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精密电子线路技术发布时间:2022-12-01

适用于高指标科研需求的多种电子线路

物理学上,噪声指一切不规则的信号(不一定要是声音),比如电磁噪声,热噪声,无线电传输时的噪声,激光器噪声,光纤通信噪声,照相机拍摄图片时画面的噪声等。

此处,我们主要讨论激光器的噪声。

激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。英文名Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,意思是“通过受激辐射光扩大”。

激光器噪声可由多种因素导致。在理想情况下,一个单模工作的激光器可以描述为:图片1.png 

对于实际的激光输出,自发辐射是无规则的、随机的,受激辐射的强度和相位是相对稳定的,因此,自发辐射会导致受激辐射的振幅和相位出现波动,激光的描述变为:图片2.png

其中相位Φ(t)的波动带来相位噪声,强度E(t)的波动带来了强度噪声。光强度噪声一般用相对强度噪声RIN表示:

图片3.png

其中,B表示等效带宽,图片4.png为指定频率下的均方光强度波动,P为输出光强度平均值,RIN的单位一般用dBc/Hz表示。

载流子的涨落是引起激光相对强度噪声的主要原因,量子效率的起伏,外界环境温度的变化,激光器的电流波动,这些都会引发激光器的RIN噪声。

激光的应用很广泛,在医学、军事、通信、工业领域都有应用。在光通信领域,微波光子学融合了无线通信和光纤通信,利用激光作为光载波,微波源作为调制信号通过调制器加载在载波上,形成了光信号-电信号的复合链路。噪声不仅会降低链路的噪声系数,也会对其他指标比如动态范围指标造成影响,因此对包含激光噪声在内的链路噪声有着较高的要求。此外,在发明激光器的科研领域的应用对激光的性能指标也有着极高的要求。在量子光学领域,基于冷原子体系的量子存储器是未来构建量子网络的重要节点。量子存储器需要将激光器输出激光的频率精确锁定在原子(典型如Rb原子)的吸收线上再进行进一步的原子操控。典型的半导体激光器Rb原子饱和吸收法锁频装置如图1。

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图1. 半导体激光器Rb原子饱和吸收法锁频实验装置图

在激光测量领域,2016年LIGO利用臂长4km的激光干涉仪探测到了爱因斯坦1916年预言的引力波(https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102),这是人类目前利用激光干涉仪测量达到的极致。在光学方面,它用到高功率的连续稳定激光,加工极为精细的低吸收镜子以及FP腔和功率循环腔。在机械方面,它用到被动阻尼和主动阻尼的隔震技术以及真空技术。

由上可知,优秀的激光产生与操控技术,需要电子学技术、光学技术与机械技术的最佳结合。

js555888金沙量子在半导体温度控制方面,通过优化温度控制反馈环路,实现了0.001K的控温稳定性,可以用于半导体激光器中激光二极管的温度控制、非线性频率变换中非线性介质(体块晶体或波导)的温度调谐与稳定、光纤干涉仪的相位稳定。在激光驱动方面,制作了满足噪声需求的精密电流源,实现了半导体激光器功率稳定性优于1%(典型值±0.5%)。为低噪声光电探测器开发了程控线性电源(最大总输出功率100W,程控±2.5V-12V、对称\非对称可调,固定输出+/-15V@2A,+12V@4A),避免了开关电源的开关噪声对探测器的影响。在机械设计方面,实现了外腔反馈半导体激光外腔的长时稳定工作,实现了非线性频率变换中非线性晶体的热隔离夹持,避免了环境温度涨落等因素扰动的同时适配复杂多变的光路结构,保证了高效的频率变换激光产生。为激光器的输出频率锁定开发了适配的伺服控制系统与高电压放大设备,实现了激光器输出光频率的大无跳模区间扫描与原子吸收线的精确锁定。