CN104767119A - 中心频率可调谐的半导体激光器稳频装置和稳频方法 - Google Patents

Abstract

一种中心频率可调谐的半导体激光器稳频方法，该装置由半导体激光器、偏振分束器，四分之一波片、原子吸收池、螺线管、光电探测器、锁相放大器、信号发生器、伺服控制器、加法运算器、频率固定在原子共振能级的光源构成。本发明结合电磁诱导透明技术和调制光谱法稳频技术，将半导体激光器的输出频率稳定在中心频率位置可移动的电磁诱导透明窗口上，可实现中心频率可调谐的半导体激光器频率稳定，具有结构简单，频率稳定性高的特点。

Description

中心频率可调谐的半导体激光器稳频装置和稳频方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器，特别是一种中心频率可调谐的半导体激光器的稳频方法，该方法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

随着近年来半导体激光技术的迅猛发展，它在引力波探测、高精度光谱、合成孔径激光雷达等领域有着重要应用。这些应用领域不仅要求激光具有高频率稳定性和高相干性(超窄线宽)，还要求具备激光中心频率的调谐能力。而传统的激光稳频技术是将激光频率稳定在一个稳定的、窄线宽的频率参考上，例如原子的吸收线、高精细度法布里-珀罗腔等，只能实现固定频率点的激光稳频，不具备中心频率的调谐性能。因此，探索研究稳定度好、线宽窄、中心频率可调谐的新型频率参考，发展能够实现中心频率可调谐的半导体激光器稳频技术，具有重要的学术意义和应用价值。

E.D.Vanooijen提出了一种利用声光调制器实现中心频率可调谐的半导体激光器调制稳频技术(参见在先技术[1]：“Laser frequency stabilization using Doppler-free bichromatic spectroscopy”，Applied physics b,Vol.79,57-592004)。其基本原理是对激光频率进行调制，并通过声光调制器产生零阶和1阶透射光，这两束光在原子池内产生交叉共振峰，通过电路计算获得交流的误差信号，产生闭环控制进行稳频，并且其稳频中心频率可通过调节AOM的调制频率进行移动。但是由于受到声光调制器中所用晶体的限制，其中心频率调谐范围有限，只能到100MHz量级。

另一方面，J.I.Thirpe提出了一种利用光学共振FP腔并且采用移动边带的PDH稳频技术实现中心频率可调谐的半导体激光器的频率稳定(参见在先技术[2]：“Laser frequency stabilization and control through offset sideband locking to optical cavities”,Optics Express.Vol 16,No.20,15980,2004)。此方案将移动边带稳频技术与传统PDH稳频相结合，优点是可以实现较宽的中心频率调 谐范围，但主要存在以下缺点:

1、方案中需要用到高精度的光学FP腔，这大大提高了整个方案的器件成本。

2、边带稳频技术的加入使整体的频率稳定精度劣化非常严重，难以满足一些高精度应用的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提出一种中心频率可调谐的半导体激光器的稳频方法，结合电磁诱导透明技术和调制光谱法技术，将半导体激光器的输出频率稳定在中心频率位置可移动的电磁诱导透明窗口上，实现中心频率可调谐的半导体激光器频率稳定，具有结构简单、频率稳定性高和调谐范围大的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种中心频率可调谐的半导体激光器的稳频装置，包括带有半导体激光器控制器的半导体激光器、第一偏振分束器、四分之一波片、原子吸收池、第二偏振分束器、螺线管、光电探测器、锁相放大器、信号发生器、伺服控制器、加法运算器和频率固定在原子共振能级的光源信号；

上述元部件的位置关系如下：

在所述的半导体激光器发出的光束依次通过所述的第一偏振分束器(2)、四分之一波片(3)、原子吸收池(4)和第二偏振分束器(5)，在该第二偏振分束器(5)的反射光方向有光电探测器(7)，该光电探测器(7)的输出端与所述的锁相放大器(8)的第一输入端相连；

所述的信号发生器(9)的输出端分别与所述的锁相放大器(8)的第二输入端、加法运算器(11)的第一输入端相连，为锁相放大器(8)和加法运算器(11)提供电流驱动信号；

所述的锁相放大器的输出端经所述的伺服控制器(10)与所述的加法运算器(11)的第二输入端相连，该加法运算器(11)的输出端与控制器(12)的输入端相连，该半导体激光器控制器(12)的输出端与半导体激光器(1)的控制端相连；

所述的原子吸收池(4)放置在所述的螺线管(6)中心。

上面所述的半导体激光器为半导体激光器，其输出波长在原子吸收池内的原子的饱和吸收峰附近。

所述的信号发生器可为锁相放大器和加法运算器提供所需参考频率的正弦电流驱动信号。

所述的频率固定在原子共振能级的光源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量子相干作用产生电磁诱导透明光信号。

所述的四分之一波片将频率固定在原子共振能级的光源信号与半导体激光器的输出光信号在原子吸收池内的偏振态调整为圆偏振光。

所述的螺线管用于产生磁场，使原子吸收池内原子的能级产生移动，从而调节电磁诱导透明峰出现的频率位置。

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，本发明的中心频率可调谐的半导体激光器稳频方法采用电磁感应透明峰作为频率参考，透射峰的频率位置取决于相应原子跃迁的频率失谐。相关的理论和实验都已表明，在整个原子的近共振范围，电磁感应透明都可以实现。因此，基于这种电磁感应透明效应的可调谐技术的调谐范围将是声光调制技术的5倍左右。

2、与在先技术[2]相比，本发明采用电磁感应透明峰作为频率参考，电磁感应透明峰的产生基于量子效应，具有线宽窄、稳定性高等优点，可大幅提高半导体激光器稳频的精度。

3、与在先技术[2]相比，本发明只需使用一些常用的光学和电学器件即可实现，不需要用到高精度的光学FP腔等成本较高的装置，具有结构简单，实现成本低等优点。

附图说明

图1是原子吸收池内原子的作用能级。

图2是本发明中心频率可调谐的半导体激光器的稳频装置的结构框图。

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是在螺线管6产生的磁场作用下，原子吸收池4内原子的作用能级。由图可见，在螺线管6产生的磁场作用下，原子吸收池4内原子的能级产生移动，当半导体激光器1的输出光4a与频率固定在原子共振能级的光源信号13的输出光4b近共振作用于对应的原子能级时，就会产生电磁诱导透明峰信号。

再请参阅图2，图2是本发明中心频率可调谐的半导体激光器的稳频装置的结构框图。由图可见，本发明中心频率可调谐的半导体激光器的稳频装置，包括带有半导体激光器控制器12的半导体激光器1、第一偏振分束器2，四分之一波片3、原子吸收池4、第二偏振分束器5、螺线管6、光电探测器7、锁相放大器8、信号发生器9、伺服控制器10、加法运算器11、频率固定在原子共振能级的光源13。由半导体激光器1发射的光束通过第一偏振分束器2和四分之一波片3进入原子吸收池4，产生电磁诱导透明作用后到达第二偏振分束器5，透射光作为整个系统的输出光，反射光被光电探测器7转化为电信号，经锁相放大器8放大后通过伺服控制器10与信号发生器9产生的信号通过加法器11进行求和产生误差信号，反馈到激光器控制器12对半导体激光器1的频率进行稳定。

所述的半导体激光器1的输出光4a的波长对应原子能级|3>→|2>，频率固定在原子共振能级的光源信号13的输出光4b的波长对应原子能级|1>→|2>，它们在原子吸收池4内的空间上重合，因此可以产生电磁感应透明信号。

原子吸收池4放置在螺线管6中心，当螺线管6通电时会产生磁场，改变电流大小调节磁场的强弱，从而调节原子能级的位置，并进而改变电磁感应透明信号出现的频率位置。

光电探测器7内部集成有放大电路。

信号发生器9可为锁相放大器8和加法运算器11提供所需参考频率的正弦电流驱动信号。

在开始操作此装置之前，要仔细调节整个光路的准直。确保半导体激光器1的输出光4a与频率固定在原子共振能级的光源信号13的输出光4b在原子吸收池4内完全重合，这样，在对应频率处会产生电磁感应透明信号，通过调制反馈稳定激光器的频率。通过调节螺线管6的电流的大小以改变原子能级的位置，调节电磁感应透明信号出现的频率位置，最终可以调节半导体激光器1的中心频率位置。

本发明基于电磁感应透明和半导体激光器调制稳频技术的一种中心频率可调谐的半导体激光器稳频方法工作时，具体操作步骤如下：

1.通过半导体激光器控制器12调节半导体激光器1的工作参数，粗调半导体激光器的波长和强度，将半导体激光器1的波长粗略对应原子吸收池中原子能级|3>→|2>。并使频率固定在原子共振能级的光源信号的波长粗略对应原子能级|1>→|2>。

2.调节信号发生器9为锁相放大器8和加法运算器11提供所需参考频率的正弦电流驱动信号。

3.仔细调整光路，确保半导体激光器1的输出光4a与光源信号13的输出光4b在原子吸收池4内完全重合。此时产生的电磁感应透明信号通过调制反馈稳频，使激光器频率稳定。

4.调节螺线管6的电流，改变原子吸收池4所处的磁场大小，使原子的能级发生移动，调节稳频半导体激光器的中心频率。

本发明由于结合了电磁诱导透明技术和调制光谱法技术，将半导体激光器的输出频率稳定在中心频率位置可移动的电磁诱导透明窗口上，此方法可实现中心频率可调谐的半导体激光器频率稳定。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 (3)

1.一种中心频率可调谐的半导体激光器的稳频装置，其特征在于，包括带有半导体激光器控制器(12)的半导体激光器(1)、第一偏振分束器(2)、四分之一波片(3)、原子吸收池(4)、第二偏振分束器(5)、螺线管(6)、光电探测器(7)、锁相放大器(8)、信号发生器(9)、伺服控制器(10)、加法运算器(11)和频率固定在原子共振能级的光源信号(13)；

上述元部件的位置关系如下：

在所述的半导体激光器(1)发出的光束依次通过所述的第一偏振分束器(2)、四分之一波片(3)、原子吸收池(4)和第二偏振分束器(5)，在该第二偏振分束器(5)的反射光方向有光电探测器(7)，该光电探测器(7)的输出端与所述的锁相放大器(8)的第一输入端相连；

所述的信号发生器(9)的输出端分别与所述的锁相放大器(8)的第二输入端、加法运算器(11)的第一输入端相连，为锁相放大器(8)和加法运算器(11)提供电流驱动信号；

所述的锁相放大器的输出端经所述的伺服控制器(10)与所述的加法运算器(11)的第二输入端相连，该加法运算器(11)的输出端与控制器(12)的输入端相连，该半导体激光器控制器(12)的输出端与半导体激光器(1)的控制端相连；

所述的原子吸收池(4)放置在所述的螺线管(6)中心。

2.根据权利要求1所述的中心频率可调谐的半导体激光器的稳频装置，其特征在于，所述的半导体激光器(1)的输出光束(4a)经所述的第一偏振分束器(2)透射后，经所述的四分之一波片(3)进入原子吸收池(4)；

所述的频率固定在原子共振能级的光源信号(13)的输出光束(4b)经所述的第一偏振分束器(2)反射后，经所述的四分之一波片(3)进入原子吸收池(4)；

由原子吸收池(4)输出的光经第二偏振分束器(5)后分为透射光和反射光，透射光作为整个系统的输出光，反射光到达光电探测器(7)后转化为电信号，经锁相放大器(8)放大后通过伺服控制器(10)与信号发生器(9)产生的信号分别通过加法器(11)进行求和产生误差信号，并反馈到半导体激光器控制器(12)对半导体激光器(1)的频率进行稳定。

3.一种利用权利要求1或2所述的中心频率可调谐的半导体激光器的稳频装置进行稳频的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①通过半导体激光器控制器(12)粗调半导体激光器(1)的波长和强度，将半导体激光器(1)的波长粗略对应原子吸收池中原子能级|3>→|2>，并使频率固定在原子共振能级的光源信号(13)的波长粗略对应原子能级|1>→|2>；

②通过信号发生器(9)为锁相放大器(8)和加法器(11)提供电流驱动信号；

③调整光路使所述的半导体激光器(1)的输出光束(4a)与频率固定在原子共振能级的光源信号(13)的输出光束(4b)在所述的原子吸收池(4)内完全重合，产生电磁感应透明信号；该的电磁感应透明信号被光电探测器(7)转化为电信号，经锁相放大器(8)放大后通过伺服控制器(10)与信号发生器(9)产生的信号通过加法器(11)进行求和产生误差信号，反馈到激光器控制器(12)对半导体激光器(1)的频率进行稳定；

④调节螺线管(6)的电流，从而改变原子吸收池(4)所处的磁场大小，使其原子的能级发生移动，调节稳频半导体激光器的中心频率。