Nd:YVO4/KTP激光碘分子超精细光谱和稳频研究

　　0　引言

　　在可见光波段,碘分子有非常丰富的吸收谱线,可作为激光频率稳定的自然基准,在红光波段,碘分子跃迁的下能级是受激态,例如,能级为3,4或5,该能级上分布的粒子数比较少,跃迁能级间粒子数差小,因此吸收系数不是很大。而在532nm波段,吸收谱线的下能级是基态,吸收对应0至上能级(例如,32~38范围)的跃迁,能级间的粒子数差很大,因而具有很大的吸收系数。用这些谱线作为激光稳频的参考谱线,可以获得谱线宽度窄和信噪比高的吸收信号,从而得到很高的频率稳定度和复现性。

　　20世纪90年以来,用532nm Nd:YAG激光器检测了多组碘吸收谱线的超精细结构分量,并用调频技术和调制转移光谱(MTS)法实现了激光的频率稳定[1]~[6]。1997年,国际长度咨询委员会(CCL)推荐了九组碘吸收谱线作为复现米定义的参考[7],其中用R(56)32-0作为标准谱线,推荐了它的频率值。在2001年的推荐表中[8],这组谱线已用稳频的飞秒激光器测量了绝对频率值,其频率不确定度在1×10-11量级。

　　532nm Nd:YVO4激光器与532nm Nd:YAG激光器相比,具有结构简单,价廉物美的优点,其频率稳定度也能达到量级,更便于在精密测量领域内推广应用。本文报道采用碘吸收谱线检测和频率稳定用的小功率单频的532nm波长的Nd:YVO4/KTP激光器,检测到一系列新的碘分子的超精细吸收谱线,并在其中一些谱线上实现了激光的频率稳定。

　　1　单频532nm波长Nd:YVO4/KTP环形固体激光器

　　单模单频输出是对用于谱线探测和频率稳定的激光器的基本要求。环形激光器与直腔激光器相比具有更好的单频调谐特性,因此更有利于检测碘的饱和吸收谱线。图1实验采用的环形激光器光路示意图。采用中科院半导体所的2W商品半导体激光器LD作为泵浦光源。中心波长为809nm,发射孔径为1×200μm。为了有效利用激光功率并简化泵浦光学系统,我们在半导体激光器内部装上了镀有增透膜的微型透镜。经过该透镜后,功率损耗约为1~5%,在平行与垂直于半导体激光器的发射结的方向上,光束发散角。经过准直透镜L1、L2和L3后,使LD的输出为接近圆形的一个聚焦点,其直径约为35μm。808nm泵浦激光入射在长度为5mm的Nd:YVO4激光晶体上,该晶体的Nd3+的掺杂浓度为0.5%,激光晶体的c轴与泵浦激光的偏振方向相匹配。利用钕铁硼磁铁对磁光晶体TGG施加轴向磁场,λ/2波片与TGG磁光晶体组成光学单向器,以实现单向环形激光运转。反射镜M1上装有5mm长度的压电陶瓷PZT以实现调制和快速调谐,反射镜M4上装有15mm长的PZT实现激光频率控制。长度为5mm的KTP晶体用于腔内激光频率倍频。反射镜M1,M2,M3和M4组成四镜环形激光谐振腔,其中M1是做出抽运激光的输入镜,M2是532nm激光的输出镜,透镜L3用于输出光束准直,使之成为接近平行的光束。激光晶体和倍频晶体分别安装在铜制热沉上,通过TEC半导体致冷器分别进行精密温度控制。通过改变单块晶体的温度可以调谐激光频率。通过调节泵浦半导体激光器的驱动电流,也可在较小范围内对激光频率进行调谐。