可以通过不同频率的拍频信号的频率差得到调制频率。

　　2 实验结果及比对

　　实验中为了对上述方法进行验证，我们将该方法测试结果与F-P 干涉仪测试结果进行比对。由于 F-P干涉仪的分辨率无法实现对低频调制光谱(低于兆赫兹)进行测量，所以实验中采用高频调制光谱进行测量。但是需要注意的是我们提出的方法同样适用于低频调制光谱测量。实验原理图如图1 所示。激光光源采用 795 nm 的外腔半导体激光器(NEWFOCUS 6017，美国)。光束 B1经过声光调制器(AOM)后移频 74MHz，然后入射到光纤耦合器2;光束 A 经过高频相位电光调制器(NEWFOCUS 4431，美国)调制后产生实验所需的连续激光调制光谱，然后通过分光棱镜分为两束光 B2 和 B3;光束 B2 通过光纤耦合器1，输出光与光纤耦合器2 输出光通过光纤分束器合 束后入射到高频探测器PD1(NEWFOCUS MODEL 1434，美国)得到拍频信号，最后利用频谱分析仪(AGILENT E4440A，美国)进行分析 ; 光束B3 通 过 F-P 干 涉 仪(MODEL:HH-795-100，清华大学)然后入射到光电探测器PD2 进行比对分析。信号源采用安捷伦公司的N5181A 高频信号发生器。