CN112179624A - 用fp腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法和系统 - Google Patents

用fp腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法和系统，能够直观得到外腔半导体激光器的本征频率以用于优化外腔半导体激光器的机械结构，有利于在超高灵敏测量中设计出有效的反馈系统以提高整体稳定性。

Description

用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法和系统
技术领域
本发明涉及激光器本征频率测量技术，特别是一种用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法和系统，所述FP腔即法布里-珀罗腔，也记为F-P腔，能够直观得到外腔半导体激光器的本征频率以用于优化外腔半导体激光器的机械结构，有利于在超高灵敏测量中设计出有效的反馈系统以提高整体稳定性。
背景技术
半导体激光器自问世以来取得了很大的发展。由于其具有高效率、小体积、结构简单、便于调谐等优点，目前已经被广泛应用于通信、医疗、工业、农业等领域。而一般的半导体激光器线宽大、相位噪声高，从而限制了其在超高灵敏测量领域的应用，例如SERF原子陀螺仪，SERF原子磁强计等。分布式布拉格反射激光器和分布式反馈激光器是实现窄线宽半导体激光器的重要手段，然而它们只能将线宽压窄到MHz量级，仍然无法满足一些超高灵敏测量实验的需要。外腔半导体激光器激光器可有效避免内腔集成光栅的光波衍射与散射损耗，更容易实现低相位噪声和高温度稳定性。并且可以将线宽进一步压窄，满足精密测量的需求。然而外腔半导体激光器易受到外界噪声扰动的影响，造成频率不稳定和跳模等现象，影响其应用。目前有很多方法被应用来测量外腔半导体激光器的本征频率，多采用加速度计采集振动信息，并进行进一步处理。然而这些方法无法直观测量出本征频率，且设备操作较为复杂。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺陷或不足，提供一种用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法和系统，能够直观得到外腔半导体激光器的本征频率以用于优化外腔半导体激光器的机械结构，有利于在超高灵敏测量中设计出有效的反馈系统以提高整体稳定性。
本发明的技术方案如下：
用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，利用FP腔稳频光路将外腔半导体激光器的频率稳定在FP腔的谐振频率上，并以所述谐振频率为参考频率；步骤2，利用可调谐射频信号激发所述外腔半导体激光器，使得所述外腔半导体激光器产生振动调制频率；步骤3，记录使得所述振动调制频率开始偏离所述参考频率至返回所述参考频率的所述可调谐射频信号的频率，得到频率-幅值曲线；步骤4，当所述频率-幅值曲线呈现峰值线型，则所述峰值线型中的峰值点频率即为所述外腔半导体激光器的本征频率。
所述步骤1中的FP腔稳频光路包括所述FP腔，所述FP腔的输出端通过光电探测器连接锁相放大器，所述锁相放大器通过PID控制器连接电控单元，所述电控单元连接所述外腔半导体激光器，所述外腔半导体激光器通过光隔离器连接半波片，所述半波片连接偏振分束器，所述偏振分束器通过反射镜连接所述FP腔的输入端。
所述光电探测器将法拉第信号馈送到所述锁相放大器，所述锁相放大器用于产生稳频所需的调制信号和用于纠偏激光的误差信号，该误差信号经所述PID控制器被加到所述电控单元上，所述电控单元通过调节压电陶瓷上的电压负载来调节所述外腔半导体激光器中的激光腔长度以实现频率稳定。
所述光电探测器连接示波器，根据从所述示波器获得的FP腔谐振频率信号的功率谱和相关光谱数据，通过拟合和归一化处理得到所述频率-幅值曲线。
所述外腔半导体激光器被施加一个来自扬声器的全频声场，所述扬声器连接信号发生器，所述信号发生器用于产生全频率的所述可调谐射频信号，所述可调谐射频信号经由所述扬声器引起所述外腔半导体激光器的机械调制。
所述信号发生器通过BNC线与所述扬声器连接，所述信号发生器先设置自动扫频模式，确认所述扬声器工作正常后再设置为手动扫频模式，扫频范围为100Hz～2KHz，以10Hz为步长进行手动扫频。
在所述示波器中选择需要存储的数据，在扫频的同时用存储器存储光谱的幅值数据，后期对数据进行处理，得到频率-归一化幅值曲线。
用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率系统，其特征在于，包括FP腔，所述FP腔的输出端通过光电探测器分别连接锁相放大器和示波器，所述锁相放大器通过PID控制器连接电控单元，所述电控单元连接外腔半导体激光器，所述外腔半导体激光器通过光隔离器连接半波片，所述半波片连接偏振分束器，所述偏振分束器通过反射镜连接所述FP腔的输入端，所述外腔半导体激光器通过扬声器连接信号发生器。
本发明的技术效果如下：本发明一种用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法和系统，首先将外腔半导体激光器的频率稳定在FP腔的谐振频率上，所述谐振频率为参考频率；接着信号发生器通过扬声器用可调谐射频信号激发外腔半导体激光器，使其产生振动调制频率；记录使得振动调制频率开始偏离参考频率至返回参考频率的可调谐射频信号的频率，发现在某些频率范围呈峰值线型，对应峰值点的频率即为外腔半导体激光器的本征频率。本发明可以直观地得到外腔半导体激光器的本征频率，可用于优化外腔半导体激光器的机械结构，在超高灵敏测量中帮助设计有效的反馈系统，提高整体稳定性。
本发明具有以下特点：(1)本发明方案采用FP腔对激光器进行稳频，FP腔基于多光束干涉原理，具有高精度的光谱分辨率，且谐振频率稳定，是一个广泛使用的参考频率源。(2)本发明方案能够直观的得到激光器的本征频率，可用于优化激光器的机械结构，在超高灵敏测量中帮助设计有效的反馈系统，提高整体稳定性。
附图说明
图1为实施本发明一种用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率系统结构示意图。
图中附图标记为：1-外腔半导体激光器；2-光隔离器(ISO)；3-半波片(λ/2)；4-偏振分束器(PBS)；5-反射镜；6-FP腔(法布里-珀罗腔，也记为F-P腔)；7-光电探测器(PD)；8-示波器；9-锁相放大器；10-PID控制器(PID：Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分控制器)；11-电控单元；12-扬声器；13-信号发生器。
具体实施方式
下面结合附图(图1)对本发明进行说明。
图1为实施本发明一种用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率系统结构示意图。参考图1，用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法，包括以下步骤：步骤1，利用FP腔稳频光路将外腔半导体激光器1的频率稳定在FP腔6的谐振频率上，并以所述谐振频率为参考频率；步骤2，利用可调谐射频信号激发所述外腔半导体激光器1，使得所述外腔半导体激光器1产生振动调制频率；步骤3，记录使得所述振动调制频率开始偏离所述参考频率至返回所述参考频率的所述可调谐射频信号的频率，得到频率-幅值曲线；步骤4，当所述频率-幅值曲线呈现峰值线型，则所述峰值线型中的峰值点频率即为所述外腔半导体激光器1的本征频率。所述步骤1中的FP腔稳频光路包括所述FP腔6，所述FP腔6的输出端通过光电探测器7连接锁相放大器9，所述锁相放大器9通过PID控制器10连接电控单元11，所述电控单元11连接所述外腔半导体激光器1，所述外腔半导体激光器1通过光隔离器2连接半波片3，所述半波片3连接偏振分束器4，所述偏振分束器4通过反射镜5连接所述FP腔6的输入端。所述光电探测器7将法拉第信号馈送到所述锁相放大器9，所述锁相放大器9用于产生稳频所需的调制信号和用于纠偏激光的误差信号，该误差信号经所述PID控制器10被加到所述电控单元11上，所述电控单元11通过调节压电陶瓷上的电压负载来调节所述外腔半导体激光器1中的激光腔长度以实现频率稳定。
所述光电探测器7连接示波器8，根据从所述示波器8获得的FP腔谐振频率信号的功率谱和相关光谱数据，通过拟合和归一化处理得到所述频率-幅值曲线。所述外腔半导体激光器1被施加一个来自扬声器12的全频声场，所述扬声器12连接信号发生器13，所述信号发生器13用于产生全频率的所述可调谐射频信号，所述可调谐射频信号经由所述扬声器12引起所述外腔半导体激光器1的机械调制。所述信号发生器13通过BNC线与所述扬声器12连接，所述信号发生器13先设置自动扫频模式，确认所述扬声器工作正常后再设置为手动扫频模式，扫频范围为100Hz～2KHz，以10Hz为步长进行手动扫频。在所述示波器8中选择需要存储的数据，在扫频的同时用存储器存储光谱的幅值数据，后期对数据进行处理，得到频率-归一化幅值曲线。
用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率系统，包括FP腔6，所述FP腔6的输出端通过光电探测器7分别连接锁相放大器9和示波器8，所述锁相放大器9通过PID控制器10连接电控单元11，所述电控单元11连接外腔半导体激光器1，所述外腔半导体激光器1通过光隔离器2连接半波片3，所述半波片3连接偏振分束器4，所述偏振分束器4通过反射镜5连接所述FP腔6的输入端，所述外腔半导体激光器1通过扬声器12连接信号发生器13。
一种用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法和系统，包括外腔半导体激光器1、光隔离器(ISO)2、半波片(λ/2)3、偏振分束器(PBS)4、反射镜5、FP腔6、光电探测器(PD)7、示波器8、锁相放大器9、PID控制器10、电控单元11、扬声器12和信号发生器13。所述方法对外腔半导体激光器施加一个全频声场，通过观察F-P腔功率谱的幅值变化，获得激光器的本征频率。FP腔稳频光路包括外腔半导体激光器1、光隔离器(ISO)2、半波片(λ/2)3、偏振分束器(PBS)4、反射镜5、FP腔6、光电探测器(PD)7，其中光隔离器(ISO)2用于防止后向反射光进入激光器，从而影响激光的输出稳定。半波片(λ/2)3和偏振分束器(PBS)4一起工作，确保了激光的偏振态并使光强可调。FP腔6为激光器提供了一个较为稳定的参考频率，并将激光器锁定在此频率上实现稳频。
所述光电探测器(PD)7用于将法拉第信号馈送到锁相放大器9；锁相放大器9用于产生稳频所需的调制信号和用于纠偏激光的误差信号，该误差信号经PID控制器10被加到激光器的电控单元11上，通过调节压电陶瓷(PZT)上的电压负载来调节激光腔的长度，实现频率的稳定。所述信号发生器13用于产生全频率的可调谐信号，该信号经由扬声器12引起外腔半导体激光器1机械调制。所述示波器8用于观察FP腔6谐振信号的功率谱并采集光谱数据，对数据进行拟合和归一化处理，得到频率-幅值曲线，发现在某些频率范围呈峰值线型，对应峰值点的频率即为激光器的本征频率。具体操作步骤为：一、搭建FP腔稳频光路并调试，利用电控单元11、锁相放大器9和PID控制器10，将外腔半导体激光器1的频率稳定在F-P腔6的谐振频率上。二、打开信号发生器13，使用BNC线与扬声器12进行连接，先设置自动扫频，确认扬声器12工作正常，再设置为手动扫频模式，扫频范围为100Hz～2KHz，以10Hz为步长进行手动扫频。三、在示波器8中选择需要存储的数据，在扫频的同时用存储器存储光谱的幅值数据，后期对数据进行处理，得到频率-归一化幅值曲线，发现在某些频率范围呈峰值线型，对应峰值点的频率即为激光器的本征频率。
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。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，利用FP腔稳频光路将外腔半导体激光器的频率稳定在FP腔的谐振频率上，并以所述谐振频率为参考频率；步骤2，利用可调谐射频信号激发所述外腔半导体激光器，使得所述外腔半导体激光器产生振动调制频率；步骤3，记录使得所述振动调制频率开始偏离所述参考频率至返回所述参考频率的所述可调谐射频信号的频率，得到频率-幅值曲线；步骤4，当所述频率-幅值曲线呈现峰值线型，则所述峰值线型中的峰值点频率即为所述外腔半导体激光器的本征频率。
2.根据权利要求1所述的用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法，其特征在于，所述步骤1中的FP腔稳频光路包括所述FP腔，所述FP腔的输出端通过光电探测器连接锁相放大器，所述锁相放大器通过PID控制器连接电控单元，所述电控单元连接所述外腔半导体激光器，所述外腔半导体激光器通过光隔离器连接半波片，所述半波片连接偏振分束器，所述偏振分束器通过反射镜连接所述FP腔的输入端。
3.根据权利要求2所述的用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法，其特征在于，所述光电探测器将法拉第信号馈送到所述锁相放大器，所述锁相放大器用于产生稳频所需的调制信号和用于纠偏激光的误差信号，该误差信号经所述PID控制器被加到所述电控单元上，所述电控单元通过调节压电陶瓷上的电压负载来调节所述外腔半导体激光器中的激光腔长度以实现频率稳定。
4.根据权利要求3所述的用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法，其特征在于，所述光电探测器连接示波器，根据从所述示波器获得的FP腔谐振频率信号的功率谱和相关光谱数据，通过拟合和归一化处理得到所述频率-幅值曲线。
5.根据权利要求4所述的用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法，其特征在于，所述外腔半导体激光器被施加一个来自扬声器的全频声场，所述扬声器连接信号发生器，所述信号发生器用于产生全频率的所述可调谐射频信号，所述可调谐射频信号经由所述扬声器引起所述外腔半导体激光器的机械调制。
6.根据权利要求5所述的用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法，其特征在于，所述信号发生器通过BNC线与所述扬声器连接，所述信号发生器先设置自动扫频模式，确认所述扬声器工作正常后再设置为手动扫频模式，扫频范围为100Hz～2KHz，以10Hz为步长进行手动扫频。
7.根据权利要求4所述的用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率方法，其特征在于，在所述示波器中选择需要存储的数据，在扫频的同时用存储器存储光谱的幅值数据，后期对数据进行处理，得到频率-归一化幅值曲线。
8.用FP腔功率谱测量外腔半导体激光器本征频率系统，其特征在于，包括FP腔，所述FP腔的输出端通过光电探测器分别连接锁相放大器和示波器，所述锁相放大器通过PID控制器连接电控单元，所述电控单元连接外腔半导体激光器，所述外腔半导体激光器通过光隔离器连接半波片，所述半波片连接偏振分束器，所述偏振分束器通过反射镜连接所述FP腔的输入端，所述外腔半导体激光器通过扬声器连接信号发生器。
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