半导体激光器的稳频和移频.pdf

中国科学技术大学 硕士学位论文 半导体激光器的稳频和移频 姓名：张晨 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：金革 20090501 摘要 摘要 近年来，冷原子物理由于其对基础物理研究，量子物理和量子通信方面的 研究起到了极大的推动作用而成为物理研究的热点。冷原子的获得通常是采用 对原子进行激光冷却与囚禁的方法来实现的，具体技术包括“光学粘胶”，磁光 阱等。 在原子的激光冷却与囚禁( 冷原子) 实验中，激光光源的性能是影响实验 的重要因素。本文所介绍的工作是围绕对铷原子进行激光冷却和囚禁的实验进 行的，主要工作内容有以下两点： ( 1 ) 提供线宽窄，稳定性高的激光光源。 冷原子实验是非常精密的物理实验，对环境和仪器的精确度要求很高，尤 其是对激光的频率稳定性提出了很高的要求。实验中伎用的半导体激光器的输 出激光频率不够稳定，存在显著的频率漂移特征。为了克服半导体激光器的这 种缺点，我们利用铷原子的饱和吸收峰频率作为参考频率，通过光电转换，利 用比例加积分( p i ) 反馈控制将激光输出频率锁定在参考频率上的方法设计并 实现了一套稳频系统。在作为反馈环节的p i 控制器中，我们采用了高精度的放 大器件，以提高激光器输出频率的稳态精度，并设置了可调节的参数调节装置， 以适应不同的稳频环境。对稳频系统的调试和测试结果表明稳频系统可以将激 光器的输出激光频率锁定在铷原子的饱和吸收峰频率上，且具有一定的抗干扰 能力，有良好的长期稳定性。 ( 2 ) 提供多种实验所需频率的激光，并且实现用1 v r l 电平控制激光光源的开 关，以协同激光光源和其他实验设备的时序控制。 冷原子实验还需要多种不同频率的激光来实现不同的物理目标。我们的实 验方案是利用声光调制器( a o m ) 的对激光的频率偏移特性来实现。主要工作 是设计和实现了a o m 的驱动信号源，它产生一个正弦信号输出到a o m 使其 工作，正弦的频率等于激光的频率偏移量。信号源产生信号的频率和幅度可调， 以便于使用。信号源的设计主要是采用压控振荡器( v c o ) 和t t l 电平控制的 微波开关构成。 在冷原子量子存储的实验中，还要用激光对冷原子进行量子信息的读写等 操作，因此需要对激光进行开关操作。实现1 v r l 电平控制激光开关的实验方案 是利用了a o m 对激光光路的偏转实现的：a o m 在有正弦信号驱动时，不仅会 摘要 使激光频率发生偏移，还会使激光光路偏转一个角度。这样在a o m 之后加一 个光栅，只能够让光路偏转后的激光通过，这样实际上就可以通过对信号源的 开关控制实现对激光开关的控制。对a o m 以及信号源的测试结果表明，a o m 信号源的开关隔离度达到7 0 d b ，激光开关的切换速率( 以末端探测到的激光功 率信号沿上升和下降时间表示) 小于l o o n s ，系统延迟4 0 0 n s 左右，可以满足 实验需求。 关键词：半导体激光器激光稳频p i 控制声光调制 丑 a b s t r a c t a b s t r a c t c o l da t o mi sah o ts p o ti nt h ef i e l do fp h y s i c sr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r sb e c a u s eo f i t sc o n t r i b u t i o nt ot h er e s e a r c h e so fb a s i cp h y s i c s ，q u a n t u mp h y s i c sa n dq u a n t u m i n f o r m a t i o n c o l da t o m sw e r em a i n l yg o tb yl a s e rc o o l i n ga n dt r a p p i n gi n c l u d i n g “o p t i c a lm o r a s s e s ”a n dm a g n e t o o p t i c a lt r a p l a s e rs o u r c ei sak e yf a c t o ri nt h ee x p e r i m e n to fa t o mc o o l i n ga n dt r a p p i n gb y l a s e r i nt h i sp a p e rs o m ew o r k sf o rt h ec o o l i n ga n dt r a p p i n go ft h er ba t o m sb yl a s e r w e r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g ： ( 1 ) p r o v i d el a s e rs o u r c e s w i t hn a r r o wl i n e - w i d t ha n dh i g hs t a b i l i t y c o l da t o mi sak i n do f p r e c i s ee x p e r i m e n t ，s oi th a sah i g hl e v e lr e q u i r e m e n t f o r i n s t r u m e n t sa n de n v i r o n m e n t ，e s p e c i a l l yi nt h el i n ew i d t ha n ds t a b i l i t yo ff r e q u e n c y o ft h el a s e rs o u r c e t h ef r e q u e n c yo fs e m i c o n d u c t o rl a s e ru s e di nt h ee x p e r i m e n ti s n o ts t a b l e ，i no t h e rw o r d s ，i tw i l ls h i f tal o ti nl o n gt i m e i no r d e rt oo v e r c o m et h i s d i s a d v a n t a g eo fs e m i c o n d u c t o rl a s e r , w ed e s i g n e da n d r e a l i z e das y s t e mt om a k et h e l a s e rl o c k e dt ot h ef r e q u e n c yo fa t o ma b s o r p t i o ns p e c t r u mb yp if e e d b a c kc o n t r 0 1 w ed e s i g n e dt h ep ic o n t r o l l e rw i t hs o m ea m p l i f i e r so fh i g hp r e c i s i o nt oi m p r o v et h e p r e c i s i o np e r f o r m a n c eo fl a s e rf r e q u e n c yi ns t a b i l i t y w ea l s oh a ds o m ea d ju s tp a r t i nt h ep ic o n t r o l l e rt oa c c o m m o d a t es o m eo t h e re n v i r o n m e n t s w eh a dt e s t e dt h e s y s t e mw i t ht h es e m i c o n d u c t o rl a s e r t h er e s u l ti st h a to u rs y s t e mc o u l dl o c kt h e o u t p u tf r e q u e n c yo ft h el a s e rt ot h ef r e q u e n c yo ft h ea b s o r p t i o ns p e c t r u mp e a ka n d i t h a sa b i l i t yo fa n t i i n f e r e n c ea n dg o o dp e r f o r m a n c eo fl o n gt i m es t a b i l i t y ( 2 ) p r o v i d el a s e r so fd i f f e r e n tf r e q u e n c y , a n dr e a l i z el a s e rs w i t c hc o n t r o l l e db y t t l s i g n a lt oc o o r d i n a t et h et i m es e q u e n c ec o n t r o lw i t ho t h e re q u i p m e n t t h ec o l da t o me x p e r i m e n tn e e d sd i f f e r e n tk i n d so fl a s e ri nf r e q u e n c yt or e a l i z e s o m ed i f f e r e n tg o a l si np h y s i c s o u rs c h e m a t i ci ss h i f t i n gt h el a s e rf r e q u e n c yw i t h a c o u s t o o p t i c a lm o d u l a t o r t h em a i np a r to ft h ew o r k i st od e s i g naa o md r i v e r i t g e n e r a t e das i ns i g n a lt om a k et h ea o m w o r k t h ef r e q u e n c yo ft h es i ns i g n a l e q u a l st ot h ef r e q u e n c yo f f s e to f t h el a s e r t h ef r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo ft h es i g n a l c o u l db ea d ju s t e d a o md r i v e rw a sc o n s t i t u t e db yav c oa n dm i c r o w a v es w i t c h e s c o n t r o l l e db yt t l s i g n a l i nt h eq u a n t u mm e m o r ye x p e r i m e n t ，i ti sn e c e s s a r yt or e a do rw r i t et h e a b s t r a c t q u a n t u mi n f o r m a t i o no ft h ec o l da t o mb yl a s e r , s ow en e e dt oh a v eao n o f fs w i t c h o ft h el a s e rc o n t r o l l e db y1 v r ls i g n a l w h e nt h ea o mw o r k s ，t h el a s e rw o u l dn o t o n l yh a v eao f f s e ti n 矗e q u e n c yb u ta l s oh a v ead e f l e c t i o n w i t hag r a t i n gw a sa d d e d a f t e rt h ea o mt ob l o c kt h e1 a s e rw i t h o u td e f l e c t i o n t h e nw ec o u l dc o n t r o l l e dt h e o n - o 行s w i t c ho ft h el a s e rb yc o n t r o l l i n gt h es w i t c ho ft h ea o md r i v e r t h et e s t r e s u l ti st h a tt h eo n - o f fi s o l a t i o no fa o md r i v e ri s - 7 0 d b ；t h es w i t c hr a t e p r e s e n t e d b yt h er i s i n ga n df a l l i n gt i m eo ft h el a s e rp o w e rs i g n a ld e t e c t e da tt h ee n d ，w a sl e s s t h a nlo o n s ；t h es y s t e md e l a yw a sa b o u t4 0 0 n s ，w h i c hc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t s o ft h ee x p e r i m e n t k e yw o r d s ：s e m i c o n d u c t o rl a s e r , l a s e rf r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o n ，p ic o n t r o l ，a o m i 工 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：盟 2 0 0 9 年4 月15 日 力叫 一 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 冷原子物理是近2 0 年来物理学最热门发展最迅速的一个领域。利用激光可 以把原子气体冷却到k 甚至更低的温度；研究热运动速度非常低的原子发现了 以前淹没在无规噪声里的许多新的物理现象，特别是在气体原子团温度足够低、 密度足够大，实现相变以后；同时噪声低、便于控制的冷原子介质也完成了以 前在热原子中无法实现的设想。 激光冷却原子其基本原理【1 】就是利用激光与原子间的能级跃迁进行能量交 换，抽去原子的叠加在跃迁能级上的动能，使原子热运动逐步降低。但如果想 把原冷却到非常低( 尽可能) 的温度，在不同的阶段需要用不同的方法。首先用 多普勒冷却，然后用偏振梯度冷却( 偏振旋转冷却或磁感应冷却) ，接着用速度 选择相干布居俘获( v s c p r ) 机制或受激r a m a n n 跃迁速度选择机制，蒸发冷却 等。这是因为在不同的冷却机制有不同的有效范围，同时它们也有自己的冷却 极限。例如，多普勒冷却是利用原子吸收负失谐光子而自发辐射共振光子而冷 却原子的，但自发辐射光子随机的反冲作用使原子的动量出现涨落，所以原子 系统就不会被一直冷却下去，而存在一个“平衡”的温度，这就是多普勒冷却 的极限温度，而偏振梯度冷却机制可以突破这样的极限。新的冷却机制正是在 突破旧机制的基础上发展起来的。其出发点往往是利用原子跃迁的更精细的能 级结构( 精细的能级结构、超精细结构) 、更复杂的能级跃迁过程( 双光子过程) 及原子间的相互作用。 1 9 7 5 年t h a n s c h 和a s c h a w l o w 提出了激光冷却中性原子的思想，但其真 正的发展却是在8 0 年以后。在冷原子物理和技术发展的2 0 多年间，8 0 年到9 5 年左右是以激光冷却原子技术为主，到9 5 年以后则是以冷原子的应用为主。冷 原子的应用研究大概了下列几个方面：玻色一爱因斯坦凝聚( b e c ) 及b e c 的研 究：f 氐速度原子的波动性非常明显，所以冷原子也被用来研究物质波的量子隧 穿、干涉、放大、连续输出等；将冷原子应用于近年来兴起的量子计算和量子信 息，作量子逻辑门、e p r 关联对等；冷原子频标是超冷原子的一个非常重要的应 用领域；冷原子在其它方面也有诸多应用，如超冷原子中的光速减慢、利用超冷 原子获得高分辨率激光光谱、将超冷原子应用于放射性同位素的研究等。激光 冷却原子在这2 0 多年的发展过程中取得了非常瞩目的成绩，诺贝尔奖在1 9 9 7 第1 章绪论 年和2 0 0 1 年两次授予相关领域就是一个明证。同时，到目前为止，对超冷原子 的研究仍然是非常激动人心的领域。 激光冷却原子的思想来源于辐射场对原子的共振力的作用，光场的振幅梯 度和相位梯度都会对光场中的原子产生力的作用。一般，相位梯度产生耗散的 散射力，振幅梯度产生保守的偶极力。耗散力用于冷却，保守力一般是用来产 生势阱、势垒的。 激光冷却原子的实验开始是利用原子的多普勒频移冷却原子束属于一维 激光冷却。多普勒频移满足： 伽= 鲫一k 矿 其中伽为运动的原子所感受到的激光的频率。当用红移的激光照射原子的 时候，那些相对于激光方向满足k e v = 万的原子受到的力最大，速度被显著地 减小下来。对于那些速度太快或太慢的原子，由于其多普勒频移过大不能与激 光共振因而不能被减速或减速效果不明显。激光冷却的结果使得原来的热原子 速度被压窄并移到低速区。 有两种机制影响冷却效果：原子受共振力的过程实际是原子由激光泵浦到 激发态，再自发辐射到基态的循环过程，但通常原子的基态有多个超精细结构， 原子自发辐射时，可能落到基与激光不共振的超精细能级上，原子在这些能级 上的积累影响了原子的继续冷却。对这种情况，实验上通常采用加再泵浦 ( r e p u m p i n g ) 光的办法，将这些能级上的原子重新抽运到激发态。另一种影响机 制是随着原子速度的降低，它所感受到的激光频率也偏离了原子的共振频率， 因而随着原子速度的降低，原子的减速效果会变差。为了减小直至消除它的影 响，人们在实验中多种方法补偿多普勒频移的变化，如扫描冷却激光频率、用 随空间变化的磁场使塞曼频移随空间变化、利用直流斯托克效应等。 在对原子束一维冷却的基础上，三维激光冷却技术也发展起来。其原理就 是将由一维减速的原子束引入三对相互垂直的负失谐激光束的交叉区域，原子 在这个区域中，无论向何方向运动都受到光场的阻尼作用，这就是所谓的“光 学粘胶”。 激光可以将原子冷却到非常低的温度，但由于它对原子是耗散力的作用， 在空间没有势场，所以无法有效束缚原子，这时势阱就显得非常重要了。势阱 大大延长了冷原子团的寿命，使冷原子团的性质能够被更充分研究，同时也使 得冷原子团可以作为一种介质应用于其它的领域。于是在激光冷却原子技术不 断发展的同时，人们提出各种方案来对冷原子进行囚禁，制作了各式的原子阱。 典型的原子阱有磁阱、光阱、磁光阱( m o t ) 。起初的势阱只是起积累和囚禁冷 2 第1 章绪论 原子的作用，后来的磁光阱可以直接从常温汽室中俘获原子，省去庞大的原子 柬设备，使得势阱担负起俘获原子和囚禁原子的双重角色。磁光阱也成为最有 效最普及的势阱。 磁光阱是磁阱与光阱的结合，典型的磁光阱如图1 1 ，e b - - - 对相互垂直的对 射的激光束再配上一对反亥姆霍兹线圈组成。 图1 1 磁光阱结构 磁光阱结构简单，对磁场梯度和激光功率都没有非常高的要求。除了n a ，它 可以在室温下，用相对廉价的二极管激光器俘获所有的碱金属原子，并把它们 冷却到i m k 以下，磁光阱是到目前为止制备冷原子样品最容易的方法。正是由 于它的这些优点，它被应用于几乎所有冷原子样品的制备。 1 2 研究的目的和意义 原子的激光冷却和囚禁实验是非常精密的实验，它具有以下几个特点： ( 1 ) 系统复杂 实验是在超高真空中完成的，需要真空系统：磁光阱既需要加入选定方向的 磁场，又需要屏蔽外界的磁场；激光冷却原子需要许多束频率、功率不同的激 光，这要由多台激光器提供；实验对激光束的光斑、偏振、相对功率都有严格的 要求，要通过大量光学元件进行调制和控制；要有专门的探测、采集器件，收 集、整理数据和图象：大量的电子电路、电脑和软件对系统进行时序控制，并综 合、处理实验结果。 3 第l 章绪论 ( 2 ) 对环境要求非常高 系统的真空度要高；磁场梯度高，并且对外界磁场要有效隔离；系统对环 境温度要求不太高，一般室温就可以了。 ( 3 ) 实验仪器非常精密 激光器要求线宽非常窄，通常要不大于数兆赫兹；m o t 中冷原子团的体 积非常小，为了获得细节信息，要求探测系统分辨率非常高；时序控制要求在毫 秒量级以下。 本文所论述的主要工作是围绕为原子的冷却与囚禁实验提供稳定可靠的激 光光源进行的。 实验中使用的是德国t o p t i c a 公司生产的d l 1 0 0 型半导体激光器，它主要 由激光二极管与光栅负反馈构成的，通过控制光栅的偏转角度控制激光器的输 出波长。激光器安装在一块半导体温控上，温度可调，温度达到稳定时不确定 度在l m k 以下。激光器另加一块扫描板，它是利用加在光栅一端的压电陶瓷微 调光栅的偏转角度，使激光器在一定的频率范围扫描，其最大扫描范围约 9 g h z 。激光器的功率稳定度在1 以下，如果激光器不加稳频电路，激光器有 慢漂和跳模，同时电噪声和机械噪声可以造成起频率跳动。半导体激光器对湿 度不太敏感，但对温度要求比较严格，不仅要求温度完全稳定再开激光器，而 且环境的温度对激光器有一定的影响。 自由运转的激光器无法满足激光冷却原子实验中对激光频率的要求，故对 激光器必须进行稳频。其稳频原理是：从激光器的输出中分出一小部分光做饱和 吸收，采集饱和吸收信号作为探测信号；先让激光器进行扫频，通过调节温度和 电流使找到需要的谱线，然后调节扫描偏置，缩小扫描范围使在扫描范围内只 有一个峰或一个坡，对该信号进行分析处理，加入负反馈回路，并逐步停止扫 描。当激光频率偏离设定的值时，负反馈回路就会把在压电陶瓷上加反向的偏 置，将频率纠回设定值。 冷原子实验以及量子存储的实验中需要用到多束频率不同的激光，而饱和 吸收稳频法进行稳频后的激光只能在原子吸收峰上的若干固定频率，所以有必 要对激光进行频率的移动。对激光的移频方法是采用声光调制的方法使激光频 率在锁定频率处产生一个几十或百兆赫兹的偏移。同时，通过控制声光调制器 的驱动信号源的开关，还可以控制激光的光路，进而起到光开关的作用。 综上所述，本论文研究的内容主要是为原子的激光冷却和囚禁实验提供稳 定、精确、多种频率的激光光源。 4 第1 章绪论 1 3 论文的内容 论文的主要内容包括半导体激光器的频率稳定和频率移动两大方面的内 容。 稳频方面，铷原子的激光冷却和囚禁实验需要7 9 0 n m 波长的激光，线宽在 l m h z 左右，频率可以长时间稳定。围绕这样的实验需求，先介绍了半导体激 光器的基本特性以及激光器外延腔的特性，然后介绍了原子饱和吸收光谱的原 理以及一次微分谐波稳频的原理。接着介绍了激光稳频系统的设计方案，重点 叙述了稳频环路中的比例加积分( p i ) 控制器电路的结构和原理，介绍了对p i 控 制器进行测试的结果以及整个激光稳频实验的结果。 移频方面，实验要求在激光器的输出频率上频率偏移可以达到5 0 m h z 到 2 0 0 m h z 的范围，通过控制a o m 驱动源开关使得通过a o m 的激光功率变化要 快，光电探测器探测到激光功率信号的上升沿和下降沿需要在l o o n s 左右，系 统的延迟不超过1 邮。围绕这一的实验需求，首先介绍了声光调制器( a o m ) 使 激光频率产生偏移的原理以及声光调制器的结构。接着着重介绍了冷原子实验 对声光调制器驱动信号源的需求，然后介绍了a o m 驱动信号源的设计方案和 电路结构并进行了分析，最后对a o m 驱动信号源进行了电子学测试以及联合 光学系统的测试。 5 第2 章半导体激光器稳频原理 第2 章半导体激光器稳频原理 2 1半导体激光器基本特性 2 1 1 概述 自1 9 6 2 年第一支半导体激光管问世以来，半导体激光器有了很大发展。由 于半导体激光器具有体积小，效率高，结构简单，便于调谐等优点，目前被广泛 用于光纤通信，激光印刷，激光唱机，激光医疗等方面。另外，在原子分子物理， 量子频标，原子核物理等基础研究领域，半导体激光器越来越发挥着重要的作用。 半导体激光器主要由激光管，驱动电源和准直支架三大部分构成。其中激光 管是激光器的核心部分，它是利用少数载流子注入产生受激发射的器件。和其它 激光器一样，半导体激光器发射激光必须满足三个条件：粒子数反转、共振腔和 激励源。以下对半导体激光器的原理作一简单介绍： 半导体晶体是构成半导体激光器的工作物质，由于其晶体内部电子的共有化 运动，使半导体内部原子的能级形成能带结构。在晶体中，由价电子能级分裂而 成的能带称为“价带“ ，如有电子因某种原因受激进入空带，则此空带又叫“导 带“ 。在“导带“ 和“价带“ 的间隔范围内，由于电子不能处于稳定能态，实际 上形成了一个禁区，而称为“禁带“ 。其带宽常用e g 表示。对于直接跃迁，如 电子吸收一个光子，它将从价带顶跃迁到导带低，反之，如从导带底跃迁到价带 则放出一个光子，放出和吸收光子的频率1 ) 满足关系：h u = e g 根据半导体激光器的理论可知，当在半导体晶体中的p n 结两端电压满足： v e g 时，相互作用区的电子准费米能级( e f ) n 和空穴准费米能级( e f ) p 则满足产 生受激发射的粒子数反转条件：a e f = ( e f ) n - ( e f ) p 2e g 半导体激光产生的基本原理是：在外部激励源作用下，在半导体晶体的p n 结两端加上适当的电压，使载流子形成反转分布，即导带中拥有电子，而对应的 价带中则留有空穴。导带中的电子向下跃迁至能量低的价带，而发生电子和空穴 的复合，跃迁时发出光子，由于谐振腔的反馈作用使其产生激光。 对于半导体激光管来说，发射激光的频率主要由工作温度和工作电流决定。 为了表述激光频率随温度的变化大小，定义温调率为： 6 第2 章半导体激光器稳频原理 f ：堕 d t 对于一般激光管，e 6 0 g k 。 f ：堕 l d i 定义激光随工作电流的变化率为电调率： 对一般激光管，e 1 3 g h z m a 2 1 2 外延腔半导体激光器的线宽压窄和频率调谐 在半导体激光器的诸多应用之中，激光的线宽是一个非常重要的指标。目 前通用的半导体激光器线宽一般在1 5 1 0 0 m h z 左右，对于像原子的激光冷却与 囚禁这样的基础研究来说不能满足要求，因此需要将其线宽压窄。压榨线宽的方 法主要有光反馈发和电反馈法两种。由于光反馈法结构简单，得到普遍采用。 半导体激光器在工作时，腔内同时存在受激辐射和自发辐射两种过程。自发 辐射产生的光子相位是随机分布的，彼此不相干。由于这种相位的随机分布，形 ， z h u ( u c ) 2 au = j ，- p 成了激光场的线宽下限，即本征线宽，其计算由s h a w l o w - t o w n e s 关系式给出： 此计算只适用于单模激光，其中p 是输出功率，u 。是无源腔的自然线宽，它由 下式表示： 魄：l ：j l 2 u r 2 r r l ( a c ) 其中l 为腔长，q 为光腔的损耗。由以上两式可以看出，激光功率越大，激光器 腔长越长，激光的本征线宽就越窄。由于半导体激光器的腔长比气体激光器的腔 长要小许多，因此它的本征线宽就会比气体激光器大很多。 引入a = n l a n 2 ，其中n l + i n 2 为半导体激光介质的折射率。在半导体激 光器中，自发辐射不仅引起相位的起伏，还能引起光场强度的起伏。这种强度的 变化引起载流子密度的变化，从而引起了介质折射率的变化。这种效应将使单模 激光的线宽增大为( 1 + 口2 ) u 。 7 第2 章半导体激光器稳频原理 为了使现有的半导体激光器的线宽能够得到有效的压窄，常用的方法是利用 外腔光反馈乜1 。从原理上讲，外腔反馈可以从两个方面使线宽压窄：( 1 ) 加外腔 等效于腔长的增加；( 2 ) 引入反馈，有利于增加受激辐射而抑制自发辐射。经过 理论计算可得压窄后的线宽计算公式： a o = ( 1 + 口2 ) a v 1 + x e o s ( 痧o + 九) 】2 有关参数的定义为： a = 以2 ，其中啊+ i n 2 为半导体介质的折射率。 au 为单模激光的本征线宽。 x = k r ( 1 + 口2 ) 2 ，它表示由于外腔引起的净损耗和反馈光引起的腔内介质 折射率变化的耦合效应，正是此效应导致了线宽的变化，它决定了线宽变化的大 小。k ，r 分布是外腔损耗引起的光强度随腔轴坐标变化的衰减率和无源腔的时间 常数( 即光子在腔中的寿命) 。 一j 盛= 2 万( 二兰) ，反馈光在外腔往返一次所引起的相位滞后。 办= t g 叫a 定义线宽压窄系数： d = 1 1 + x c o s ( # o + 办) 】2 几点讨论： ( 1 ) 无外腔反馈，x = 0 ，d = 1 ； ( 2 ) 外腔长为纵模的整数倍，唬= 2 m x ，d = ( 1 + k r ) 2 ； ( 3 ) 相位p r i g ，丸+ 矽= 2 m n “ ，d = ( 1 + x ) 2 。 由此可以看出，在相位匹配时，线宽有最大压窄。 进一步还可以导出半导体激光器的电调率( 激光频率随工作电流的变化率) 的和温调率( 激光频率随工作温度的变化率) 的计算公式( 具体过程不再赘述) ： 电调率e = e 历；温调率辱i - 辱伍。 这说明当有外腔反馈时，半导体激光管本身的电调率和温调率都将变小，主 要受到外腔的控制。 我们实验所使用的是l i t t r o w 型外腔半导体激光器。它是一种常见的商用可 调谐激光器，结构如图2 1 2 所示。它的特点是不仅通过加外腔的方式压窄了线 8 第2 章半导体激光器稳频原理 宽，还引入了光栅反馈，使得激光线宽进步压窄，同时通过改变光栅转角就不 可以获得更好的激光频率调谐。 图2 1 2l i t t r o w 型外腔半导体激光器 设0 为激光对于光栅平面的入射角，称为光栅转角，通过计算，激光频率与 光栅转角变化量的关系为： a v ：一 t g o ) a o v o 在不发生跳模的情况下，激光频率的连续改变可以通过调节光栅转角获得。 2 2 饱和吸收光谱 激光饱和光谱技术是一种常用的精密激光光谱技术，其原理【3 1 是利用单色可 调谐激光将具有速度为零的原子从具有多普勒速度分布的原子气体中选出，使其 对激光的吸收产生饱和，形成饱和吸收光谱。图2 2 1 是铷原子的饱和吸收光谱。 9 第2 章半导体激光器稳频原理 图2 2 1 铷原子饱和吸收谱 足够强的辐射场能够显著改变原子系统中不同能级粒子数的密度分布，这样 出现的粒子数密度饱和能引起附加的谱线增宽。如果频率为和波矢为k 的激 光入射到具有热速度分布的铷原子上，设原子的速度为1 ) z ，由于原子运动产生 多普勒频移，则原子的运动坐标系中观察到激光的频率为：k u z ，仅仅由多普 勒频移到与场共振的那些原子才能与激光场相互作用。对于一个二能级原子，其 基态能级为e 1 ，激发态为e 2 ，原子跃迁的共振频率为c o o = ( e 2 一e ) h ，设对应 能级的均匀加宽为a c o ，如激光的波矢k 方向沿z 正轴方向，原子的速度为u 。， 速度间隔为u 。的原子可以与激光产生共振吸收，其满足如下关系： 国一k ( v = a v z ) = c o o a c o 开始，能级e 1 上的分子速度分布( u ：) d d ：是麦克斯韦分布，所以，能级 d o , = d c o k 内吸收的粒子数密度减少，而上能级e 2 的粒子数密度对应的增加， 这样就引起粒子数分布n ( u ，) 上的凹陷，又称为b e n n e t 孔，相应的，在上能级分 布 ，( u ，) 上出现峰。 b e n n e t 孔的探测可以由两束激光得到，除第一束饱和光( 称为泵浦光) 之 外，再加一束较弱的探测光( 可以忽略由此引起的饱和效应) ，通过检测探测光 的吸收情况，就可以获得在基态中的粒子数分布，从而观察到b e n n e t 孔。 在饱和吸收光谱实验中，为了准确的探测原子的能级间距，必须将零速原子 的跃迁探测到，为此，将两束激光相向射入吸收池，其中，泵浦光强度应大于饱 和光强，探测光强小于饱和光强，实验中改变激光频率，对于速度为1 3 。的原 子，观察到的泵浦光的频率为0 3 + 七u ，观察到的探测光频率为缈一k v , ，如原子 和泵浦光共振，则不可能和探测光共振，只有速度为o 的原子才能同时与泵浦光 和探测光共振。此时，激光频率满足( 1 9 = ，即当激光频率和原子跃迁频率严格 1 0 巴9一m畴_昌强c时-鼻寸u丕u自o-k 第2 章半导体激光器稳频原理 相同时，才能探测到b e n n e t 孔，此时，泵浦光将下能级粒子数抽空( 饱和) ，探 测光经过时，原子就不再吸收探测光，这样，探测光的透射强度就增加，形成正 向饱和吸收峰( 见图2 2 1 ) ，由于饱和吸收峰为洛伦茨线型，相对中心对称， 因此，饱和吸收峰的中心位置对应于原子跃迁线的中心位置。这就是为什可以利 用饱和吸收光谱准确的测定原子的能级间距，并用其将激光频率准确的锁定于原 子跃迁的中心频率上的原因。 饱和吸收光谱的实验装置如图2 2 2 所示，半导体激光通过光隔离器( i s o ) ， 经反射镜m 1 ，通过入2 波片，经偏振分束棱镜p b s ，进入铷吸收池，经m 2 反 射，再经过吸收穿过p b s 进入光电探测器p d ，通过示波器记录信号。 激光器 l j ， l ，9 i x 9 。 p d 1 i 工入4吸收池 】汜 示渡器 图2 2 2 饱和吸收光谱实验装置 2 3 半导体激光稳频的原理方法 为了得到稳定的激光频率，我们需要找到一个单色性和稳定性非常好的参考 频率，将半导体激光器的激光频率锁定在这个参考频率上，从而达到稳频的目的 1 4 j 。现在使用最多的参考频率源是原子或分子的高稳定的跃迁线。以此为参考信 号，通过控制系统不断将激光频率和参考频率做比较，产生误差信号反馈到激光 器，控制激光器的外腔。稳频过程是一个动态平衡的过程，控制系统不断把激光 频率和参考频率做比较，这种比较将产生误差信号，此信号将用于控制激光器的 驱动电流或者外腔，从而使激光频率处在一定的范围内，达到所要求的稳定度。 现在使用最多的参考频率源是原子或分子的高稳定的跃迁线。由于激光器的 频率以参考频率为基准，所以参考频率的稳定性和准确度决定了激光频率的稳定 第2 章半导体激光器稳频原理 性和准确度。 原子或分子的激光饱和光谱的各个超精细谱线都有相似的线型，用函数表示 参考谱线如下： c ( c o ) = 厂( ) + g ( 国) ，其中 f ( c o ) = 一( a c 0 2 + b c o + c ) ，g ( 缈) = 乙了二石j k 了丽( 2 2 1 ) 第一项f ( ) 表示佛克脱轮廓背景谱线成分，第二项g ( ) 表示超精细能级的 跃迁成分。对于原子：a k = 1 0 1 0 0 ，对于分子：a k = 1 0 0 0 1 0 0 0 0 ，可见分子的超 精细跃迁的强度比有原子弱的多，分子的线型吸收产生的佛克脱轮廓背景比饱和 吸收大2 3 个量级，一般很难直接观察到饱和吸收峰。在本实验中，采用了铷原 子的饱和吸收谱来做半导体激光的稳频工作，此时光谱中的佛克脱背景成分已经 被削弱了很多，经过饱和光谱探测和光电信号转换，在示波器上直接观察到了很 好的吸收峰，这样大大提高了稳频系统的信噪比，对于稳频是很有利的。 观察谱线线型中的超精细的表达式，它是一个洛伦茨线型，中心点就是我们 进行稳频的参考点，此点对应跃迁线的最大值点。如果我们通过某种方式探测到 激光的频率点，那么我们就可以知道激光所在的频率对于谱线上的位置，从而得 到相应的控制信号用于控制激光器的频率。具体就是： ( 1 ) 激光频率在参考频率上，控制信号为零。 ( 2 ) 激光频率在参考频率点左边，控制信号为正。 ( 3 ) 激光频率点在参考频率右边，控制信号为负。 我们采用的是压电陶瓷( p z t ) 外腔稳频，这里的控制信号实际上就是一个控制 电压，又称为纠偏电压。 为确定输出激光频率在谱线上的位置，利用超精细跃迁峰是洛伦茨线型以及 它的斜率在中心点为零，在左边为正，右边为负的特点，我们对激光频率加一微 小调制，使其在工作点附近有一小的变化，由此使输出的光谱信号强度有相应的 变化，经光电转换后得到一个电压信号的变化，由稳频系统输出相应的控制信号 即纠偏电压，可以把激光器的工作频率点纠回参考点。 假设半导体激光器的输出频率为彩，对应的线型为g ) ，加入调制后，引 起的激光频率变化量大小为a s i n ( d t ) ，q 为调制的频率。这样可以得到加调制后 1 2 第2 章半导体激光器稳频原理 的激光频率输出为：缈= c o + a s i n ( f ) t ) ，对应的线型为g ( c o ) 。 由于调制比较小，我们在c o 处做泰勒分析。谱线的线型函数g ( c o ) 可以做泰 勒展开： g ( 国) = g ( 缈) + g ( 1 ( 缈) 么s i n ( q f ) + 五1u | ，2 ) a 2 s m 2 ( q ) + 1 g ( 3 ) a 3 s i n 3 ( q f ) + 。( 4 3 ) 1 设 厂( x ) = 一南它的函数图像如图2 2 1 - - - - “ t ti 一 以刁10l91 图2 2 1 f 0 ) 一南 ，它的图像如配2 2 一 i ii l 32。l 图2 2 2 1 3 第2 章半导体激光器稳频原理 从图2 2 2 可以看出，洛伦茨型函数的一阶导函数在中心点值为o ，在中心 点附近范围内，中心点左右两边的取值为一正一负。如果我们提取g ( c o ) 中g ( c o ) 的一次微分信息，进而可以得到激光频率偏离参考点中心的情况，对激光进行稳 频。这种稳频方式可以称为一次微分谐波稳频。 g 1 ( 缈) = 一( 2 口国+ 6 ) + g 1 ( 缈) 将g ( c o ) 与和调制信号同相的参考信号s i n ( o t ) 相乘，得到 g ( w ) s i n ( q t ) 将其做傅立叶展开，在此只计算直流项： 伽= ；声q 岣c 出= 争g m c 咖一c a a c o + a b 2 ，+ j 1 舻c 国， 可以看出，得到的直流成分里有超精细跃迁线型的一次微分函数，同时还有 多普勒背景的一次微分。由此可见，我们可以这样提取出谱信号的一次微分信号 用以作鉴频的参考，进而进行稳频。 综上所述，通过加调制的方法改变半导体激光器的外腔参数( 腔长，光栅转 角等) ，使输出激光的频率得到相应的调制，从而在对应的光谱输出有相应的强 度变化，然后我们对光谱强度的变化信号和调制信号相乘后提取其中的直流成 分，从而得到激光频率偏移参考中心频率的信息。再根据此信息由稳频系统向半 导体激光器反馈入相应的控制参量，就可以把输出光频率锁定在参考频率处。 1 4 第3 章半导体激光稳频系统 第3 章半导体激光稳频系统 3 1 激光稳频系统结构 激光稳频系统由五大模块组成：可调谐半导体激光器，精密电流控制，精密 温度控制，p z t 外腔驱动器，稳频电路系统( 伺服环路) 。精密电流 6 1 控制用于 向激光器提供电流电流的精度要求很高，半导体激光器电调率在g h z m a 的量 级，所以供电电流的起伏应控制在微安量级以下。精密温度控制用来控制半导体 激光器中工作物质的温度，其精度要求也很高，因为激光器的温调率很大，在 1 0 g h z k 的量级。p z t 外腔驱动器用于控制半导体激光器的外腔长，通过电压 控制p z t 驱动器就可以进行激光频率调谐。稳频电路系统的结构如图3 1 1 所示： 输出光 饱和光诺探测厂，1光电信号转换 薹嚣篓积分卜_ f 二每三二 卜 二三三三二二h 二兰兰 控制器 lilill 移相r 滤波 图3 1 1 激光稳频系统结构 稳频电路系统由几个部分构成，信号发生器，带通滤波整形，信号移相， 带通滤波放大，鉴相器，低通滤波放大。信号发生器提供稳频所需要的调制信 号，稳频的鉴相参考信号。它使得半导体激光器的输出频率以正弦规律有一微 小的变化，使其在后面的饱和光谱探测部分可以得到铷原子的饱和吸收谱线。 激光器的输出通过饱和光谱探测以后，经过光电信号转换转换为电信号。此信 号经过滤波( 主要是抑制调制信号的谐波) 后，输入鉴相器和调制信号进行相乘 1 5 第3 章半导体激光稳频系统 运算。由上文中对于微分稳频原理的分析可知，鉴相器的输出包含了激光器输 出频率和参考频率( 即铷原子跃迁频率) 进行比较的误差信号成分。此信号经过 低通滤波， 得到误差信号的微分信号。微分信号再通过比例加积分( p i ) 控制器放大以后反馈 到p z t 控制器，以控制半导体激光器的输出频率。信号移相是对信号的相位进 行移动，同时不改变信号幅度。半导体激光器稳频环路对信号相位会产生移 动，对鉴相会产生坏的影响，降低伺服环路的控制性能，所以这部分电路是需 要的。 3 2 比例加积分控制器设计与实现 3 2 1 比例加积分( p i ) 控制器原理 在自动控制领域，比例、微分、积分( p i d ) 控制【5 1 是广泛使用的一种反馈调节 方式。p i d 控制综