CN102593715B - 半导体激光器稳频装置及其调整方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体激光器稳频装置及其调整方法，该装置由半导体激光器、四分之一波片、原子吸收池、半透半反镜、光电探测器、示波器、普通光学玻璃、信号发生器构成。本发明结合原子的饱和吸收光谱技术和非相干反馈稳频技术，将半导体激光器的输出频率稳定在原子的饱和吸收峰上，可同时实现半导体激光器的线宽压窄和频率稳定，具有结构简单，频率稳定性高的特点。

Description

半导体激光器稳频装置及其调整方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器，特别是一种半导体激光器稳频装置及其调整方法，该装置可应用于激光原子冷却、高分辨率激光光谱、冷原子钟等领域。

背景技术

近年来半导体激光技术迅猛发展，半导体激光器的性能不断提高，应用越来越广泛。由于其体积小、效率高、使用方便等优点，半导体激光半导体激光器广泛应用于激光原子冷却、高分辨率激光光谱、冷原子钟等许多领域。这些应用领域对激光器的线宽和频率稳定性要求很高，而自由运转的半导体激光器的输出频率对注入电流和工作温度很敏感，即使是在单纵模下运转，其光谱线宽也比较宽，使它的中心波长会在一个相当大的范围内波动，频率稳定性很差。这对于激光原子冷却、高分辨率激光光谱等的应用，都是必须解决的问题。因此需要采取进一步的主动稳频措施来满足科学研究领域对半导体激光器的要求，故半导体激光器的线宽压窄和稳频技术的研究受到广泛关注。

半导体激光器的稳频技术通常是将输出激光的中心频率锁定在某个频率稳定度很高的参考频率上，例如原子、分子的吸收谱线、法布里珀罗标准具等。其中，基于原子吸收线的饱和吸收光谱技术应用最为广泛。它的主要原理是激光器的输出光的频率和原子的饱和吸收峰处的频率相比较，得到误差信号并反馈到激光器的频率调谐机构中，完成闭环控制，从而使激光器的中心频率锁定到对应的参考频率上，完成稳频。比如，铷（Rb）原子的吸收谱线可以用于780nm波段的半导体激光器的稳频;铯（Cs）原子的吸收谱线可以用于852nm波段半导体激光器的稳频。

Motoichi Ohtsu提出了一种依靠电学信号反馈的半导体激光器调制稳频技术（参见在先技术[1]：“Linewidth reduction of a semiconductor laser by electrical feedback”，IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, Vol. QE-21, No.12, December 1985）。其基本原理是对激光频率进行调制，再与参考的原子吸收谱线做比较，获得交流的误差信号，产生闭环控制进行稳频。但是依靠电学信号的反馈稳频会产生一系列的问题：

1.由于反馈由电学信号完成，电信号的响应比光信号慢得多，因此无法在对半导体激光器稳频的同时压窄其线宽。

2.需要复杂的处理电路如锁相放大，以及各种调制元件等。这些都限制了激光器频率稳定度的进一步提高，给应用带来不便。

为了克服上述电学信号反馈稳频带来的问题，A.F.A.da Rocha提出了一种纯粹依靠光学反馈的半导体激光器无调制稳频技术（参见在先技术[2]：“Diode laser coupled to an atomic line by incoherent optical negative feedback”,APPLIED PHYSICS LETTERS. Vol 84, No2, 12 January 2004）。此装置通过引入非相干光反馈，将半导体激光器的频率锁定在铯原子在852nm波段的非饱和吸收峰上，优点是由于其反馈由光路而非电路完成，响应快，带宽高，并且可以同步压窄线宽，缺点是由于原子的整个非饱和吸收峰的宽度非常宽（1GHz），因此该方法的稳频及线宽压窄效果不理想，无法满足科学研究上对于高频率稳定度，窄线宽半导体激光器的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供半导体激光器稳频装置及其调整方法，该装置将半导体激光器的频率锁定在原子饱和吸收曲线的精细结构中极窄的饱和吸收峰上，大大提高了半导体激光器的稳频精度和线宽压窄效果。

本发明的技术解决方案如下：

一种半导体激光器稳频装置，特点在于其构成包括半导体激光器、半导体激光器控制器、四分之一波片、原子吸收池、半透半反镜、普通光学玻璃、光电探测器、示波器和信号发生器，上述元部件的位置关系如下：

所述的信号发生器为半导体激光器控制器提供驱动电流信号，半导体激光器控制器为半导体激光器提供驱动电流和温度控制，在所述的半导体激光器发出的光束方向依次设置所述的普通光学玻璃和四分之一波片、原子吸收池和半透半反镜，所述的普通光学玻璃与所述的光路成45°，在该普通光学玻璃的反射光方向有光电探测器，该光电探测器的输出端接示波器的输入端，半导体激光器发出的光束经所述的普通光学玻璃和四分之一波片进入原子吸收池，由原子吸收池输出的光经半透半反镜后分为透射光和反射光，透射光作为整个系统的输出光，反射光作为稳频光返回通过原子吸收池产生饱和吸收并通过四分之一波片产生偏振态与输出光垂直的饱和吸收反馈光信号，该反馈信号部分透过普通光学玻璃进行入所述的半导体激光器，另一部分被普通光学玻璃反射被所述的光电探测器探测并输入所述的示波器（8）实时波形显示。

所述的半导体激光器稳频装置的调整方法，特征在于具体操作步骤如下：

①通过半导体激光器控制器调节半导体激光器的工作温度，将半导体激光器（1）的频率，调至原子吸收池中原子的吸收峰处；

②通过信号发生器输出三角波电流驱动信号对半导体激光器的电流进行扫描，使其频率在小范围内变化；

③调节信号发生器的三角波信号的直流偏置，使光电探测器接收的反馈信号在示波器中的波形呈现出完整的原子饱和吸收曲线；

④调节信号发生器，使其输出直流驱动信号，将半导体激光器的输出频率锁定在原子吸收池中原子的饱和吸收峰上，此时即可得到频率稳定度高和线宽很窄的半导体激光器。

所说的半导体激光器控制器具有温度控制和电流控制两个模块，温度控制模块用于控制半导体激光器的温度，使半导体激光器的温度仅在极小的范围内变化，电流控制模块为第一半导体激光器提供电流驱动信号。

所说的反馈光信号与半导体激光器的输出光信号在原子吸收池中在空间上重合，能够与原子吸收池发生饱和吸收作用产生饱和吸收信号。

所说的四分之一波片同时处于反馈光路与出射光路中，使反馈光的偏振态与半导体激光器的出射光的偏振态垂直。不会发生干涉效应。

所说的示波器对光电探测器得到的信号实时进行波形显示，监测反馈误差信号。

本发明与在先技术相比，具有以下优点和积极效果：

1、与在先技术[1]相比，本发明的半导体激光器稳频装置采用完全的无调制稳频光反馈技术，避免了复杂的电路处理，而且能在稳定半导体激光器频率的同时压窄其线宽。

2、与在先技术[2]相比，本发明的半导体激光器稳频装置将非相干反馈稳频技术与原子饱和吸收技术相结合，提高了半导体激光器的稳频和线宽压窄效果。

3、与在先技术[2]相比，本发明半导体激光器稳频装置将反馈光路与出射光路合二为一，简化了整个装置，降低器件成本。

附图说明

图1是本发明半导体激光器稳频装置结构框图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明半导体激光器稳频装置结构框图。由图可见，本发明半导体激光器稳频装置，包括带有控制器2的半导体激光器1，四分之一波片3、原子吸收池4、半透半反镜5、普通光学玻璃6、光电探测器7、示波器8、信号发生器9，所述的信号发生器9为半导体激光器控制器2提供驱动电流信号，半导体激光器控制器2为半导体激光器1提供驱动电流和温度控制，由半导体激光器1发射的光束通过普通光学玻璃6和四分之一波片3进入原子吸收池4，经过吸收后到达半透半反镜5，透射光作为整个系统的输出光，反射光4a作为稳频光再次通过原子吸收池4产生饱和吸收并通过四分之一波片3产生偏振态与输出光垂直的饱和吸收反馈光信号，一部分反馈信号1a透过普通光学玻璃6进行入半导体激光器1，另一部分被普通光学玻璃6反射被光电探测器7探测，对反馈光学信号进行实时检测，示波器8对光电探测器7中的信号进行实时波形显示。

半导体激光器2的输出波长在对应原子吸收池4内原子的吸收峰附近

光电探测器7内部集成有放大电路。

信号发生器9能为控制器2输出不同偏置的三角波以及直流驱动信号。该控制器2能为半导体激光器1提供电流驱动和温度控制。

反馈光4a与输出光4b在原子吸收池4内的空间上重合，因此可以产生原子的饱和吸收信号。饱和吸收反馈光信号1a由于两次经过四分之一波片3，其偏振态与半导体激光器1发射的光束1b的偏振态垂直。因而反馈的饱和吸收光信号1a不会与半导体激光器1输出的光束1b发生干涉效应。

在开始操作此装置之前，要仔细调节整个光路的准直。确保反馈光4a与出射光4b在原子吸收池4内完全重合，并且反馈的饱和吸收光信号1a与半导体激光器1b有很好的耦合效率，这样，当半导体激光器1本身出现频率漂移时，对应的反馈饱和吸收光信号1a的强度就会发生变化，产生负反馈效应，改变半导体激光器1内部载流子密度，对频率的漂移起到纠正作用，提高了半导体激光器的频率稳定度。快速的光反馈形成的外腔效应也同时起到了压窄半导体激光器的线宽的效果。

本发明基于非相干反馈和原子饱和吸收技术的半导体激光器无调制稳频和压窄线宽装置工作时，具体操作步骤如下：

1.  通过控制器2调节半导体激光器1的工作温度，粗调半导体激光器1的波长，将半导体激光器1的波长粗略调至原子吸收池4中原子的吸收峰处。

2.  通过信号发生器9输出三角波电流驱动信号对半导体激光器1的电流进行扫描，使其频率在小范围内变化。

3.  调节信号发生器9的三角波信号的直流偏置，使光电探测器7接收到的反馈信号在示波器8中的波形呈现出完整的原子饱和吸收曲线。

4.      调节信号发生器9，使其输出直流驱动信号，将半导体激光器1的频率锁定在原子吸收池4的原子的饱和吸收峰上。此时即可得到频率稳定度高和线宽很窄的半导体激光器。

  本发明由于结合了偏振旋转反馈技术和原子饱和吸收光谱技术，且采用了无调制稳频方法，此装置可以大幅度提高半导体激光器输出半导体激光器的质量，提高其频率稳定度的同时压窄其线宽，并且大幅度降低了整个装置的复杂性。实验表明，本发明半导体激光器的输出频率稳定在原子的饱和吸收峰上，可同时实现半导体激光器的线宽压窄和频率稳定，具有结构简单，频率稳定性高的特点。本发明可广泛应用于激光原子冷却、高分辨率激光光谱、冷原子钟等许多领域。

Claims (2)

1.一种半导体激光器稳频装置，特征在于其构成包括半导体激光器（1）、半导体激光器控制器（2）、四分之一波片（3）、原子吸收池（4）、半透半反镜（5）、普通光学玻璃（6）、光电探测器（7）、示波器（8）和信号发生器（9），上述元部件的位置关系如下：

所述的信号发生器（9）为半导体激光器控制器（2）提供驱动电流信号，半导体激光器控制器（2）为半导体激光器（1）提供驱动电流和温度控制，在所述的半导体激光器（1）发出的光束方向依次设置所述的普通光学玻璃（6）和四分之一波片（3）、原子吸收池（4）和半透半反镜（5），所述的普通光学玻璃（6）与所述的光路成45°，在该普通光学玻璃（6）的反射光方向有光电探测器（7），该光电探测器（7）的输出端接示波器（8）的输入端，半导体激光器（1）发出的光束经所述的普通光学玻璃（6）和四分之一波片（3）进入原子吸收池（4），由原子吸收池（4）输出的光经半透半反镜（5）后分为透射光和反射光，透射光作为整个系统的输出光，反射光（4a）作为稳频光返回通过原子吸收池4产生饱和吸收并通过四分之一波片（3）产生偏振态与输出光垂直的饱和吸收反馈光信号，该反馈信号部分（1a）透过普通光学玻璃（6）进行入所述的半导体激光器（1），另一部分被普通光学玻璃（6）反射被所述的光电探测器（7）探测并输入所述的示波器（8）实时波形显示。

2.权利要求1所述的半导体激光器稳频装置的调整方法，特征在于具体操作步骤如下：

①通过半导体激光器控制器（2）调节半导体激光器（1）的工作温度，将半导体激光器（1）的频率调至原子吸收池（4）中原子的吸收峰处；

②通过信号发生器（9）输出三角波电流驱动信号对半导体激光器（1）的电流进行扫描，使半导体激光器（1）的频率在小范围内变化；

③调节信号发生器（9）的三角波信号的直流偏置，使光电探测器（7）接收的反馈信号在示波器（8）中的波形呈现出完整的原子饱和吸收曲线；

④调节信号发生器（9），使其输出直流驱动信号，将半导体激光器（1）的输出频率锁定在原子吸收池（4）中原子的饱和吸收峰上，此时即可得到频率稳定度高和线宽很窄的半导体激光器。