CN113410754A - 一种用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置，包括金属罩、金属基底、光路系统和电路系统；光路系统和电路系统集成于金属基底上并被金属罩包裹覆盖，光路系统用于使光与原子在光路系统中相互作用以产生饱和吸收现象以及用于向电路系统输出光信号，电路系统用于探测并处理所述光路系统输出的光信号。本申请的饱和吸收光谱装置，作为一种饱和吸收鉴频装置，结构紧凑，体积小，可用电池驱动，无需电源线，在实际的光路搭建中可以方便地加入或者撤离，使用光学元件少，成本低，功耗低。

Description

一种用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置

技术领域

本发明涉及激光鉴频装置，属于非线性光谱技术领域，特别涉及一种用于半导体激光器的饱和吸收光谱的装置。

背景技术

半导体激光器在激光光谱、量子频标、原子传感等基础研究领域越来越发挥重要作用。半导体激光器自由运转时，环境温度、振动、温控仪温度起伏、注入电流的波动以及其他干扰，均会导致半导体激光器的频率发生漂移和跳动，激光频率的长期稳定性较差。为解决激光频率长期漂移的问题，可以利用腔的共振透射峰或者原子、分子的跃迁线作为参考频率对激光器进行稳频。饱和吸收光谱稳频是利用原子跃迁线作为参考频率实现半导体激光频率稳定的方法之一。

原子吸收光谱是一种基于原子或分子的外层电子对紫外光和可见光的共振吸收现象。由于原子在室温下剧烈的热运动，产生多普勒效应，其原子吸收线会产生多普勒展宽，从而使普通的原子吸收光谱无法体现出原子精细分裂的特征，大大限制了该技术的应用。饱和吸收光谱作为一种测量原子吸收光谱的新技术，通过设计原子与多个光场之间的相互作用，使得到的吸收光谱信号没有多普勒展宽，可以方便地观察原子在精细分裂能级间的跃迁，在为超精细光谱学等领域的广泛应用奠定了基础。

饱和吸收光谱技术能有效地消除多普勒增宽对谱线的影响,实现了对原子、分子气体样品的超精细能级吸收谱线的探测。比如通过对铷D2线饱和吸收光谱的测量和分析，并使用锁频装置，可以准确方便地将泵浦激光频率锁在铷D2线的超精细跃迁线上，通过对反馈回路中的电信号进行优化处理，并将反馈信号同时加载到激光电流和反馈光栅的压电陶瓷上，使半导体激光器的频率锁定灵敏度及长期稳定性都得到很大的提高。

图1是传统饱和吸收光路系统示意图，由图1可知，传统饱和吸收光路是由一束强入射光在厚玻璃板产生两束弱反射光，再用两面反射镜将强光与其中一束弱光在碱金属气室中尽量重合，产生饱和吸收效应，另一束弱光则作为参考光。。图2是传统饱和吸收电路系统示意图，由图2可知，传统饱和吸收电路将两个光电二极管首尾相接，将所探测的两束光信号直接转换为光电流差型号，然后通过运算放大器进行发大后将电流差信号转化放大为电压差信号输出，该电路无法从电路原理上平衡两束光的光电信号大小，若两束光强有细微的差别，由于放大倍数很大，输出电压将会很大，并且容易饱和，需要转动光电二极管方向，从物理上控制接收到的光强来平衡光电信号，稍微的转动就会导致平衡被打破。

综上，传统饱和吸收光谱装置大部分都是利用分立元器件搭建而成，光路占用面积大，探测器与光路之间容易受到干扰导致锁频失败，探测器电源噪声大，电路调节能力差且功耗高。

发明内容

为了克服传统饱和吸收光谱装置大部分都是利用分立元器件搭建而成，光路占用面积大，探测器与光路之间容易受到干扰导致锁频失败，探测器电源噪声大，电路调节能力差且功耗高的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置，包括金属罩、金属基底、光路系统和电路系统；光路系统和电路系统集成于金属基底上并被金属罩包裹覆盖，光路系统用于使光与原子在光路系统中相互作用以产生饱和吸收现象以及用于向电路系统输出光信号，电路系统用于探测并处理所述光路系统输出的光信号。

本申请中的“半导体激光器”是指本领域常用的所有类型的半导体激光器，并不限定为某些特定类型。

进一步地，所述光路系统包括第一光电二极管、第二光电二极管、光束分束器、碱金属气室、楔形玻璃，第一光电二极管、光束分束器、碱金属气室和楔形玻璃沿同一主轴线并依次向远离电路系统的方向排列，入射光沿着垂直于主轴线的方向射向光束分束器并经过光束分束器后被分为第一光束和第二光束，第一光束按照入射光的原入射方向射出所述微功耗小型化饱和吸收光谱装置，第二光束沿着所述主轴线先通过碱金属气室以作为饱和吸收的泵浦光，之后所述第二光束继续入射至楔形玻璃并分别在楔形玻璃的前表面反射为第三光束和在楔形玻璃的后表面反射为第四光束，其中第三光束则以一定角度偏离第二光束的原光路返回碱金属气室作为吸收参考光，然后由第二光电二极管接收，第四光束按第二光束的原光路返回碱金属气室以作为饱和吸收的探测光，经过光束分束器后由第一光电二极管接收，所述电路系统对探测到的第一光电二极管和第二光电二极管的光信号进行处理得到无本底的饱和吸收信号。

本申请中的楔形玻璃的前后表面都无涂层，这是为了使两束反射光都在同一量级，以便于后续信号处理，并且饱和吸收效应需要反射光是弱光，所以正常玻璃就能满足要求。本申请巧妙地利用一块楔形玻璃产生上述效果，极简化了所用元件，并且在设计好角度的情况下，无需调节，占用体积小。

进一步地，碱金属气室的中心轴相对于主轴线倾斜5-10度。

进一步地，楔形玻璃的顶角为3-5度。

进一步地，电路系统通过电池驱动，电路系统的功耗为3-5微瓦。

进一步地，金属基底包括本体、电池仓、若干螺孔、M6螺纹孔和若干卡槽，M6螺纹孔和电池仓设于本体的底部，金属基底上的在与第一光电二极管、第二光电二极管、光束分束器、碱金属气室、楔形玻璃的对应位置分别设有固定卡槽，本体上与电路系统中的电路板相对应的位置设有螺孔。

进一步地，所述电路系统用于将第一光电二极管和第二光电二极管所采集的信号增益大小调节以弥补光路系统中两束光强不平衡，以及用于施加偏置电压来平衡光电二极管和第二光电二极管之间的暗电流差，以及用于对处理好的信号进行差分放大输出。

本申请电路系统先将两个光电二极管的光电流转化为各自的电压信号，加入电位器，通过电位器来平衡光电压信号，将平衡后的光电压差信号通过运算放大器进行放大，该电路系统可以从电路原理上平衡两个光电信号，无需调整光电二极管角度，并且使用了驱动电流较小的芯片，可用电池驱动。

进一步地，所述用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置的长宽高为54:40:49.50毫米。微功耗小型化饱和吸收光谱装置的具体大小主要由碱金属气室大小和电池大小决定。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明公开了一种微功耗小型化饱和吸收装置，作为一种饱和吸收鉴频装置，该装置由光路系统和电路系统两部分构成，该装置一体化集成在长宽高分别为54:40:49.50毫米的金属罩中，光路系统中的所有光学器件无需调试，光路和电路稳定，结构紧凑，体积小，可用电池驱动，驱动噪声小，无需电源线，在实际的光路搭建中可以方便地加入或者撤离光路，易于装配和工程化，整个装置功耗在3微瓦左右，功耗低，极简化饱和吸收光路，使用光学元件少，成本低，同时能够调节偏置电压与增益大小，使用方便。

附图说明

图1是传统饱和吸收光路系统示意图；

图2是传统饱和吸收电路系统示意图；

图3是本发明的微功耗小型化饱和吸收光谱装置的结构爆炸示意图；

图4是本发明组装完成后的三视图；

图5是本发明的微功耗小型化饱和吸收光谱装置的光路系统示意图；

图6是本发明的微功耗小型化饱和吸收光谱装置的电路系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明的微功耗小型化饱和吸收光谱装置如图3-4所示，饱和吸收光谱装置包括金属罩10、金属基底20、光路系统30和电路系统40。光路系统30用于使光与原子在光路系统30中相互作用以产生饱和吸收现象以及用于向电路系统40输出光信号。电路系统40用于探测并处理所述光路系统30输出的光信号。金属底板和金属罩10能够固定光路系统30中的各个器件的位置，金属底板上与电路系统40中的电路板41相对应的位置也留有螺孔23，以便对电路板41进行固定。除了固定整个系统位置之外，金属罩10还可以起到磁屏蔽的作用，保护光路系统30和电路系统40不受外界磁场干扰。金属罩10的一侧面具有一通孔11，相对的另一侧面具有另一通孔(图中未示出)，两个通孔11与光束分束器33同轴，SMA接口位于芯片上，与卡槽25相匹配，可将SMA接口与示波器相连，以输出饱和吸收鉴频信号，也可将SMA接口与电脑相连，利用饱和吸收信号和激光器锁频软件进行锁频。金属基底20包括本体21、电池仓22、若干螺孔23、M6螺纹孔和若干卡槽24。本体21的底部有一个M6螺纹孔，M6螺纹孔与实验室光学元件支柱匹配，实际使用时整个装置和实验室光学元件一样可以方便地加入或者撤离。电池仓22设于本体21的底部，电池仓22内设有电池，电池仓22的具体大小需根据所用电池更改。电路系统40由电池驱动，电路系统40的功耗为3微瓦。

光路系统30和电路系统40一体化地集成于金属底板上并被金属罩10包裹覆盖。金属罩10能够进行磁屏蔽。优选地，如图4所示，饱和吸收光谱装置的长宽高比为54:40:49.50毫米。金属底板在第一光电二极管31、第二光电二极管32、光束分束器33、碱金属气室34、楔形玻璃35的对应位置分别设有对应的固定卡槽24，组装时只需用胶水将上述器件分别固定在对应的卡槽24位置即可，光路系统30的所有器件无需再进行调整，因此稳定性高。

如图3和5所示，所述光路系统30包括第一光电二极管31、第二光电二极管32、光束分束器33、碱金属气室34、楔形玻璃35，第一光电二极管31、光束分束器33和楔形玻璃35依次向远离电路系统40的方向沿同一主轴线60排列，碱金属气室34设于光束分束器33和楔形玻璃35之间，入射光50沿着垂直于主轴线60的方向射向光束分束器33并经过光束分束器33后被分为第一光束51和第二光束52，第一光束51按照入射光50的原入射方向射出所述微功耗小型化饱和吸收光谱装置，第二光束52沿着所述主轴线60先通过碱金属气室34以作为饱和吸收的泵浦光，之后所述第二光束52继续入射至楔形玻璃35并分别在楔形玻璃35的前表面351反射为第三光束53和在楔形玻璃35的后表面352反射为第四光束54，其中第四光束54按第二光束52的原光路返回碱金属气室34以作为饱和吸收的探测光，经过光束分束器33后由第一光电二极管31接收，第三光束53则以5度偏离第二光束52的原光路返回碱金属气室34作为吸收参考光，然后由第二光电二极管32接收，所述电路系统40对探测到的第一光电二极管31和第二光电二极管32的光信号进行处理得到无本底的饱和吸收信号。探测光与泵浦光相互重合，产生饱和吸收现象，在探测光强度和频率曲线上，共振频率出现尖峰，即饱和吸收峰。优选地，碱金属气室34的中心轴相对于第一光轴倾斜10度，以防止碱金属气室34前后表面352玻璃反射光与探测光泵或浦光进行干涉。优选地，楔形玻璃35的顶角353为5度，以保证第三光束53和第四光束54都能完整通过碱金属气室34并且第一光电二极管31和第二光电二极管32之间距离适当，距离不会太大，第一光电二极管31和第二光电二极管32之间的距离不超过装置的宽度(例如40mm)。相比图1的传统饱和吸收光路，本申请使用光学元件少，且无需调节。

在光路系统30中，探测光比参考光多经过一次光束分束器33，因此需要电路系统40进行补偿，选择合适的第一电位器阻值和电阻阻值，例如选择总电阻(电位器加电阻)为5000欧姆，其中电位器的可调范围为3000欧姆。使光电信号在经过一次放大后大小基本相同。对于两个光电二极管之间暗电流的差异，通过一个第二电位器调整参考电压的大小以补偿。实际操作时需调整第一电位器和第二电位器的阻值以达到最佳效果。具体地，如图3和图6所示，本申请的电路系统40包括光电二极管D1与D2，用于接收光以产生光电流信号；电阻R1与R2将光电流转化为电压信号，同时电位器RP1起到调整阻值以平衡电压的作用；电容C1与C2对光电压信号进行滤波；运算放大器型号为INA819仪表放大器，该放大器起到差分放大的作用，1脚与4脚为输入脚，7脚为输出脚，5脚与8脚为正负供电脚，2脚与3脚之间接电阻R_G以进行放大，6脚为参考脚，运算规则如下

电容C3与C4起到保护芯片，稳定电源的作用；最后，电位器RP2通过调整阻值来调整6脚的参考电位以消除两光电二极管D1与D2本身不尽相同所带来的暗电流差。SMA接口12与示波器相连，以输出饱和吸收鉴频信号，探测光强度和频率曲线出现饱和吸收峰，调整入射光50方向，峰值最大时即探测光与泵浦光重合位置，光路调整完毕。接下来通过调整电路系统40中的两个电位器，首先调整单边放大倍数，使光电信号在经过一次放大后大小基本相同，多普勒本底被抵消，接着调整偏置电压使整个曲线在零位置，这样就可以得到完美的饱和吸收峰信号；如果调整单边放大倍数时发现输出饱和，则可以调整偏置电压使其在能够显示区间；如果调整偏置电压使整个曲线在零位置后发现多普勒本底又出现，继续重新调整单边放大倍数。总之，在光路系统30调好的情况下，调整电路系统40的两个电位器能够调出完美的饱和吸收峰信号。

综上，本申请的电路系统40对探测到的第一光电二极管31和第二光电二极管32的光信号进行处理得到无本底的饱和吸收信号，并且能够将第一光电二极管31和第二光电二极管32所采集的信号增益大小调节以弥补光路系统30中两束光强不平衡，并且能够施加偏置电压来平衡第一光电二极管31和第二光电二极管32之间的暗电流差，并且能够对处理好的信号进行差分放大输出。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置，其特征在于：

包括金属罩、金属基底、光路系统和电路系统；光路系统和电路系统集成于金属基底上并被金属罩包裹覆盖，光路系统用于使光与原子在光路系统中相互作用以产生饱和吸收现象以及用于向电路系统输出光信号，电路系统用于探测并处理所述光路系统输出的光信号。

2.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置，其特征在于：所述光路系统包括第一光电二极管、第二光电二极管、光束分束器、碱金属气室、楔形玻璃，第一光电二极管、光束分束器、碱金属气室和楔形玻璃沿同一主轴线并依次向远离电路系统的方向排列，入射光沿着垂直于主轴线的方向射向光束分束器并经过光束分束器后被分为第一光束和第二光束，第一光束按照入射光的原入射方向射出所述微功耗小型化饱和吸收光谱装置，第二光束沿着所述主轴线先通过碱金属气室以作为饱和吸收的泵浦光，之后所述第二光束继续入射至楔形玻璃并分别在楔形玻璃的前表面反射为第三光束和在楔形玻璃的后表面反射为第四光束，其中第三光束则以一定角度偏离第二光束的原光路返回碱金属气室作为吸收参考光，然后由第二光电二极管接收，第四光束按第二光束的原光路返回碱金属气室以作为饱和吸收的探测光，经过光束分束器后由第一光电二极管接收，所述电路系统对探测到的第一光电二极管和第二光电二极管的光信号进行处理得到无本底的饱和吸收信号。

3.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置，其特征在于：碱金属气室的中心轴相对于主轴线倾斜5-10度。

4.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置，其特征在于：楔形玻璃的顶角为3-5度。

5.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置，其特征在于：电路系统通过电池驱动，电路系统的功耗为3-5微瓦。

6.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置，其特征在于：金属基底包括本体、电池仓、若干螺孔、M6螺纹孔和若干卡槽，M6螺纹孔和电池仓设于本体的底部，金属基底上的在与第一光电二极管、第二光电二极管、光束分束器、碱金属气室、楔形玻璃的对应位置分别设有固定卡槽，本体上与电路系统中的电路板相对应的位置设有螺孔。

7.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置，其特征在于：所述电路系统用于将第一光电二极管和第二光电二极管所采集的信号增益大小调节以弥补光路系统中两束光强不平衡，以及用于施加偏置电压来平衡光电二极管和第二光电二极管之间的暗电流差，以及用于对处理好的信号进行差分放大输出。

8.根据权利要求1-7任一所述的用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置，其特征在于：所述用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置的长宽高为54:40:49.50毫米。

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