CN107317220B - 一种基于超稳定f-p腔的精密激光器稳频电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超稳定F‑P腔的精密激光器稳频电源，集成了电流控制子系统、超稳定F‑P腔(法布里‑珀罗腔)及其温度控制子系统、激光强度测量子系统、微分稳频子系统、电流显示子系统；其中，电流控制子系统利用模拟电路产生恒定可调的电流；超稳定F‑P腔及其温度控制子系统通过精密的温度控制稳定F‑P腔腔长，压窄激光线宽，提供参考频率；激光强度测量子系统探测激光的强度；微分稳频子系统首先将激光强度测量模块所得的信号进行处理，产生误差信号反馈至电流控制子系统，提高激光频率的稳定度；电流显示子系统显示激光器的电流大小。本发明提供的基于超稳定F‑P腔的精密激光器稳频电源能够提供稳定可调的电流，显著提高激光器的稳频稳定度。

Description

一种基于超稳定F-P腔的精密激光器稳频电源

技术领域

本发明涉及激光器稳频电源的技术领域，具体涉及一种基于超稳定F-P腔的精密激光器稳频电源，适用于对激光器频率稳定性有严格要求的应用领域。

背景技术

随着国民经济的发展，半导体激光器在工业生产和实验研究方面得到了极大的关注。特别是近年来，激光器作为原子物理实验的关键部件，使得利用原子的超精细能级、自旋特性和能级量子化等的磁光阱技术、冷原子技术成为可能。半导体激光器的频率稳定性将直接影响系统的性能，而激光器的频率稳定性依赖于驱动电源的稳定度，因此提高激光驱动电源性能迫在眉睫。

半导体激光器稳频电源的核心在于电流控制系统和频率稳定系统。通常，电流控制模块很难有一个普适性的电路或方法，根据具体需求的不同，电流控制的方法与相应电路也不相同，但对于任何激光器驱动电路而言，其基本结构都应是可调的恒流源，且噪声低，并具有软启动、关断以及防止浪涌的功能。虽然目前国内外对于激光器电流控制的研究已经取得了相当的进展，但是对于需要对激光器进行高精度控制的场合，比如原子物理实验等，仍然需要进一步提高其稳定度，降低激光器的线宽。一般商用的激光器频率稳定系统只包含电路模块，需要实验人员手动搭建光路提供稳频所需的参考频率，对实验者的专业性提出了很高的要求，也导致了整个系统体积较大，结构复杂，操作困难。同时，目前常见的驱动电源只包括电流控制系统，如果需要提高激光频率稳定度，需要额外购买或研制额外的稳频系统，体积庞大，成本较高，因此有必要将电流控制系统和频率稳定系统的各个模块集成为稳频电源。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高精度的激光器稳频电源，稳定可靠，集成度高。

本发明的技术解决方案是：一种基于超稳定F-P腔的精密激光器稳频电源，包括电流控制子系统、超稳定F-P腔及其温度控制子系统、激光强度测量子系统、微分稳频子系统和电流显示子系统，其中：

电流控制子系统利用模拟电路产生稳定的电流，作为激光器的驱动源，使激光器发光；

超稳定F-P腔及其温控子系统以F-P腔为核心，把激光将激光的线宽压窄，F-P腔提供稳定的稳频参考频率，同时减少温度变化对F-P腔腔长的影响，从而使得参考频率稳定；

激光强度测量子系统利用光电探测模块测量激光的强度，将光信号转化成电信号；

微分稳频子系统首先将激光强度测量模块所得的电压信号调制、鉴相、滤波等处理，产生纠偏信号；

电流显示子系统对激光器的电流进行显示。

进一步地，所述的微分稳频子系统产生三角波扫频信号、正弦波调制信号AsinΩt，并且通过移相电路得到一个与该正弦波相位相差90度的余弦信号AcosΩt；三角波信号输入至电流控制子系统进行扫频，光电探测子系统得到的光谱信号为G(ω)，加入正弦波信号调制后的光谱信号改变为G(ω′)，其中ω′＝ω+AsinΩt+θ，θ为由于电路结构导致的相位误差；正弦信号AsinΩt、余弦信号AcosΩt和光谱信号G(ω′)分别输入至两个乘法器，根据傅里叶变换原理，经过低通滤波器滤除高频信号后分别得到：

两个结果平方相加，再经过开方运算电路之后可以得到误差信号，该误差信号与调制信号幅度和光谱信号的一次谐波成正比；通过比例积分运算得到误差信号。

进一步地，微分稳频子系统得到稳频所需误差信号，根据激光器控制电流与光频率的关系对激光器电流进行反馈至电流控制子系统，通过调整电流大小，稳定激光器频率；激光器输出光功率P与外微分量子效率η_d、阈值电流I_th存在以下函数关系：

其中，h为普朗克常数，v为频率，e为单位电荷量，I为注入电流；而激光器工作温度影响阈值电流，存在如下关系：

其中，T₀可以取任意温度值，I₀为T₀温度下的阈值电流；将上述公式代入得：

其中，因此激光器频率随电流升高而下降，即频率与电流I存在以下关系：

所述的微分稳频控制子系统得到误差信号，引入负反馈至电流控制子系统调整电流，稳定激光频率。

本发明的原理在于：一种基于超稳定F-P腔的精密激光器稳频电源，由电流控制子系统、超稳定F-P腔及其温度控制子系统、激光强度测量子系统、微分稳频子系统、电流显示子系统组成，其中激光器射出的激光经过分束器件，一束被耦合进光纤，进入F-P腔然后输入激光强度测量子系统；激光强度测量子系统基于光电探测模块，测量激光强度，将结果输入至微分稳频子系统；微分稳频子系统产生稳频所需的调制信号、扫频信号和鉴相参考信号，相位检测模块对输入的光电信号进行处理，输出纠偏误差信号，经过比例放大反馈给电流控制子系统；电流控制子系统首先产生一个基准电压，将所得的基准电压与输出位置采样所得的电压进行比较，得到误差信号控制电流恒定；电流显示系统显示高精度激光器稳频电源输出电流的大小。

其中超稳定F-P腔及其温度控制子系统包括高Q值F-P腔和温控器和温度执行器。其中高Q值F-P腔可以把激光器的线宽减小至MHz量级甚至更低；F-P腔温度的变化将传导至与它相接触的底座，使与底座温度变化，当温度变化达到平衡状态时，两个参数相同的NTC(Negative Temperature Coefficient负温度系数热敏电阻)阻值相同，此时温度最接近激光器实际温度，将光电二极管输出的光电流信号与NTC阻值的变化转换为电压信号，实现对F-P腔温度长期稳定、高精度的控制；温度执行器子系统以半导体制冷芯片为执行器，将温度控制子系统输出的信号进行放大，通过改变流过半导体制冷芯片电流的大小与方向，从而实现对与F-P腔接触的底座的加热或制冷，从而可对F-P腔的温度进行控制，使其腔长稳定。

其中微分稳频系统包括调制与参考信号发生模块、鉴相模块和比例积分控制模块。其中信号发生模块产生用于调制的高频正弦信号、用于扫频的三角波信号，并通过移相电路得到两个相位相差90゜的正弦信号和余弦信号，这两个信号分别输入到相位检测模块，同时扫频信号和正弦信号输入至电流控制子系统进行扫频和调制得到光谱；相位检测模块包括两个乘法器和低通滤波器，两个相位相差90゜的正弦信号和余弦信号分别输出到两个乘法器，分别和调制后的信号作用，经过低通滤波后的两路信号经过平方运算电路、加法器和开方运算电路得到和调制幅值、光谱信号的一次微分信号成正比的误差信号；最后误差信号通过比例积分控制输入至电流控制子系统，稳定激光器频率。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过在系统中集成了超稳定F-P腔，将激光线宽压窄。同时，F-P腔提供稳频所需的参考频率，通过光电探测子系统对激光强度的探测和微分稳频子系统对信号的处理，可以提高激光频率的稳定性。

(2)本发明通过温度控制模块对超稳定F-P腔精密控制F-P腔的温度恒定，保证腔长恒定，从而提高激光稳频参考频率的稳定度，提高激光稳频的精度。

(3)本发明的微分稳频子系统使用了两个乘法器的结构设计，避免了通过肉眼观察、手动调节带来的误差，提高了误差信号的精度，使得稳频过程更加简单、易操作，也提高了稳频的速度。

(4)本发明集成了激光器电流驱动和稳频模块，同时还包括了超稳定F-P腔，提高了系统的集成度，减小了系统体积，结构简单易维护。

总之，本发明的这种控制系统利用集成的超稳定F-P腔提供参考频率的高精度激光器稳频电源，可提高电流控制精度和激光频率稳定度，且稳定可靠。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的超稳定F-P腔及其温度控制子系统组成原理图；

图3为本发明的微分稳频子系统组成原理图；

图4为本发明的电流控制子系统组成原理图。

图中附图标记含义为：1为电流控制子系统，2为超稳定F-P腔及其温度控制子系统，3为激光强度测量子系统，4为微分稳频子系统，5为电流显示子系统，6为超稳定F-P腔，7为温度测量模块，8为温度控制模块，9为信号发生模块，10为鉴相模块，11为比例积分控制模块，12为基准电压发生电路，13为慢启动电路，14为调节输入误差放大电路，15为电流调整电路，16为保护电路。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明包括电流控制子系统1、超稳定F-P腔及其温度控制子系统2、激光强度测量子系统3、微分稳频子系统4、电流显示子系统5，其中，电流控制子系统1利用模拟电路产生0-250mA的稳定电流，作为激光器的驱动，使激光器发光；超稳定F-P腔及其温控子系统2以F-P腔为核心，把激光将激光的线宽压窄，提供稳定的参考频率，可以把激光器的频率稳定于该频率，同时温控模块可以控制F-P腔的温度恒定，从而避免参考频率漂移，通过F-P腔的激光输入至激光强度测量子系统3；激光强度测量子系统3利用光电探测模块测量激光的强度，将光信号转化成电信号，而后把信号输入至微分稳频子系统4；微分稳频子系统4首先对激光强度测量模块所得的电压信号进行调制和鉴相，通过低通滤波器滤出直流分量，经过比例积分运算得到误差信号，将误差信号反馈给电流控制子系统1；电流显示子系统5对激光器的电流进行显示。

如图2所示，本发明的超稳定F-P腔及其温度控制子系统包括超稳定F-P腔6、温度测量模块7和温度控制模块8。其中F-P腔集于系统之中，可以压窄激光器的线宽，为稳频提供参考频率，激光器输出的光通过分束，一部分被耦合进光纤，进入超稳定F-P腔6，而F-P腔输出的光线进入激光强度测量子系统3；温度测量模块7NTC测量的F-P腔底座温度，并将温度变化转化为电压信号。其中，由于NTC随温度的升高阻值减小，应将NTC阻值的变化通过恒流源电路转换为电压信号输入至温度控制模块8；温度控制模块8将电压信号进行处理，通过模拟电路进行比例积分微分控制，保证超稳定F-P腔6工作的稳定性，提高激光稳频精度。

如图3所示，本发明的微分稳频子系统包括信号发生模块9、鉴相模块10和比例积分控制模块11。其中信号发生模块9产生扫频所用的三角波，鉴相所用相位相差90度的正弦信号和余弦信号。其中的扫频信号和正弦信号输入给电流控制子系统进行扫频和调制，经过扫频、调制之光电探测模块输出的光电信号可以在示波器上观察波形；正弦信号和微分信号分别输入给鉴相模块10。鉴相模块10包括两乘法器和相应的低通滤波器，正弦信号和经过调制的光电信号输入至一个乘法器，余弦信号和经过调制的光电信号输入至另一个乘法器，分别经过低通滤波器，得到的信号分别经过平方相加和开方运算电路得到误差信号，误差信号直接被输入至比例微分控制模块11。比例微分模块11对误差信号进行处理，并且可以通过滑动变阻器进行手动调节至频率稳定，关掉扫频信号即可实现稳频。

如图4所示，本发明的电流控制子系统包括基准电压发生电路12、慢启动电路13、误差信号放大电路14、电流调整电路15和保护电路16。其中基准电压发生电路12选用低温漂基准电压产生芯片LM399产生6.95V的电压，通过变阻器的调节输入误差放大电路14；慢启动电路13采用基本的电容充放电原理和三极管的输出特性保证电路开启瞬间输入给误差放大电路的基准电压是缓慢增大到设定值的，从而使得驱动电流缓慢增加，保护激光二极管；误差放大电路14将电流经采样电阻采样之后的信号和基准电压信号相比较放大之后的误差信号输入给电流调整电路15，选用低噪声放大器AD8671作为误差放大器；电流调整电路15采用场效应管作为调整管，将误差放大信号输入至场效应管的栅极，场效应管电压控制电流的特点，调节电流至误差放大器正相、反相输入端电压相等，从而电流达到预设值；保护电路16的功能，经过保护电路的电流输入至激光器和电流显示子系统。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种基于超稳定F-P腔的精密激光器稳频电源，其特征在于：包括电流控制子系统(1)、超稳定F-P腔及其温度控制子系统(2)、激光强度测量子系统(3)、微分稳频子系统(4)和电流显示子系统(5)，其中，

电流控制子系统(1)利用模拟电路产生稳定的电流，作为激光器的驱动源，使激光器发光；

超稳定F-P腔及其温控子系统(2)以F-P腔为核心，把激光将激光的线宽压窄，F-P腔提供稳定的稳频参考频率，同时减少温度变化对F-P腔腔长的影响，从而使得参考频率稳定；

激光强度测量子系统(3)利用光电探测模块测量激光的强度，将光信号转化成电信号；

微分稳频子系统(4)首先将激光强度测量模块所得的电压信号调制、鉴相、滤波等处理，产生纠偏信号；

电流显示子系统(5)对激光器的电流进行显示；

所述的微分稳频子系统(4)产生三角波扫频信号、正弦波调制信号AsinΩt，并且通过移相电路得到一个与该正弦波相位相差90度的余弦信号AcosΩt；三角波信号输入至电流控制子系统进行扫频，光电探测子系统得到的光谱信号为G(ω)，加入正弦波信号调制后的光谱信号改变为G(ω′)，其中ω′＝ω+AsinΩt+θ，θ为由于电路结构导致的相位误差；正弦信号AsinΩt、余弦信号AcosΩt和光谱信号G(ω)分别输入至两个乘法器，根据傅里叶变换原理，经过低通滤波器滤除高频信号后分别得到：

其中，ω₀取为光谱信号的任意频率位置，两个结果平方相加，再经过开方运算电路之后可以得到误差信号该误差信号与调制信号幅度和光谱信号的一次谐波成正比；通过比例积分运算得到误差信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于超稳定F-P腔的精密激光器稳频电源，其特征在于：微分稳频子系统(5)得到稳频所需误差信号，根据激光器控制电流与光频率的关系对激光器电流进行反馈至电流控制子系统(1)，通过调整电流大小，稳定激光器频率；激光器输出光功率P与外微分量子效率η_d、阈值电流I_th存在以下函数关系：

其中，h为普朗克常数，v为频率，e为单位电荷量，I为注入电流；而激光器工作温度影响阈值电流，存在如下关系：

其中，T₀可以取任意温度值，I₀为T₀温度下的阈值电流；和将上述公式代入得：

其中，因此激光器频率随电流升高而下降，即频率与电流I存在以下关系：

所述的微分稳频控制子系统(5)得到误差信号，引入负反馈至电流控制子系统(1)调整电流，稳定激光频率。