CN111129947B - 激光稳频装置及方法、采用其的半导体激光器组件 - Google Patents

Abstract

一种激光稳频装置，包括半导体激光器、声光调制器、设置在真空装置中的法布里珀罗腔、多通道射频信号源、合路器、射频放大器、光电探测器和混频器；其中待稳频的半导体激光器发射出的激光，第一次经过声光调制器后产生+1级或‑1衍射光，反射回声光调制器中，并经过第二次衍射产生+1+1级或‑1‑1级衍射光；所述+1+1级或‑1‑1级衍射光进入法布里珀罗腔，其信号反射到光电探测器上，探测电信号与多通道射频信号源的解调信号经过混频器混频并处理后得到误差信号，所述误差信号反馈给所述半导体激光器以实现频率稳定。本发明中的激光双次通过声光调制器扩展了频率调节范围，还增强了激光功率在频率扫描过程中的稳定性。

Description

激光稳频装置及方法、采用其的半导体激光器组件

技术领域

本发明涉及激光稳频领域，具体涉及一种激光稳频装置及方法。

背景技术

半导体激光器是一种窄线宽、易调谐、体积小、功耗低、寿命长的激光器，被广泛应用于激光通信、原子频率标准、量子信息、激光打印各个领域。由于激光频率容易受到温度，电流，振动的影响，半导体激光器的频率稳定至关重要。

常见的半导体激光器频率稳定方法有使用超稳法布里玻罗腔的PDH技术和饱和吸收谱技术。其中饱和吸收谱技术的优点是方便简单，成本低廉，但是对激光波长有着严格的限制。PDH技术以R.V.Pound，Ronald Drever和John L.Hall命名，使用一个极其稳定的超稳腔的纵模作为参考，当激光频率与腔模共振时，激光将全部透过，否则将全部反射，反射光经过解调后则得到误差信号，通过PID伺服系统反馈控制激光频率。由于其可以满足不同波长的激光器的稳频需求且能力强大而受到广泛应用。电光调制器EOM作为传统PDH技术的核心部件之一，能够对激光产生相位调制，同时产生载波、与载波同相和反相的两个边带，这三个频率不同且具有固定相位关系的分量经超稳腔反射，并在探测和解调后可生成所需误差信号。

对于红外波段而言，现有的EOM能够满足大部分的稳频应用，尤其是红外波段的宽带波导型EOM，可以实现比较宽频率的调制，增大了PDH技术的灵活性。但是，对于紫外光波段而言，当前的共振式EOM往往不能满足所需激光频率与超稳腔共振频率匹配的要求，往往需要使用声光调制器AOM来改变中心频率，获得共振，这增加了实验难度和成本。此外，使用EOM来调制激光会具有稳定性问题。EOM为偏振敏感型和温度敏感型的非线性晶体，使用相位调制时要求激光偏振以一定角度入射，否则将会产生不完全的相位调制，产生剩余幅度调制RAM噪声。这将导致EOM所调制出的边带不等幅度或者相位关系不固定，导致最终的误差信号出现漂移和形变。EOM对温度的要求也很严格，温度的抖动也会导致调制的噪声，影响性能，因此需要额外的温控，这都将增加系统复杂度和不稳定性。此外，EOM的价格很高，增加了实验成本。因此，设计一种能够解决上述问题的半导体激光器稳频方法和装置尤为重要。一种有效的方案是使用声光调制器AOM替换EOM的激光稳频技术。尤其在紫外波段，AOM的价格通常只有EOM的十分之一。现有的几种使用声光调制器AOM的方案，包括使用电压控制振荡器驱动AOM，调制光经过原子蒸气腔室，获得吸收谱信号，缺点是原子吸收谱方法只能用于特定波长，不具有普适性；使用特殊设计的工作在Raman-Nath衍射区域的AOM，结合共焦腔获得PDH误差信号，缺点是这种AOM的工作频率很低，只有几十MHz，中心频率调节范围小，而且该产品只适用于特定波段，不具有普适性。因此，急需一种具有普适性的低成本声光调制PDH稳频方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种激光稳频方法及装置，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种激光稳频装置，包括半导体激光器、声光调制器、设置在真空装置中的法布里珀罗腔、多通道射频信号源、合路器、射频放大器、光电探测器和混频器；

所述多通道射频信号源包括四个锁相的射频信号，其中中心调制信号频率为w₀，第一边带调制信号频率为w₀-w，相位与中心调制信号频率相同，第二边带调制信号频率为w₀+w，相位与中心调制信号频率相反，解调信号的频率为w，相位可调；

所述中心调制信号、第一边带调制信号和第二边带调制信号经过合路器后合为一路信号，并经过射频放大器放大后施加在所述声光调制器上；

待稳频的半导体激光器发射出的激光，第一次经过声光调制器后产生+1级或-1衍射光，以一定的竖直角度反射回声光调制器中，并经过第二次衍射产生+1+1级或-1-1级衍射光；

所述+1+1级或-1-1级衍射光进入设置在真空装置中的法布里珀罗腔，其反射信号反射到光电探测器上，光电探测器的探测电信号正比于反射光强，所述探测电信号与多通道射频信号源的解调信号经过混频器混频并处理后得到误差信号，所述误差信号反馈给所述半导体激光器以实现频率稳定。

所述声光调制器的1倍布拉格衍射角大于从所述声光调制器中出射的激光光束的发散角，因此保证各级衍射光能够有效分开。

所述第一次经过声光调制器后产生+1级或-1级衍射激光也具有三个频率分量，包括中心波长光、第一边带光和第二边带光，其中第一边带光与中心波长光的相位相同，第二边带光与中心波长光的相位相反，第一边带光与第二边带光幅度相同；

所述+1级或-1级衍射激光中包含的中心波长光、第一边带光和第二边带光的衍射角相近，因此在空间上无法区分；

所述+1级或-1级衍射激光已经包含用于PDH锁频的所有要素，因此可以直接用于产生所需误差信号，但是不能保证在改变所述中心调制频率时后续光路和光纤收集效率的稳定性。

所述激光稳频装置还包括直角棱镜和透镜，所述声光调制器位于所述透镜的一侧焦距上，所述直角棱镜位于所述透镜的另一侧焦距处。

在改变声光调制器中心调制频率时，所述+1+1级或-1-1级衍射光比所述+1级或-1级衍射光的衍射角度变化更小，因此能够有利于后方光路的稳定或者光纤耦合效率的稳定。

所述真空装置为密封的真空腔体，两侧设置有通光窗口，并使用真空泵维持真空，真空气压低于10^-4torr，以减小空气扰动对腔长的影响；所述真空装置具有温度控制和隔振装置，减小真空腔体的不稳定性。

所述法布里珀罗腔包括第一反射镜、第二反射镜和设置有通光孔的固定柱，所述第一反射镜和第二反射镜为对至少一个激光波长具有高反射率的镜片，所述固定柱上的通光孔直径应大于腔模场直径，所述固定柱上设置有通气孔，用于气体导通，所述第一反射镜和第二反射镜分别固定在所述固定柱的两侧，镀膜表面相对并朝向固定柱放置；所述法布里珀罗腔为稳定腔。

所述光电探测器得到的探测电信号与解调信号混频后的处理步骤包括通过低通滤波器滤波，保留直流信号分量，从而得到所述误差信号；

所述误差信号是输入到伺服系统后经过PID控制再转变为电压控制信号，其中所述伺服系统包括PID模块，用于将误差信号转变为控制所述半导体激光器内部激光谐振腔上压电控制的电压控制信号。

作为本发明的另一方面，提供了一种激光稳频方法，包括以下步骤：

所述中心调制信号、第一边带调制信号和第二边带调制信号经过合路器后合为一路信号，并经过射频放大器放大后施加在所述声光调制器上；

待稳频的半导体激光器发射出激光，所述激光第一次经过声光调制器后产生+1级或-1衍射光，再以一定的竖直角度反射回声光调制器中，并经过第二次衍射产生+1+1级或-1-1级衍射光；

所述+1+1级或-1-1级衍射光进入设置在真空装置中的法布里珀罗腔，其反射信号反射到光电探测器上，光电探测器的探测电信号正比于反射光强，所述探测电信号与多通道射频信号源的第四路解调信号经过混频器混频后通过处理得到误差信号，所述误差信号转变为电压控制信号，反馈给所述半导体激光器实现频率稳定；

其中，单次通过所述声光调制器产生的+1级或-1级衍射光包含了产生所需误差信号的所有频率和相位激光分量，已经能够直接用于PDH稳频；相对于两次通过所述声光调制器，在改变中心频率w₀时，单次通过所述声光调制器时，其光纤耦合效率对频率更敏感。

作为本发明的第三方面，还提供了一种采用如上所述的激光稳频装置的半导体激光器组件。

基于上述技术方案可知，本发明的激光稳频方法及装置相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：

1、本发明提供的激光稳频方法及装置使用声光调制器代替电光调制器，成本低廉，且操作简单，易于调节，避免了EOM的温度漂移和剩余幅度调制噪声；

2、本发明中的激光双次通过声光调制器扩展了频率调节范围，还增强了激光功率在频率扫描过程中的稳定性；

3、本发明使用超稳腔PDH技术实现宽波长的稳频，适用紫外光到远红外光的半导体激光器，可广泛应用于离子阱系统、超冷原子系统、量子光学、精密测量等诸多领域。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种激光稳频方法及装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中+1级和-1级衍射光中包含的频率分量示意图；

图3是本发明实施例中+1+1级和-1-1级衍射光中包含的频率分量示意图。

上述附图中，附图标记含义如下：

1-半导体激光器，2-聚焦透镜，3-第一反射镜，4-第二反射镜，

5-声光调制器，6-透镜，7-直角棱镜，8-第三反射镜，

9-零级光耦合镜架，10-光垃圾桶，11-二次衍射光耦合端，

12-光纤，13-衍射光出射端，14-第四反射镜，15-二分之一玻片，

16-偏振分光棱镜，17-四分之一玻片，18-真空装置，

19-法布里珀罗腔，20-光电探测器，21-混频器，22-低通滤波器，

23-伺服系统，24-离子泵，25-多通道射频信号源，

251-第一边带调制信号，252-中心频率信号，253-第二边带调制信号，254-解调信号，26-合路器，27-射频放大器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种激光稳频方法及装置，包含半导体激光器、声光调制器、透镜、直角棱镜、二分之一玻片、偏振分光棱镜、四分之一玻片、设置在真空装置中的法布里珀罗腔、多通道射频信号源、合路器、射频放大器、光电探测器、混频器、低通滤波器和伺服系统。使用多通道射频信号源25产生频率分别为w₀、w₀-w、w₀+w，相位分别为0度、0度、180度的射频信号，经射频放大器27放大后驱动声光调制器5，半导体激光器发出的激光经过声光调制器的第一次衍射，其+1级或-1级衍射光经过直角棱镜7错位折返后再次衍射，获得+1+1阶或者-1-1阶衍射光，该衍射光经过法布里珀罗腔19的反射信号被光电探测器20探测后转换为电信号，该电信号与多通道射频信号源产生的解调信号经混频和低通滤波后产生误差信号，经伺服系统23反馈控制半导体激光器，实现稳频。本发明提供的激光稳频方法及装置使用声光调制器代替电光调制器，成本低廉，且操作简单，易于调节，避免了EOM的温度漂移和剩余幅度调制噪声，双次通过声光调制器扩展了频率调节范围，还增强了激光功率在频率扫描过程中的稳定性，使用超稳腔PDH技术实现宽波长的稳频，适用紫外光到远红外光的半导体激光器，可广泛应用于离子阱系统、超冷原子系统、量子光学、精密测量等诸多领域。

具体的，本发明公开了一种激光稳频装置，如图1所示，包含半导体激光器1、声光调制器5、透镜6、直角棱镜7、二分之一玻片15、偏振分光棱镜16、四分之一玻片17、设置在真空装置18中的法布里珀罗腔19、多通道射频信号源25、合路器26、射频放大器27、光电探测器20、混频器21、低通滤波器22和伺服系统23；其连接关系是，待稳频的半导体激光器1发射出激光，经过聚焦透镜2汇聚后从第一反射镜3侧面经过，由第二反射镜4反射后第一次进入声光调制器5。

所述多通道射频信号源25有四路锁相的输出端，如AD9959型DDS信号源，可以使用控制器26，如电脑、上位机，独立控制四路输出端的频率、相位和幅度；解调信号相位范围覆盖0-360度；第一边带调制信号和第二边带调制信号的幅度小于中心频率信号幅度。多通道射频信号源25产生的三路独立可调的射频信号包含频率为w₀的中心频率信号252，频率为w₀+w且与中心频率同相的第一边带调制信号251，频率为w₀-w且与中心频率具有180度相位差的第二边带调制信号253，三个信号经过合路器26后合为一路信号，并经过射频放大器27放大后施加在所述声光调制器5上。参数例如，使用常见的中心频率在200MHz的AOM，其带宽为100MHz。因此信号源输出的中心频率信号可以从150MHz到250MHz，调制信号为1-50MHz。如果取中心频率190MHz，调制频率为5MHz，则第一边带调制信号为185MHz，第二边带调制信号为195MHz，且第一边带调制信号与中心频率信号同相，第二边带调制信号与中心频率信号反相。

所属激光在第一次进入声光调制器5后，产生如图2所示的+1级或-1衍射光，衍射角为1倍布拉格衍射角。其中频率为w₀+w的激光分量具有与中心频率分量相反的相位。所述透镜6与声光调制器5的距离为透镜6的焦距，因此从声光调制器出射的衍射光可由透镜6转变为平行光，不仅发散角为平行光且出射方向为水平光。所述直角棱镜7置于透镜6的另一侧焦距处，作用是将光束在竖直方向上偏移一定距离后沿原方向反射。反射光经由透镜6后汇聚到声光调制器中心，并保证光线与一级衍射光在水平方向重合，竖直方向错开。调节直角棱镜7的倾角，使得反射回去的光经过AOM第二次衍射，发生的衍射级次与第一次相同，得到+1+1次衍射，或者-1-1次衍射光。其包含的频率分量如图3所示，其中高频分量2w₀-2w和2w₀+2w的幅度远小于其他三个分量，频率为2w₀-w的分量具有与中心频率分量相反的相位，形成了类似EOM相位调制所需要的频率信号。使用这种结构的光路，保证了第二次衍射光方向与入射光在水平方向重合，竖直方向错开，且错开角度与AOM的驱动频率无关。该第二次衍射的光通过第一反射镜3反射，并与入射光分离。

所述+1+1级或-1-1级衍射光经过第四反射镜14，二分之一玻片15，偏振分光棱镜16，四分之一玻片17后进入设置在真空装置18中的法布里珀罗腔19，其反射信号经过四分之一玻片17后由偏振分光棱镜16反射到光电探测器20上，光电探测器20的探测电信号正比于反射光强。该电信号包含高频项，与多通道射频信号源25的第四路解调信号254混频后经过低通滤波器22保留直流信号分量即可得到误差信号。所述第四路解调信号频率等于所述调制信号，如5MHz，相位为使得误差信号偏置电压为零时对应的相位。该误差信号输入到伺服系统23后经过PID控制转变为电压控制信号，反馈给半导体激光器1实现频率稳定。

对于所述多通道射频信号源25不能覆盖所述声光调制器5的工作频率范围的，可使用另一路时钟同步的信号与合路后的信号混频，得到更高频率的信号，达到移频目的。

所述声光调制器5的1倍布拉格衍射角应大于从所述声光调制器5出射激光光束的衍射角，保证能够有效分开各级衍射光。

所述真空装置18为密封的真空腔体，两侧设置有通光窗口，并使用离子真空泵24维持真空，真空气压应低于10-4torr，以减小空气扰动对腔长的影响；所述真空装置应具有温度控制和隔振装置，减小腔的不稳定性。

所述法布里珀罗腔19包含第一反射镜、第二反射镜和设置有通光孔的固定柱，所述第一反射镜和第二反射镜为对至少一个激光波长的高反射率镜片，且具有不低于千分之一的透过率，所述固定柱上的通光孔直径应大于腔模场直径，所述固定柱上设置有通气孔，用于气体导通，所述第一反射镜和第二反射镜分别固定在所述固定柱的两侧，镀膜表面相对并朝向固定柱放置，所构成的法布里珀罗腔为稳定腔。

所述射频放大器27可以有单个放大器构成，也可以由多级放大器构成。

所述伺服系统23包括PID模块，能够将误差信号转变为控制所述半导体激光器1内部激光谐振腔上压电控制的电压信号。

本发明还公开了一种激光稳频方法，该方法包括以下步骤：

所述中心调制信号、第一边带调制信号和第二边带调制信号经过合路器后合为一路信号，并经过射频放大器放大后施加在所述声光调制器上；

待稳频的半导体激光器发射出激光，所述激光第一次经过声光调制器后产生+1级或-1衍射光，再以一定的竖直角度反射回声光调制器中，并经过第二次衍射产生+1+1级或-1-1级衍射光；

所述+1+1级或-1-1级衍射光进入设置在真空装置中的法布里珀罗腔，其反射信号反射到光电探测器上，光电探测器的探测电信号正比于反射光强，所述探测电信号与多通道射频信号源的第四路解调信号经过混频器混频后通过处理得到误差信号，所述误差信号转变为电压控制信号，反馈给所述半导体激光器实现频率稳定；

值得注意的是，单次通过所述声光调制器5产生的+1级或-1级衍射光包含了产生所需误差信号的所有频率和相位激光分量，已经可以直接用于PDH稳频；相对于两次通过所述声光调制器5，在改变中心频率w₀时，单次通过所述声光调制器5时，其光纤耦合效率对频率更敏感，应当包含在本发明权利要求范围内。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光稳频装置，其特征在于，包括半导体激光器、声光调制器、设置在真空装置中的法布里珀罗腔、多通道射频信号源、合路器、射频放大器、光电探测器和混频器；

所述多通道射频信号源包括四个锁相的射频信号，其中中心调制信号频率为w₀，第一边带调制信号频率为w₀-w，相位与中心调制信号频率相同，第二边带调制信号频率为w₀+w，相位与中心调制信号频率相反，解调信号的频率为w，相位可调；

所述中心调制信号、第一边带调制信号和第二边带调制信号经过合路器后合为一路信号，并经过射频放大器放大后施加在所述声光调制器上；

待稳频的半导体激光器发射出的激光，第一次经过声光调制器后产生+1级或-1衍射光，反射回声光调制器中，并经过第二次衍射产生+1+1级或-1-1级衍射光；

所述+1+1级或-1-1级衍射光进入设置在真空装置中的法布里珀罗腔，其反射信号反射到光电探测器上，光电探测器的探测电信号正比于反射光强，所述探测电信号与多通道射频信号源的解调信号经过混频器混频并处理后得到误差信号，所述误差信号反馈给所述半导体激光器以实现频率稳定；

其中，第一次经过声光调制器后产生的+1级或-1级衍射激光也具有三个频率分量，包括中心波长光、第一边带光和第二边带光，其中第一边带光与中心波长光的相位相同，第二边带光与中心波长光的相位相反，第一边带光与第二边带光幅度相同；

所述+1级或-1级衍射激光中包含的中心波长光、第一边带光和第二边带光的衍射角相近，因此在空间上无法区分。

2.如权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于，所述声光调制器的1倍布拉格衍射角大于从所述声光调制器中出射的激光光束的发散角，因此保证各级衍射光能够有效分开。

3.如权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于，所述激光稳频装置还包括直角棱镜和透镜，所述声光调制器位于所述透镜的一侧焦距上，所述直角棱镜位于所述透镜的另一侧焦距处，从声光调制器出射的+1级或-1级衍射光依次经透镜和直角棱镜后沿原方向反射回声光调制器中。

4.如权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于，在改变声光调制器中心调制频率时，所述+1+1级或-1-1级衍射光比所述+1级或-1级衍射光的衍射角度变化更小。

5.如权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于，所述真空装置为密封的真空腔体，两侧设置有通光窗口，并使用真空泵维持真空，真空气压低于10-4torr，以减小空气扰动对腔长的影响；所述真空装置具有温度控制和隔振装置，减小真空腔体的不稳定性。

6.如权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于，所述法布里珀罗腔包括第一反射镜、第二反射镜和设置有通光孔的固定柱，所述第一反射镜和第二反射镜为对至少一个激光波长具有高反射率的镜片，所述固定柱上的通光孔直径应大于腔模场直径，所述固定柱上设置有通气孔，用于气体导通，所述第一反射镜和第二反射镜分别固定在所述固定柱的两侧，镀膜表面相对并朝向固定柱放置；所述法布里珀罗腔为稳定腔。

7.如权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于，所述光电探测器得到的探测电信号与解调信号混频后的处理步骤包括通过低通滤波器滤波，保留直流信号分量，从而得到所述误差信号；

所述误差信号是输入到伺服系统后经过PID控制再转变为电压控制信号，其中所述伺服系统包括PID模块，用于将误差信号转变为控制所述半导体激光器内部激光谐振腔上压电控制的电压控制信号。

8.一种激光稳频方法，其特征在于，包括以下步骤：

中心调制信号、第一边带调制信号和第二边带调制信号经过合路器后合为一路信号，并经过射频放大器放大后施加在声光调制器上；其中，中心调制信号频率为w₀，第一边带调制信号频率为w₀-w，相位与中心调制信号频率相同，第二边带调制信号频率为w₀+w，相位与中心调制信号频率相反，解调信号的频率为w，相位可调；

待稳频的半导体激光器发射出激光，所述激光第一次经过声光调制器后产生+1级或-1衍射光，再以竖直角度反射回声光调制器中，并经过第二次衍射产生+1+1级或-1-1级衍射光；

所述+1+1级或-1-1级衍射光进入设置在真空装置中的法布里珀罗腔，其反射信号反射到光电探测器上，光电探测器的探测电信号正比于反射光强，所述探测电信号与多通道射频信号源的第四路解调信号经过混频器混频后通过处理得到误差信号，所述误差信号转变为电压控制信号，反馈给所述半导体激光器实现频率稳定；

其中，单次通过声光调制器产生的+1级或-1级衍射光包含了产生所需误差信号的所有频率和相位激光分量，已经能够直接用于PDH稳频；相对于两次通过声光调制器，在改变中心频率w₀时，单次通过声光调制器时，其光纤耦合效率对频率更敏感。

9.一种采用如权利要求1～7任一项所述的激光稳频装置的半导体激光器组件。

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