CN106711755A - 一种用于原子测量的半导体激光光源 - Google Patents

Abstract

本发明属于光源，具体涉及一种用于原子测量的半导体激光光源。一种用于原子测量的半导体激光光源，包括激光器组件、驱动控制模块和光学组件，其中驱动控制模块驱动激光器组件产生激光，产生的激光通过光学组件的调整形成光源。本发明的效果是：在半导体激光器前端采取温度闭环控制和电流闭环控制，取代后端的光学设计和光电探测，在确保激光频率稳定性的同时，减小光源的体积，降低光源的复杂程度，提高光源的环境适应能力。

Description

一种用于原子测量的半导体激光光源

技术领域

本发明属于光源，具体涉及一种用于原子测量的半导体激光光源。

背景技术

随着半导体激光器技术的快速发展，半导体激光器的性能不断提高，并在高分辨光谱、激光冷却与囚禁原子、量子传感等原子测量研究方面得到广泛的应用。在这些应用领域中，通常需要将输出激光的中心频率锁定在某个特定的参考频率上，因此对激光频率的稳定性提出了极高的要求，达到MHz量级。

为了实现上述要求的激光频率稳定性，目前常用的方法是去多普勒饱和吸收法，如中国专利CN101593933A、CN204346911U所采用的方法。该方法将一束激光分解为参考光、检测光和泵浦光，其中检测光和泵浦光光路重合、方向相反地穿过饱和吸收池，参考光和检测光经光电探测器探测和差动放大后，将其输出作为激光频率稳定性控制的反馈信号。

此外，也有利用激光通过原子气室时产生的荧光强弱来进行激光频率稳定性控制的设计方法，如中国专利CN102111154A所采用的方法。该方法将一束激光穿过原子气室，通过扫描激光频率，使激光穿过原子气室时产生的荧光信号发生变化，光电探测器探测荧光信号的变化，并反馈控制激光频率使荧光信号保持最大值。

采用上述两种方法均能实现激光频率的高稳定性，但两者都需要在输出激光之后进行相应的光路设计和光电转换，并对前级驱动进行反馈控制，因此都存在体积庞大、结构复杂、对温度和力学环境适应能力差等问题，仅能在实验室环境条件下使用，难以在移动和便携产品上应用。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供一种用于原子测量的半导体激光光源。

本发明是这样实现的：一种用于原子测量的半导体激光光源，包括激光器组件、驱动控制模块和光学组件，其中驱动控制模块驱动激光器组件产生激光，产生的激光通过光学组件的调整形成光源。

如上所述的一种用于原子测量的半导体激光光源，其中，所述的激光器组件包括半导体激光器、外温度传感器、外热电致冷器、热沉和散热器；

半导体激光器为内置温度传感器和热电致冷器的DBR半导体激光器，其内置温度传感器和热电致冷器与温度控制模块构成温度控制内环，直接对半导体激光器工作温度进行精确控制，

外温度传感器、外热电致冷器与温度控制模块构成温度控制外环，用于对热沉的温度进行控制，间接实现对半导体激光器工作温度进行初级控制，

热沉为导热系数高的结构体，既作为半导体激光器的安装载体，又作为温度控制内环和温度控制外环之间的热传递通道，

散热器为导热系数高的结构体，安装在外热电致冷器的热端，用于实现温度控制外环与外界环境之间进行热量交换。

如上所述的一种用于原子测量的半导体激光光源，其中，所述的驱动控制模块包括电流驱动模块和温度控制模块；

电流驱动模块是一个可控精密恒流源，用于产生驱动半导体激光器的高精度恒定电流，

温度控制模块与半导体激光器内置的温度传感器和热电致冷器构成温度控制内环，与外温度传感器和外热电致冷器构成温度控制外环，分别对半导体激光器和热沉进行温度闭环控制。

如上所述的一种用于原子测量的半导体激光光源，其中，所述的光学组件包括准直透镜、变形棱镜、光隔离器、光纤耦合器；

准直透镜用于将半导体激光器输出的椭圆形发散光束准直为椭圆形平行光束，

变形棱镜由两个楔形棱镜组成，用于将准直透镜产生的椭圆形平行光束转变成圆形平行光束，

光隔离器实现激光单向传播，避免激光反向传播导致激光频率扰动，

光纤耦合器用于将激光耦合进光纤内传输和使用。

本发明的效果是：在半导体激光器前端采取温度闭环控制和电流闭环控制，取代后端的光学设计和光电探测，在确保激光频率稳定性的同时，减小光源的体积，降低光源的复杂程度，提高光源的环境适应能力。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的激光器组件结构示意图；

图3是本发明的电流驱动模块结构示意图。

图4是本发明的温度控制模块结构示意图。

图5是本发明的光学组件结构示意图。

附图标记说明：A1.激光器组件；A11.半导体激光器；A12.外温度传感器；A13.外热电致冷器；A14.热沉；A15.散热器；A2.驱动控制组件；A21.电流驱动模块；A22.温度控制模块；A3.光学组件；A31.准直透镜；A32.变形棱镜；A33.光隔离器；A34.光纤耦合器。

具体实施方式

一种用于原子测量的半导体激光光源，至少包括：半导体激光器、外温度传感器、外热电致冷器、热沉、散热器、电流驱动模块、温度控制模块、准直透镜、变形棱镜、光隔离器、光纤耦合器。其中半导体激光器、外温度传感器、外热电致冷器、热沉、散热器通过结构件装配后形成激光器组件；电流驱动模块、温度控制模块通过结构件装配后形成驱动控制模块；准直透镜、变形棱镜、光隔离器、光纤耦合器通过结构件装配后形成光学组件。

其中：

半导体激光器为内置温度传感器和热电致冷器的DBR半导体激光器，其内置温度传感器和热电致冷器与温度控制模块构成温度控制内环，直接对半导体激光器工作温度进行精确控制。

外温度传感器、外热电致冷器与温度控制模块构成温度控制外环，用于对热沉的温度进行控制，间接实现对半导体激光器工作温度进行初级控制。

热沉为导热系数高的结构体，既作为半导体激光器的安装载体，又作为温度控制内环和温度控制外环之间的热传递通道。

散热器为导热系数高的结构体，安装在外热电致冷器的热端，用于实现温度控制外环与外界环境之间进行热量交换。

电流驱动模块是一个可控精密恒流源，包括电压基准、输入控制、电流驱动、电流检测、反馈控制等环节，用于产生驱动半导体激光器的高精度恒定电流。

温度控制模块包括输入控制、温度拾取、PID控制、电流驱动等环节，与半导体激光器内置的温度传感器和热电致冷器构成温度控制内环，与外温度传感器和外热电致冷器构成温度控制外环，分别对半导体激光器和热沉进行温度闭环控制。

准直透镜用于将半导体激光器输出的椭圆形发散光束准直为椭圆形平行光束。

变形棱镜由两个楔形棱镜组成，用于将准直透镜产生的椭圆形平行光束转变成圆形平行光束。

光隔离器实现激光单向传播，避免激光反向传播导致激光频率扰动。

光纤耦合器用于将激光耦合进光纤内传输和使用。

所述半导体激光器安装于热沉的中心位置，如图2所示；两者接触面紧密贴合，与热沉之间形成良好的热传递通道；半导体激光器内置温度传感器和热电致冷器，与温度控制模块一同构成温度控制内环，用于直接对半导体激光器进行精确温度控制；半导体激光器通过电缆与电流驱动模块实现电气连接，在电流驱动模块输出的电流作用下，对外发射激光。

所述外温度传感器安装于热沉外表面靠近半导体激光器的位置，如图2所示；外温度传感器与热沉紧密贴合，用于敏感热沉的实际温度；外温度传感器与外热电致冷器、温度控制模块一同构成温度控制外环，用于直接对热沉进行温度控制，实现间接对半导体激光器进行初级温度控制。

所述外热电致冷器安装于热沉的两侧面，如图2所示；外热电致冷器的冷端与热沉紧密贴合，与热沉之间形成良好的热传递通道，用于对热沉进行致冷或致热；外热电致冷器与外温度传感器、温度控制模块一同构成温度控制外环，用于直接对热沉进行温度控制，实现间接对半导体激光器进行初级温度控制。

所述热沉位于半导体激光器和外温度传感器、外热电致冷器之间，如图2所示；其内部与半导体激光器装配，外部与外温度传感器和外热电致冷器装配，各装配面均紧密贴合，形成良好的热传递通道；热沉在温度控制外环的作用下，实现间接对半导体激光器进行初级温度控制。

所述散热器位于外热电致冷器的外侧，如图2所示；其内表面与外热电致冷器的热端紧密贴合，与外热电致冷器之间形成良好的热传递通道，外表面与大气接触，实现自然散热。

所述电流驱动模块位于驱动控制组件内，与激光器组件分开放置，两者通过电缆实现电气连接，如图3所示；电流驱动模块包括电压基准、输入控制、电流驱动、电流检测、反馈控制等环节，其中输入控制环节设定目标电流参数，电流驱动环节根据电流设定值产生相应的电流对外输出，电流检测环节监测实际的电流输出值，并通过反馈环节反馈到电流驱动环节的输入端，形成驱动电流的闭环控制；电流驱动模块输出的电流通过电缆送往半导体激光器，产生激光输出。

所述温度控制模块位于驱动控制组件内，与激光器组件分开放置，两者通过电缆实现电气连接，如图4所示；温度控制模块包括输入控制、温度拾取、PID控制、电流驱动等环节，其中输入控制环节设定目标温度参数，温度拾取环节获取实际的温度参数，PID控制环节根据目标温度和实际温度的差值产生PID控制信号，电流驱动环节根据PID控制信号产生相应的电流，驱动热电致冷器致冷或致热，从而实现温度的闭环控制。

所述准直透镜为非球D型透镜，通过结构件与激光器组件固连，安装位置在半导体激光器输出光轴的中心，与激光器发光面的距离为准直透镜的焦距，如图5所示；准直透镜用于将从半导体激光器发出的椭圆形发散光束准直成椭圆形平行光束。

所述变形棱镜为楔形棱镜对，通过结构件与激光器组件固连，安装位置在准直透镜之后，如图5所示；变形棱镜用于将准直后的椭圆形平行光束转变成圆形平行光束。

所述光隔离器为偏振隔离器，通过结构件与激光器组件固连，安装位置在变形棱镜之后，如图5所示；光隔离器用于隔离沿光路返回的反射光，将光学系统的反馈最小化，从而降低反射光对半导体激光器的扰动。

所述光纤耦合器是一个具有多自由度的光学转换接口，通过结构件与激光器组件固连，安装在光隔离器之后，如图5所示；通过光纤耦合器将空间自由光耦合进光纤，便于传输和使用。

Claims (4)

1.一种用于原子测量的半导体激光光源，其特征在于：包括激光器组件、驱动控制模块和光学组件，其中驱动控制模块驱动激光器组件产生激光，产生的激光通过光学组件的调整形成光源。

2.如权利要求1所述的一种用于原子测量的半导体激光光源，其特征在于：所述的激光器组件包括半导体激光器、外温度传感器、外热电致冷器、热沉和散热器；

半导体激光器为内置温度传感器和热电致冷器的DBR半导体激光器，其内置温度传感器和热电致冷器与温度控制模块构成温度控制内环，直接对半导体激光器工作温度进行精确控制，

外温度传感器、外热电致冷器与温度控制模块构成温度控制外环，用于对热沉的温度进行控制，间接实现对半导体激光器工作温度进行初级控制，

热沉为导热系数高的结构体，既作为半导体激光器的安装载体，又作为温度控制内环和温度控制外环之间的热传递通道，

散热器为导热系数高的结构体，安装在外热电致冷器的热端，用于实现温度控制外环与外界环境之间进行热量交换。

3.如权利要求1所述的一种用于原子测量的半导体激光光源，其特征在于：所述的驱动控制模块包括电流驱动模块和温度控制模块；

电流驱动模块是一个可控精密恒流源，用于产生驱动半导体激光器的高精度恒定电流，

温度控制模块与半导体激光器内置的温度传感器和热电致冷器构成温度控制内环，与外温度传感器和外热电致冷器构成温度控制外环，分别对半导体激光器和热沉进行温度闭环控制。

4.如权利要求1所述的一种用于原子测量的半导体激光光源，其特征在于：所述的光学组件包括准直透镜、变形棱镜、光隔离器、光纤耦合器；

准直透镜用于将半导体激光器输出的椭圆形发散光束准直为椭圆形平行光束，

变形棱镜由两个楔形棱镜组成，用于将准直透镜产生的椭圆形平行光束转变成圆形平行光束，

光隔离器实现激光单向传播，避免激光反向传播导致激光频率扰动，

光纤耦合器用于将激光耦合进光纤内传输和使用。。