調(diào)制與非調(diào)制的半導(dǎo)體激光器典型穩(wěn)頻方法對比分析

孫黎+李慧琴+熊繼軍

摘要： 針對半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻技術(shù)中的飽和吸收法、塞曼調(diào)制法、基于原子二向色性的激光器鎖定（DAVLL）法和去除多普勒背景的二向色性鎖定（DFDL）法4種典型穩(wěn)頻方法進(jìn)行了穩(wěn)定性、操作性、抗干擾能力等方面的對比分析，概括了調(diào)制和非調(diào)制穩(wěn)頻方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為相關(guān)實(shí)驗(yàn)選擇合適的穩(wěn)頻方法提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 半導(dǎo)體激光器； 穩(wěn)頻； 頻率調(diào)制； 非調(diào)制

中圖分類號： TN 249文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.007

The comparative analysis of frequency stabilization methods between

modulation and nonmodulation semiconductor laser

SUN Li， LI Huiqin， XIONG Jijun

（School of Instrument and Electronics， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： Frequency stabilization technology of semiconductor laser has developed rapidly in recent years， and it is the basic technology in laser used in the experiment. The comparative analysis of several frequency stabilization methods， which are saturated absorption， Zeeman modulation， dichroicatomicvapor laser lock （DAVLL） and dopplerfree dichroic lock （DFDL）， were proposed for stability， operational， antiinterference ability and so on. Their advantages and disadvantages of the modulation and nonmodulation frequency stabilization methods are also been summarized in order to provide references to select the most suitable frequency stabilization method for the related experiments.

Keywords： semiconductor laser； frequency stabilization； frequency modulation； nonmodulation

引言窄線寬、高穩(wěn)定度[12]的半導(dǎo)體激光器在原子光譜學(xué)、量子計(jì)量學(xué)、光纖通信以及激光原子冷卻等光電子學(xué)領(lǐng)域有日益廣泛的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)條件下，穩(wěn)定度的高低、穩(wěn)頻系統(tǒng)的繁簡程度以及操作的難易與否等往往是選擇穩(wěn)頻方法的重要依據(jù)。因此，對半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻技術(shù)的研究很有意義和應(yīng)用價(jià)值。1基本原理自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器由于易受外界溫度變化、大氣變化、機(jī)械振動(dòng)以及磁場變化的影響，激光器輸出光頻率是不穩(wěn)定的。為了改善輸出光頻率的穩(wěn)定性，必須使用電子穩(wěn)頻系統(tǒng)對激光器進(jìn)行控制。穩(wěn)頻時(shí)需要選取一個(gè)穩(wěn)定且不因外界圖1激光器穩(wěn)頻基本原理

Fig.1Frequency stabilization system干擾而改變外部參考頻率，對于大多數(shù)半導(dǎo)體激光器，都能找到一個(gè)相應(yīng)的原子或分子吸收譜線作為參考頻率。當(dāng)外界干擾使激光輸出頻率偏離參考頻率時(shí)，可以通過一定技術(shù)手段對激光頻率偏移進(jìn)行鑒別而得到鑒頻信號，由穩(wěn)頻系統(tǒng)控制電路輸出控制信號，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的腔長或電流，使激光器的頻率回復(fù)到參考頻率而達(dá)到穩(wěn)頻的目的。激光器穩(wěn)頻基本原理如圖1所示。光學(xué)儀器第37卷

第2期孫黎，等：調(diào)制與非調(diào)制的半導(dǎo)體激光器典型穩(wěn)頻方法對比分析

2半導(dǎo)體激光器帶調(diào)制的穩(wěn)頻方法

2.1飽和吸收穩(wěn)頻圖2為飽和吸收穩(wěn)頻原理圖[3]，激光經(jīng)過光隔離器后進(jìn)行分束，分成三束激光。其中的兩束激光在Rb原子泡中形成泵浦光，另外一束激光直接透過Rb原子泡。用光電探測器PD分別對兩路光信號進(jìn)行探測，泵浦光的探測信號中包含多普勒吸收信號和飽和吸收信號，透過光的探測信號中只包含多普勒吸收信號。將探測到的兩路信號作差，可以去除信號中的多普勒背景。最后將不含多普勒背景的飽和吸收信號通過鎖相放大電路、穩(wěn)頻系統(tǒng)控制電路，加到激光器壓電陶瓷上來調(diào)節(jié)激光器的輸出頻率，使得激光器輸出頻率穩(wěn)定。

圖2飽和吸收穩(wěn)頻原理

Fig.2Saturated absorption frequency stabilization system

飽和吸收穩(wěn)頻法穩(wěn)定度較高，可達(dá)10-11 s-1[3]，系統(tǒng)抗干擾能力較強(qiáng)。但需鎖相環(huán)，系統(tǒng)閉環(huán)操作較復(fù)雜，直接將調(diào)制信號加到激光器上（內(nèi)調(diào)制），與三角波掃頻信號和伺服控制系統(tǒng)的電壓信號進(jìn)行疊加，一起送往激光器兩端的壓電陶瓷（PZT）上，給激光器頻率造成額外擾動(dòng)。

2.2塞曼調(diào)制穩(wěn)頻圖3為塞曼穩(wěn)頻光路，從半導(dǎo)體激光器中出射的是線偏振光，經(jīng)過1/2波片、偏振分光棱鏡（PBS）、1/4波片后，完成激光的分束，并把進(jìn)入Rb原子泡的光束變成圓偏振光。之后經(jīng)過一個(gè)厚玻璃片，將圓偏振光分成三束光。其中的兩束光對射完成飽和吸收作用，另一束光是探測光。光束在輸出到光電探測器之前，要經(jīng)過一個(gè)分光棱鏡，這里選擇的是消偏振分光棱鏡（BS），因?yàn)橄穹止饫忡R雖然對光能量有一定的吸收，但對光的偏振態(tài)不敏感，出射激光的偏振態(tài)和入射激光的偏振態(tài)相同。如圖4所示，塞曼調(diào)制穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可分為掃頻發(fā)生器、輸入放大器、鎖相放大器、信號處理器四部分。其中掃頻發(fā)生器主要功能是給激光器加三角波掃描信號，使激光器頻率移動(dòng)。因?yàn)樵诮?jīng)過Rb泡得到飽和吸收曲線后，即確定了鎖頻的頻率基準(zhǔn)，則需要通過掃頻將激光器頻率移動(dòng)到該基準(zhǔn)頻率附近，在實(shí)驗(yàn)中就是要在示波器上找到飽和吸收譜線。輸入放大器包括信號放大和信號偏置，并且可以濾除多普勒背景信號，通過調(diào)節(jié)可以將吸收曲線維持在采樣范圍內(nèi)，不失真。鎖相放大器包括信號發(fā)生器、混頻器、低通濾波器。其中信號發(fā)生器是給混頻器提供本地參考信號，給線圈提供調(diào)制信號；混頻器一般是通過乘法器實(shí)現(xiàn)，將帶有調(diào)制的飽和吸收信號與本地參考信號進(jìn)行混頻、解調(diào)，這里運(yùn)用到導(dǎo)數(shù)譜技術(shù)；低通濾波器是將相乘后信號中的高頻信號濾除。信號處理器采用PID控制，接受鑒頻信號，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號輸出給激光器的壓電陶瓷。塞曼調(diào)制穩(wěn)頻法將調(diào)制信號加載到線圈上，采用外調(diào)制穩(wěn)頻，不會對激光器頻率造成額外擾動(dòng)，穩(wěn)定度較高，數(shù)量級可達(dá)10-12 s-1[4]。但是該方法也需鎖相環(huán)，閉環(huán)伺服控制較復(fù)雜，受外界干擾較大。圖3塞曼調(diào)制穩(wěn)頻光路[4]

Fig.3Zeeman modulation frequency stabilization light path

圖4塞曼調(diào)制穩(wěn)頻原理

Fig.4Zeeman modulation frequency stabilization system

3半導(dǎo)體激光器無調(diào)制的穩(wěn)頻方法

3.1DAVLL（dichroicatomicvapor laser lock）穩(wěn)頻法該方法利用原子在磁場中的塞曼效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示[5]。DAVLL稱呼是由JILA（Joint Institute for Laboratory Astrophysics）[6]創(chuàng)造的。將原子吸收室放入磁場中，線偏振光可視作由強(qiáng)度相同、旋轉(zhuǎn)方向相反的兩束正交圓偏振光組成，當(dāng)沿磁場方向傳播時(shí)，由于塞曼效應(yīng)，原子的吸收線分成左旋圓偏振光σ+和右旋圓偏振光σ-，并且在頻率上沿相反方向偏移[7]。通過1/4波片和偏振分光棱鏡后，可把兩束正交圓偏振光分開，由兩個(gè)光電探測器分別探測，最后將兩路探測信號相減，得到相應(yīng)的鑒頻曲線，如圖6所示[5]。

圖5DAVLL穩(wěn)頻原理

Fig.5DAVLL frequency stabilization system圖6誤差信號

Fig.6Error signal

圖7DFDL穩(wěn)頻原理

Fig.7DFDL frequency stabilization systemDAVLL穩(wěn)頻法屬于無調(diào)制穩(wěn)頻[89]，不會對激光頻率造成額外干擾，方案簡單易行，無需鎖相放大器，能獲得無調(diào)制擾動(dòng)的激光輸出，連續(xù)可調(diào)諧范圍寬于飽和吸收法的可調(diào)諧范圍。但DAVLL需要對應(yīng)特定的吸收譜線，適用范圍有限，沒有消除多普勒展寬，穩(wěn)定度不高，約為10-9量級[5]。

3.2DFDL（dopplerfree dichroic lock）穩(wěn)頻方法DFDL[1011]穩(wěn)頻法是在DAVLL穩(wěn)頻法的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)。增加一束泵浦光，如圖7所示，能消除多普勒展寬背景，使得吸收信號更加平穩(wěn)。利用偏振光在磁場作用下發(fā)生左旋和右旋現(xiàn)象，將一束線偏振光分成兩束旋向相反的圓偏振光，再通過1/4波片和PBS將這兩束圓偏振光分開。DFDL穩(wěn)頻法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不需要鎖相環(huán)，操作方便且易于實(shí)現(xiàn)。DFDL消除了多普勒展寬，具有相對較寬的信號范圍。然而DFDL也需對應(yīng)特定的吸收譜線，調(diào)諧范圍比DAVLL有所減小[12]；對磁場強(qiáng)度敏感，磁場強(qiáng)度大小對誤差信號斜率影響很大；鎖頻精度不高，約為10-9 s-1。4結(jié)論上述穩(wěn)頻方法均日趨成熟，以某一頻率作為參考來穩(wěn)頻是目前國內(nèi)外半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻的常用方法。從調(diào)制方法看，直接對激光器進(jìn)行頻率調(diào)制會引入額外的頻率噪聲，造成激光頻率抖動(dòng)，但是短期穩(wěn)定度相對較高；外調(diào)制和無調(diào)制的穩(wěn)頻方法不會給激光器帶來頻率擾動(dòng)，而且實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡單，容易搭建，雖然穩(wěn)定度相對較低，但已基本達(dá)到激光器相關(guān)實(shí)驗(yàn)的要求。對外調(diào)制和無調(diào)制的穩(wěn)頻方法進(jìn)行優(yōu)化，逐步提高其穩(wěn)定度是日后研究工作的努力方向。參考文獻(xiàn)：

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（編輯：張磊）