（电磁场与微波技术专业论文）外腔半导体激光器稳频技术研究.pdf

中文摘要 本文研究了利用乙炔气体的饱和吸收谱对1 5 3pm 光纤光栅外腔半导体激 光器进行稳频的理论，并着重分析了该系统的实验方案和实验结果。 论文首先对外腔半导体激光器做了简要概述，阐述了稳频激光器的应用、发 展及其重要意义。其次对两种主要的外腔结构光纤光栅外腔和闪耀光栅外腔 进行了讨论；并详细论述了稳频的原理，包括频率稳定性和复现性等相关概念、 稳频激光器的数学模型、影响频率稳定性的因素及频率稳定性的测量方法等；对 几种主要的稳频方法做了讨论和比较，并从吸收线的宽度和线型、饱和吸收稳频 的原理及优点、乙炔分子的吸收谱线等几个方面进行了研究。重点讨论了乙炔气 体分子饱和吸收稳频的理论，该种方法具有较高的稳定性，与外腔结构相结合， 能够很好地实现窄线宽、高稳定度单频激光器。 作为研究的重点之一，本论文详细讨论了应用于饱和吸收稳频光纤光栅外腔 半导体激光器的稳频伺服电路。该电路包括光电接收、1 k h z 正弦信号发生、3 倍 频以及鉴相滤波等几个部分。光电接收电路具有较高的灵敏度，在接收光功率仅 有0 1 1 4 m w 的情况下可以输出2 4 v 的电压，且噪声可以被很好地抑制；利用晶 体振荡器加分频的方法产生了稳定度很高的1 k h z 方波，再通过中心频率为1 k h z 、 q * l o 、h o = 1 2 的带通滤波器，得到曲线平滑，无其它谐波分量的1 k h z 正弦 波；3 倍频是通过锁相环电路实现的，通过中心频率为3 k h z 、q z l o 、h o = 1 的 带通滤波器，得到的正弦波的频率严格地为1 k h z 正弦信号的三倍，且两信号无 相位差；相位鉴别电路以双平衡混频器为核心，并通过差分放大和低通滤波电路 对混频信号进行处理，得到o 5 v 的直流误差信号。 此外，本文还研制了乙炔气体的吸收池，将其入射和反射端面设计成与激光 入射方向呈布儒斯特角，消除了反射光的影响并保证大部分能量可以继续向前传 播。吸收池被设计为长l o c m ，填充气压为1 5 t o r r ，这样既可以保证较高的饱和 度，又可以减小碰撞展宽带来的不利影响。 最后将整个系统连接起来进行调试。通过反复调整，确定了自由空间中的光 路，确保光电探测器能够很好地接收到经过乙炔吸收池之后的激光。以 p 。，( 旯= 1 5 3 5 3 9 3 n m ) 吸收线作为参考频率。系统的频率稳定度优于6 5 1 0 一，复 现性较高。 关键词：光纤光栅外腔半导体激光器、分子饱和吸收稳频、伺服系统 a b s t r a c t t h i sp a p e re m p h a s i z e si nr e s e a r c h i n gt h et h e o r ya n de x p e r i m e n to nu t i l i z i n g a c e t y l e n e sa b s o r p t i o no p t i c a ls p e c t r u mt os t a b i l i z ef r e q u e n c yo n1 5 1 m af i b e rg r m i n g e x t e r n a ls e m i c o n d u c t o rl a s e r f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r y a n da p p l i c a t i o n ss t a t u so fe x t e m a lc a v i t y s e m i c o n d u c t o rl a s e ra r eb r i e f l yi n t r o d u c e d t h e n ，t w op r i m a r ye x t e r n a lc a v i t yf a b r i c s a r ed i s c u s s e d ，i e f i b e rg r a t i n ge x t e r n a lc a v i t ya sw e l la sb l a z e dg r a t i n ge x t e r n a lc a v i t y t h i sp a p e rd e m o n s t r a t e st h ef r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o nt h e o r y , i n c l u d i n gt h er e l a t e d c o n c e p t so nf r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o na n dr e p r o d u e t i v i t y , t h em a t h e m a t i c sm o d e lo f f r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o nl a s e r , t h e f a c t o r so f f r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o n ，a n d t h e m e a s u r e m e n to nf r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o n ，e t c d i s c u s s i n ga n dc o m p a r i n go ns o m e m a j o rf r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o nm e a s u r e m e m s ，p u t t i n ge m p h a s e so na c e t y l e n em o l e c u l e s a t u r a t i o na b s o r p t i o nf r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o nt h e o r yf r o md e s c r i b i n gt h er e s p e c t so f t h ew i d t ha n ds h a p eo fa b s o r p t i o nl i n e ，t h et h e o r ya n da d v a n t a g eo fs a t u r a t i o n a b s o r p t i o nf r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o na n dt h ea c e t y l e n e sm o l e c u l ea b s o r p t i o no p t i c a l s p e c t r u ml i n e ，e t c w i t hh i g hs t a b i l i t y , t h i sm e t h o dc o m b i n i n gw i t he x t e r n a lc a v i t y , c a nr e a l i z et h ec h a r a c t e r i s t i c so f n a r r o wl i n ew i d t h ，h i 曲s t a b i l i t ya n ds i n g l e f r e q u e n c y l a s e r t h e r ei sf e wr e l a t e de x p e r i m e n tr e p o r t so nt h i sr e s p e c ti n l a n d ，e s p e c i a l l yo n 1 5 1 a mf i b e rc o m m u n i c a t i o nw a v eb a n d t h i sp a p e rd e s i g n st h ef b ge c s ls e l oc i r c u i t t h ew h o l es e r v oc i r c u i ti n c l u d e s t h e p h o t o e l e c t r i c i t yr e c e i v e r , 1 k h z s i nw a v eg e n e r a t o r , t r e b l e r , a n dp h a s e d i s c r i m i n a t i o n t h ep h o t o e l e c t r i c i t yr e c e i v e rw h i c hh a sh i 曲s e n s i b i l i t y , c a l lo u t p u t t h ev o l t a g eo f2 4 vw h e nt h er e c e i v i n gp o w e ri so n l yo 11 4 m w , a n dm e a n t i m e ，t h e n o i s ei sw e l ld e p r e s s e d 1 k h zs q u a r ew a v ei sg e n e r a t e db yd i v i d i n gt h ef r e q u e n c yo f c r y s t a lo s c i l l a t e r so u t p u ts i g n a l a n dt h e ni s b e c o m e1 k h zs i l lw a v eb yb a n d p a s s f i l t e rw h o s e c o o = 1 k h z ，q 1 0 ，h 0 = 1 2 t h i ss i nw a v ei sr a t h e rs m o o t ha n dh a sn o o t h e rr e s o n a n c ew a v e s t h et r e b l e ri sm a d eu po fp l lc i r c u i t i ti sb e c a m es i nw a v e b yb a n a s sf i l t e rw h o s ec o o = 3 k h z ，q 1 0 ，h 0 = 1 ，a n di t sf r e q u e n c ys t r i c t l ye q u a l s t ot h e3t i m e so ft h e1 k h zs i nw a v e t h e s et w os i g n a l s p h a s ed i f f e r e n c ei sz e r o d o u b l eb a l a n c e dm i x e r ( d b m ) i st h ec o r eo fp h a s ed i s c r i m i n a t i o n ，i t so u t p u ts i g n a l s a r ep r o c e s s e db yd i f f e r e n c ea m p l i f i e ra n dl o w p a s sf i l t e rt oa c h i e v ed ce r r o rs i g n a lo f 0 5 v t h i sp a p e ra l s od e s i g n st h ea b s o r p t i o nc e l lo fa c e t y l e n e ，b r e w s t e ra n g l er e m o v e s t h eb a de f f e c t so fr e f l e c tl i g h ta n d 鹪s u r c st h em a j o r i t yo fp o w e rc o u l dk e e po n t r a n s f o r m i n g t h i sc e l ti s1 0c ml o n ga n d1 5t o r r , t oe n s u r et h eh i g h e rs a t u r a t i o na n d l o w c rt h ec o l l i s i o nw i d t h f i n a l l y , t h ew h o l es y s t e mi sc o n n e c t e dt od e b u g a f t e ra d j u s t m e n t ，t h er o o to f l i g h ti nf r e es p a c ei sf i x e dt om a k es u r et h ep h o t od e t e c t o rc a nw e l lr e c e i v et h el i g h t f r o mc e l t r e f e r e n c ef r e q u e n c yi sa b s o r p t i o nl i n ep 1 7 ( 五= 15 3 5 3 9 3 n m ) t h es y s t e m s f r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o ni sb e t t e rt h a n6 5 x1 0 。a n dr e p r o d u c t i v i t yi sh i 【g h e r k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n ge x t e r n a l c a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s e r , f r e q u e n c y s t a b i l i z a t i o nb ys a t u r a t i o na b s o r p t i o n ，s e r v os y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：男 聊 签字日期：力多年月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘壅盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘生盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：习砌口 签字日期：办膨易年月知日 新签名：钮导师签名：、2 0 l 签字日期：加铸月勿日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 外腔半导体激光器概述 半导体激光器的问世使信息光电子技术产生了里程碑式的飞跃，它的发展不 过4 0 年的历史，却已经取得了举世瞩目的成就。概括起来，半导体激光器共经 历了三个发展阶段：同质结构注入型激光器、单异质结注入型激光器和双异质 结注入型激光器。到了8 0 年代，光纤通信已成为一个重要的产业，而外腔半导 体激光器由于其优良的性能，十分符合光纤通信对光源的要求，使得人们对它产 生了极大的兴趣o h ”。1 9 8 0 年，r l a n g 和k k o b a y a s h 首次将外腔反馈技术应用 到半导体激光器上，实现了线宽压窄和波长调谐”1 。外腔半导体激光器的研究从 此开始活跃起来。到了8 0 年代中后期，随着半导体工艺技术水平的提高，外腔 半导体激光器开始应用于光通信系统、相干计量检测、光谱频标等领域”1 。进入 9 0 年代，外腔半导体激光器开始在大范围内实现连续调谐，相应的线宽也可压 窄到l o o k h z 以下m n “。 外腔半导体激光器有许多突出的优点“”，如：结构紧凑、效率高、寿命长且 光谱特性优良，因此是光纤通信、光交换、光存储、光陀螺、光频标、计量检测 等领域必要的光源，另外，在激光打印、激光测距、光雷达、医学诊断、大气环 境污染监测等方面都有着广泛的用途。目前，外腔半导体激光器已成为相干光通 信、密集波分复用光纤传输系统以及宽带综合业务数字网中所需的关键部件。 1 2 稳频激光器的应用与发展 六十年代第一台激光器诞生以来，由于其良好的单色性和高能量密度，在精 密干涉测量、光频标、激光通信、激光陀螺等领域中得到了广泛的应用。在精密 干涉测量中是以激光波长( 或频率) 作为“尺子”利用光干涉的原理来测定各种物 理量( 如长度、角度、位移、速度等) ，所以激光波长或频率的准确度和稳定性会 直接影响测量的精度。在激光通信中，为了提高其接收灵敏度，一般采用相干的 外差接收，其激光频率稳定与否就直接影响接收的质量。但是，自由运转的激光 器，由于受到外界温度变化、大气变化、机械振动以及磁场的影响，激光频率是 不稳定的。要使激光器输出频率稳定就要通过稳频技术来解决，因此稳频技术就 成了现代精密测量应用中不可缺少的手段。 自从1 9 6 6 年霜田光一等人提出用甲烷吸收线来稳定激光频率后，激光稳频的 第一章绪论 研究进入了一个新阶段，频率稳定度很快就达到了i 0 1 1 1 0 1 2 量级。随着研究的 深入，人们发现了更多可以利用的谱线和稳频方法”1 。近年来，激光稳频技术 得到了飞速发展，主要原因如下： ( 1 ) 米定义的复现要求。1 9 9 7 年9 月，国际米定义咨询委员会( c c d m ) “3 1 总结了 激光稳频技术的发展，推荐了用5 3 2 n mn d ：y a g 倍频激光稳定在碘的饱和吸收谱线 上的频率和波长值。推荐值共有9 组，其激光波长值的范围为5 3 2 2 4 2 5 3 2 2 9 9 n m ，相应于碘吸收线的标记为1 1 i 1 1 1 0 4 “。 ( 2 ) 广义相对论效应，引力波等对当今科学具有极限意义的高精度测量需要 极高信噪比信号源的要求。美国在1 9 9 8 年由麻省理工学院与加州理工学院联合建 成两个l i g o ( t h el a s e ri n t e r f e r o m e t e rg r a v i t a t i o n a l w a v eo b s e r v a t o r y ) 中 心，要在4 公里长的测量臂上探测到厘米的微小变化。高稳定度的稳频激光器是 实现其探测的先决条件。法国、意大利、英国、德国、日本以及澳大利亚也开始 了这方面的努力。 ( 3 ) 大容量光纤通信的要求。随着数据通信的迅速增长推动着密集型波分复 用( d w d m ) 高容量光纤通信技术的飞速发展。减小不同激光波长间隔( 即压缩信道 间隔) 可增加传输信道的数目，使光纤通信传输的容量大幅度地提高。国际电联 已制定了一个3 2 信道波分复用传输标准，信道间隔仅为i o o g h z ( 0 8 n m ) 。目前 人们正在致力研究通道间隔仅为5 0g h z ( 0 4 n m ) ，甚至间隔小到2 g h z 的更高精 度的密集波分复用传输系统“”。在波分复用系统中，为了保证信道质量，有较高 的传输信操比，必须有效地抑制不同波长通道间的串扰。这就要求系统中的所有 元件都工作于指定的光谱范围内，无过分频移。因此在制造、安装和服务、维修 阶段，都需要检测激光器、滤波器和光纤光栅等关键元件的波长特性。目前测试 设备的精度已不能满足密集型波分复用光纤通信系统的要求。波分复用技术的快 速发展已产生了对1 5 u m 波段高精度稳频激光器的迫切需求。自9 0 年代开始日 本东京理工学院开始了此方面的研究，并在近两年取得了巨大进展“，采用气体 分子饱和吸收稳频方法，己成功地实现了对1 5um 波段可调谐激光二极管光源 的高精度稳频，绝对精度达1 5 0k h z ，长期稳定性为1 m h z 。美国国家标准技术 中心也采用此方法高精度地测量了光纤的一些特性参数“”，如模场直径、偏振光 色散和光纤聚合物外包层的直径。 此外，水下通信和海洋光学、相干测量与精密测量、光谱学和激光光谱、大 气和环境监测等应用领域也需要频率稳定的激光器。 1 3 论文创新点 本论文题目来自天津市科技发展计划项目智能型光纤放大器和光源的研 第一章绪论 究。本文根据乙炔气体分子的饱和吸收效应对外腔半导体激光器的稳频技术进 行了研究。乙炔气体在1 5ui n 波段具有丰富的吸收线，结合实验所用的半导体 激光器和光纤光栅的特性，选择了编号为p 。，( 五= 1 5 3 5 3 9 3 n m ) 的吸收线作为稳频 的参考频率。根据乙炔气体饱和吸收的反兰姆凹陷特性以及考虑到功率曲线背景 的影响，设计了提取三次谐波进行鉴相从而实现稳频的电子伺服系统。通过仿真 和实验研究，结合实际情况对电路参数进行调整，使整个系统可以正常、稳定地 工作。 1 4 论文的意义和内容安排 1 4 1 研究意义 稳频激光器在精密干涉测量、光频标、激光通信、激光陀螺等领域中得到了 广泛的应用。通过多年的研究，在中红外范围和可见光范围都取得了一系列的研 究成果，并且已经形成了一些标准。但是在近红外范围，特别是1 5um 光纤通 信波段的研究成果却很少。对于大容量的密集波分复用系统，又迫切需要频率稳 定的激光器。因此本论文具有相当重要的意义。 1 4 2 内容安排 本文分为六章： 第一章介绍了外腔半导体激光器的概况，稳频激光器的应用与发展。 第二章在查阅大量资料的基础上，对外腔半导体激光器的不同结构进行了分 析，并对激光器的稳频原理和稳频方法进行了分析。 第三章着重研究了饱和吸收稳频理论，分析了影响吸收谱线的线型、线宽的 各个因素、饱和吸收稳频的原理，重点介绍了乙炔分子的吸收谱线。 第四章从系统的功能出发，根据伺服电路所要实现的功能将电路分为三部 分，即光电接收、本振驱动、相位鉴别进行讨论。对于每一部分的可能实现方法 分别进行了讨论，选择了适宜本系统的一种方法，并进一步在器件选取、参数计 算、性能分析等方面展开了详细的论述。 第五章首先对乙炔分子饱和吸收稳频的光纤光栅外腔半导体激光器的整体 结构进行了论述，并讨论了激光器各部分的功能。其次根据上一章讨论的伺服电 路的原理，对电路的各部分进行了系统仿真，在仿真过程中选择较为理想的参数。 根据仿真结果，通过进一步的实验观察，验证伺服电路的可靠性，并根据实验情 第一章绪论 况对个别参数进行适当的调整，使电路更加稳定、可靠的运行。最后在电路调试 无误之后，对光路进行调节，特别是光纤输出后经过乙炔吸收池再被光电探测器 探测的这段在自由空间中传播的光路。 第六章对全文进行了总结。 4 第二章外腔半导体激光器稳频原理与方法 第二章外腔半导体激光器稳频原理与方法 2 1 外腔半导体激光器 所谓外腔半导体激光器就是在普通半导体激光器的发光面之外用光反馈元 件形成外腔，利用外腔将部分输出光反馈回有源区，通过反馈光和有源区光场之 间的有效相互作用，来降低激光器的噪声，压缩激光器线宽，增大波长调谐范围， 选取单纵模。与其它可调谐激光器相比，外腔半导体激光器有许多突出的优点， 如结构紧凑、效率高、寿命长，并且光谱特性优良、线宽窄、波长调谐范围宽等， 是较理想的、可用作稳频激光器的激光源。 常用的光栅外腔半导体激光器有两种：闪耀光栅外腔半导体激光器和光纤光 栅外腔半导体激光器。 根据闪耀光栅外腔半导体激光器的结构不同，可分为l i t t r o w 和l i t t m a n 两 种结构。前者是将普通激光器发射出的激光经透镜准直后入射到一工作于垂直入 射状态下的闪耀光栅上，形成衍射，转动光栅可使光栅平动实现调谐，l i t t r o w 结构如图2 - 1 所示，其中口既是入射角又是1 级衍射光的衍射角。 图2 - 1l i t t r o w 结构示意图 激光震荡的相位条件为： 埘五= 2 n l ( 2 - 1 ) 其中m 为正整数，是模式的级数； 为自由空间波长；n 为有效折射率，由 波导结构和激光模场结构决定；l 是激光器腔体的几何长度。改变光栅转角，激 光中心波长移动，此时，若腔长l 不变，则由上式必为m 变化，也就是发生了跳 模，造成不连续的波长调谐。若要实现连续调谐，则需要在改变光栅角度使反馈 第二章外腔半导体激光器稳频原理与方法 中心波长改变的同时，同步改变外腔腔长，使由相位条件决定的复合腔的模谱也 随之移动，从而保持激光模式不发生跳变。实现连续调谐时调谐结构满足的条件 是：外腔长l 与光栅衍射角0 的变化应保持同步，并满足下面关系式： n 口2 所以丹瑚r ( 2 栩 其中，d 是闪耀光栅常数的倒数，k 是外腔损耗引起的光衰减速率。 l i t t m a n 结构是l i t t r o w 结构的改进。与l i t t r o w 结构的区别在于它的光栅 是固定的，并工作于掠入射状态下。在l i t t m a n 结构中增加了一块平面镜，平面 镜可转动并可由压电陶瓷( p z t ) 控制进行平动，以此选择经由闪耀光栅扩束后 的不同波长光反馈到半导体激光器中，实现调谐以及压窄线宽的作用。 圈2 - 2l i t t m a n 结构示意图 级衍射 光 l i t t m a n 结构如图2 2 所示。激光器输出光经透镜准直后入射到闪耀光栅上 发生衍射，0 级衍射光输出，1 级衍射光作为反馈调节光。调节平面镜角度使1 级衍射光垂直镜面入射，这样l 级衍射光就会经由平面镜反射，按原路反馈回激 光器的有源区。在这种情况下平动平面镜，就可以调节外腔激光器的谐振腔长。 若转动反射镜，改变反射光到光栅的入射角可实现波长调谐。满足光栅相干条件 的波长为： q 兄= d ( s i n o t + s i nj o ) ( 2 3 ) 其中，口为衍射级次， 为激光器的波长，d 为光栅常数，角d 为入射光到光栅 的入射角，口为平面镜与光栅的夹角。 光栅的光学压塑能将输出垡童垄窒到太约! 鲤! ! 由此能调谐激光的波长范 ，、- - _ ，- _ 一 一 围大约为2 5 r u n 。虽然闪耀光栅可将激光器的输出光谱压窄，但由于闪耀光栅与 半导体激光器之间的腔是开放腔，受外界空气的温度、湿度变化影响较大，稳定 性较差，与光纤的耦合性也较差。 光纤光栅可以弥补闪耀光栅的以上缺点。因此光纤光栅外腔半导体激光器也 就成为一种比较重要的研究目标了。利用光纤光栅作为反馈元件的外腔半导体激 光器在很多方面都极适合作为d w d m 系统的光源。但与闪耀光栅相比，光纤光栅 的波长连续调谐的范围较窄。 第一二章外腔半导体激光器稳频原理与方法 r i r 2 r 3 网, l i l l r lj l = ll 一卜| l z + l 9 b g 图2 - - 3 光纤光栅耦合腔结构示意图 光纤光栅外腔半导体激光器结构如图2 3 所示。其中：r 、r 。为激光器的端 面反射率；r 。为光纤光栅反射率；l l 为激光器的腔长；l 。为激光器前端面到光纤 光栅的距离。 整个外腔半导体激光器的谐振腔在光栅和激光器外端面之间，光纤光栅用来 选模，处于其反射带宽内的激光模式被反馈注入激光管芯，使反馈光与有源区的 光相位匹配，通过模式竞争获得单模输出并实现线宽压窄。由于光纤光栅极窄的 滤波特性，激光器工作波长将被控制在光栅的布喇格反射峰带宽内，因此通过调 谐光纤光栅的布喇格波长就能够得到波长可以控制的激光输出。实验表明，通过 拉伸的方法可以使光纤光栅的布喇格波长改变在o 6 n m 左右。 2 2 激光稳频原理 对于一台自由运转的激光器和一台频率稳定输出的激光器，如何定量地判断 它们频率稳定状态的优劣呢? 我们将引入频率的稳定性( 又称稳定度) 和复现性这 两个物理量来衡量激光频率稳定的程度。激光器的输出频率受到外界的影响，本 节从理论推导出激光频率变化的数学模型，并分析影响激光输出频率稳定的各种 因素，从而寻找稳频的方法。 2 2 1 频率的稳定性和复现性 s c h a w l o w 和t o w n e s 在理论上计算了单模激光的线宽，他们的结论表明：一台 典型的单频连续气体激光器的输出线宽小于i h z ! 如此窄的线宽在实际应用中从 未观察到。因为，一台自由运转的激光器因受到周围环境各种因素的扰动，输出 的激光频率不是稳定的，而是经常随时间变动的。如果采取一定的稳频措施来自 动补偿其外界扰动所引起的频率起伏，则能使输出频率的变化减至很小。但实际 采用不同的稳频技术，所得到的稳频效果也不同。为此，引入频率的稳定性和复 现性来表征频率稳定的程度“”。 频率稳定性通常指激光器在连续运转时，在一定的时间间隔内平均频率( v ) 第二章外腔半导体激光器稳频原理与方法 与该时间内频率的变化量( v ) 之比，即 s ：二! 一 ( 2 4 ) av 显然，变化量v 越小，则s 越大，表示频率的稳定性越好。在技术上有时也把s 的倒数称为稳定度，即 s ：一a v ( 2 5 ) v 频率稳定度又可分为短期稳定度和长期稳定度：前者是指观测取样时间在1 秒以内的频率变化，而大于1 秒的观测平均时间就视为长期稳定度。 频率复现性是表示激光器在不同的时间、地点等条件下频率重复或再现的精 度。比如平时用尺子测量长度，不但要求尺子的长度稳定，而且要求尺子本身的 长度要符合标准。用激光进行精密测量也有类似的问题，如我们用同样方法稳频 的甲激光器和乙激光器的频率可能有差别( 尽管两台激光器的结构和运转条件等 都相同) 。或者用同一台稳频的激光器，在甲地使用时稳定度为1 0 4 ，频率稳定在v 上，在乙地使用时稳定度不变，但是稳定在v 上；或在同一地点测量时某一天频 率稳定在v 。上，相隔数天后稳定度不变，但频率却稳定在v ”上。由于每次所稳定 的频率值有微小的差别，则会使测量的数值不准确。我们把这种在不同地点、时 间、环境下稳定频率的变化程度称之为频率复现性，用下式表示： r ：一8 v ( 2 6 ) v 式中西表示在不同情况下的频率改变量。v 为不同条件下测量的平均频率。 由此可见，频率的稳定性和复现性是两个不同的概念。所以对一台稳频激光 器，不仅要看其稳定度，而且还要看它的频率复现性如何。 2 2 2 激光频率变化的数学模型 从激光原理可知，激光振荡频率既受原予跃迁谱线频率的影响，又受光 学谐振腔谐振频率屹的影响，若原子跃迁谱线的宽度为，谐振腔的诣线宽度 为a v e ，则激光振荡频率可表示为 。：兰t 兰! 垒当垒兰!( 2 7 ) 4 珞手v a v 。 这是在小振幅时忽略了饱和效应的一次近似式。在近红外和可见光波段，其 ( 多普勒线宽) 一般不小于1 0 3 一1 0 9 h z ，而谐振腔的振荡线宽a v c 约为1 0 6 一1 0 7 h z 8 第二章外腔半导体激光器稳频原理与方法 量级，所以式( 2 4 ) 可简化为 归v c 地- v c ) 瓮 ( 2 8 ) 上式说明：激光器的振荡频率是由原子跃迁谱线频率及谐振腔的谐振频率共同决 定的，二者的变化均会引起激光频率的不稳定；谱线对振荡频率的影响由式( 2 - 8 ) 中的第二项以频率牵引效应表示出来，牵引效应的比例系数为坐，在一般情况 下，频率牵引效应很小，而谐振腔的谐振频率对环境影响很敏感，故激光频率的 稳定性主要取决子谐振腔谐振频率的稳定性。 在不考虑原予跃迁谱线频率微小变化的情况下，激光振荡频率主要由谐振腔 的谐振频率决定，即有 v = 口j 二( 2 9 ) 。2 比 式中，l 为腔长；c 为光速；n 为腔内介质的折射率；q 为纵模的序数。从式中可 以看出，若腔长或腔内的折射率n 发生变化，则激光振荡频率也将变化。 a v = - q c t 篆+ 舄一“等+ 争( 2 - 1 0 ， 即 h = 吲+ 蚓( 2 - 1 1 ) 故激光频率的稳定问题，可以归结为如何设法保持腔长和折射率稳定的问题。 2 2 3 影响激光频率稳定的因素 从以上分析可以看出，凡是对激光器谐振腔的长度和折射率产生影响的因 素，都会影响到激光输出频率的稳定性。总结起来有以下几个主要外界因素。 ( 1 ) 温度变化的影响环境温度的起伏或者激光管工作时发热，都会使腔材 料随着温度的改变而伸缩，以至引起频率的漂移。由于其变化系缓慢进行，故主 要影响频率的长期稳定性。在半导体泵浦的固体激光器中，激光二极管的温度变 化会影响其输出功率，而激光晶体和倍频晶体的温度变化不仅影响其折射率，而 且会影响到彼此之间的匹配，造成输出功率以及频率的不稳定。 ( 2 ) 大气变化的影响对于外腔式激光器，其谐振腔除了放电管以外，有一 部分是暴露在大气中的，大气的温度、气压、湿度的变化都会引起大气折射率的 变化，从而导致激光振荡频率的变化。实验证明：外腔式激光器由于通风引起的 空气扰动，能在几秒钟内产生几兆赫的快速脉动，所以要求外腔激光器暴露在大 9 第二章外腔半导体激光器稳频原理与方法 气中的部分应尽可能减少，并且必须屏蔽直接通风。 ( 3 ) 机械振动的影响外界的机械振动，如建筑物的振动、车辆的通行、声 响等都会引起谐振腔的支架振动，因而使谐振腔的光学长度改变，导致振荡频率 的漂移。如一个1 0 厘米长的氦氖激光管，由于机械振动使腔的反射镜片振动位移 4 埃( 1 埃= i o “o 米) ，就会引起振动频率约1 兆赫的变化量。因此，为了克服机械振 动的影响，稳频激光器必须采取良好的防震措施。 ( 4 ) 磁场的影响为了减小温度影响，激光谐振腔间隔器多采用殷钢材料， 但殷铜的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化，因而地磁场效应和周围电子仪器的 杂散磁场对高稳定激光器或由磁场效应稳频的激光器的影响必须加以考虑。 ( 5 ) 激光管放电噪声的影响放电噪声属内部影响，这是由于激光管内等离 子体振荡造成放电电流的变化，引起激光上能级粒子数脉动，从而使激光输出的 频谱中产生白噪声，其量级为总功率的百分之几。激光的直流电源、镇流电阻与 激光管形成的回路中的振荡常产生千赫范围内的强度变化，也会产生功率百分之 几量级的变化。尤其在l o h z i m h z 的低频范围内，经常出现尖峰，这与放电中的 移动辉纹有关。改变放电电流，输出中的噪声谱会发生变化，从而可以选择最佳 放电电流来取得最小噪声的输出频谱，由此获得较高的频率稳定度。 ( 6 ) 内部光反馈的影响反馈光在谐振腔内的综合效应会对稳频激光产生 十分不利的影响，严重时会破坏频率的稳定。 但如果反馈光来自于激光器自身，例如激光反射镜后表面所产生的反射光重 新进入谐振腔的情况，可以使镜片两个平面间具有一定的锲角，就可避免这种类 型的光反馈。其次，由于热效应会引起镜子温度的变化，使反射光的相位改变， 这虽然对稳频时的频率稳定度并无直接的影响，但它使激光功率产生很大的波 动，严重时功率波动可高达5 0 。 光反馈效应引起的反射率变化使腔内功率产生波动外，还会引起输出功率调 谐曲线的不对称性，使增益线中心或兰姆凹陷中心发生偏移，从而影响作为参考 的频率复现性。 综上所述，环境温度的变化、机械振动等外界干扰对激光频率稳定性影响很 大，因而，最直接的稳频方法就是恒温、防震、密闭隔声、稳定电源等。然而， 由于激光频率对环境影响的极端敏感，即使采取严格的措施，自由运转的激光器 频率稳定性和复现性也不能达n i o - 8 量级“”。为了进一步改善频率稳定性和复现 性，必须使用电子伺服系统对激光器进行自动控制，即主动稳频的方法。由上式 ( 2 1 1 ) 可知，在保持折射率不变的情况下，稳频技术的实质就是保持谐振腔光 学长度的稳定。主动稳频需要选取一个稳定的参考频率，当外界影响使激光频率 偏离特定的参考频率时，可以通过频率鉴别，由电子伺服系统自动调节腔长，将 1 0 第二章外腔半导体激光器稳频原理与方法 激光频率回复到特定的参考频率而达到稳频的目的。对于大多数半导体激光器都 能找到个相应的原子或者分子的吸收谱线作为参考频率来实现稳频。例如半导 体激光器在1 5 3 0 h m 附近有几十条乙炔振转吸收线可以作为频率参考，这也正是 其优势所在。 2 2 4 频率稳定度的测量 频率稳定度的测量一般有两种方法：频谱仪法和拍频法。 所谓频谱仪法就是通过频谱仪观察在长时间运行情况下激光频率随时间的 变化情况，并根据式( 2 5 ) 计算出频率达稳定度，是最常用的一种方法。 由于激光的频率极高，直接测量频率的稳定度是很困难的，用一般电子仪器 也无法将极高的光频变化显示出来，所以利用“拍频”的方法进行相对测量。这 有些类似电子技术中的差频技术，将两列光波进行混频，所得之差频信号为射频 信号，可以用电子仪器进行测量、显示，其数据则采用阿仑( a l l a n ) 方差进行处 理。 利用激光的相干性，当两束激光叠加在一起时，所出现的初相位的差值是一 个暂时稳定或缓变的关系，因此会产生干涉现象。从两束不同频率的光波之间的 可相干性提供了一种测量光波频率稳定性的方法，称之为“拍频”技术。 设有频率相差很小的两束光波，一束的角频率为q ，另一束为哆= q + a m ， 则其合成振动为 贝，) = 4 c o s ( r o e + 弼1 ) + 4 c o s ( 哆f + 仍) ( 2 1 2 ) 令 石。昙( 嵋+ q ) ：q + a 珊 ( 2 1 3 ) 为平均频率，并且觋和仍都不随时间变化，应用三角函数的和差化积公式，则 上式可以写成 l 一一 y o ) = 2 4 c o s 圭( 研+ 妒) c o s ( 吐臂+ 妒) ( 2 一1 4 ) 式中妒= 仍一仍，石= 三( 敛+ 仍) ，上式仍然可以看成一个高频的准简谐振动， 其频率为石，其振幅是随时间缓慢变化的函数2 4 c 。s 圭( 耐+ 妒) ，其极大值为 2 4 ，极小值为零。将振幅平方就是这个合成振动的光强 第二章外腔半导体激光器稳频原理与方法 1 ( 0 = 4 4 2 c o $ 2 - ( a c o t + 妒) ( 2 1 5 ) 二 可知光强也是随时间周期地变化着，两次零光强之闻的间隔时间是t = 2 z l a o ， 即叠加之后的光强是以频率为a c o l 2 z 、幅度从0 到4 a 。2 之间变化着，这个频率称 为“拍频”。拍频现象也说明了两束不同频率的波动叠加以后是能够产生干涉 的。 用拍频技术测量激光的频率稳定度，用双取样阿兰方差的表达式为 鼠：一a 2 ( 2 , r ) ；三 ( 2 1 6 ) 式中，v 为激光平均频率，。是相邻差频信号的频率，f 是取样平均时间， 1 2 是假定每一台激光器对差频频率起伏具有相同作用的因子。因此，只要在数 字频率计上测出n 组相邻差频频率序列，通过上式即可计算出取样时间下内每台 激光器的频率稳定度。 拍频法虽然测量的较为精确，但需要有两个激光器才可以进行测量，因此成 本高，使用较少。 2 3 激光频率稳定的方法 稳频技术的实质就是保持谐振腔光程长度的稳定性。主动稳频技术就是选取 一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏离此特定的标准频率时，能 设法鉴别出来。再人为地通过控制系统自动调节腔长，将激光频率回复到特定的 标准频率上，最后达到稳频的目的。 主动稳频的方法很多，总的来说可以分为两类。一类是利用原子谱线中心频 率作为鉴别器进行稳频，如兰姆凹陷稳频法；另一类是利用外界参考频率作为鉴 别器标准进行稳频，如饱和吸收稳频法。兰姆凹陷稳频装置比较简单，是应用较 早的一种气体激光稳频方法，其频率稳定度为1 0 1 量级，主要缺点是复现性差。 原因是有约为1 5 0 k h z p a 的压力频移。由于各激光管充气压力的差别以及使用过 程中的气压变化，复现性仅能保证1 0 1 量级，这就限制了它在更高精度测量中应 用。1 9 6 6 年以后又发展了采用饱和吸收稳频的方法，即采用一些分子气体的吸收 线作为参考频率的方法。这样，基态的吸收线避免了放电扰动，低压气体减小了 压力加宽，能级寿命长自然加宽也小，这些部位吸收峰的宽度变窄，而有利于提 高频率稳定度。常用的饱和吸收分子主要有碘( i 。) 、甲烷( c l - h ) 和乙炔( c 2 h 。) 等。 ”i 。和”i ：在可见光区有大量的强吸收线，因此是6 3 3 n m 和6 2 1 n m 的h e n e 激光器、 第二章外腔半导体激光器稳频原理与方法 5 1 5 n m 的a r + 激光器稳频的最佳饱和吸收分子，其频率稳定度可达到1 0 - 1 2 以上o “。 采用甲烷( c h 4 ) 稳定的3 3 9 pm 的h e n e 激光器，首次得到了可与微波频标相比的 频率稳定度”1 。c 0 2 稳频激光器在早期是采用c 0 2 的饱和荧光稳频，但由于压力加 宽和信噪比间的矛盾，稳定度仅为1 0 1 2 ，复现性为1 5 1 0 “咄”。后来对s r 的饱 和吸收分子进行了实验，得到了5 x 1 0 1 4 ( f = l o s ) 的频率稳定度。但是s f 6 具有通 常的系统不能分辨的超精细结构，因此，复现性只有1 0 - 1 0 。乙炔( c 。h ：) 在1 5um 波段有几十条强烈的吸收峰，非常适合于作为通信用光源的参考频率。对闪耀光 栅作外腔的d f b 激光器进行稳频，得到了1 0 _ 1 2 ( f l s ) 的频率稳定度，复现性为 1 0 1 吡。本课题采用后一类稳频方法，即以1 5 3 4 n m 附近乙炔的吸收谱线作为稳频 参考谱线，实现对半导体激光器的频率稳定。为了理论的完整，下面将把两类稳 频方法都作一简要介绍。 2 3 1 兰姆凹陷稳频 兰姆凹陷法以增益曲线中心频率v o 为参考标准频率，电子伺服系统通过压电 陶瓷控制激光器的腔长，使频率稳定于。图2 4 为兰姆凹陷稳频系统示意图。 压电陶瓷激光器 图2 4 兰姆凹陷稳频系统不恿图 激光管是采用热膨胀系数很小的石英做成外腔式结构，谐振腔的两个反射镜 安置在钢架上，其中一块反射镜贴在压电陶瓷上，当压电陶瓷外表面加正电压、 内表面加负电压时压电陶瓷伸长，反之则缩短，因而可利用压电陶瓷的伸缩来控 制腔长。图2 - 5 表示兰姆凹陷稳频的基本原理。在压电陶瓷上加个直流偏压和 一个频率为，的音频调制电