半导体激光稳频的长期锁定与集成化技术研究

硕士研究生学位论文题目半导体激光稳频的长期锁定与集成化技术研究摘要本文设计了高性能的集成化半导体激光稳频器，发展了半导体激光稳频的长期锁定技术，实现了连续锁定时间长、短期稳定度高的半导体激光稳频系统。一设计了高性能的集成化半导体激光稳频器1整体规划稳频伺服电路的结构，完成各部分的电路设计和仿真；2将伺服电路的所有功能单元集成到小型电路板上，并安装在操作界面友好的模块盒内；3集成化的设计保证了稳频器的高可靠性及便携性，使其具备商业化应用潜力。二发展了半导体激光稳频的长期锁定技术1深入研究了稳频半导体激光器的失锁原因，测量了激光自由运转的频率漂移；2提出了提高稳频激光连续锁定时间的关键技术并应用于本文的激光系统，主要包括比例积分控制、PZT高压驱动、环路滤波带宽三方面；3深入研究了半导体激光控温技术，对控温电路参数进行优化，实现了高精度、高准确度的半导体激光控温系统。三实现了连续锁定时间长、短期稳定度高的半导体激光稳频系统1搭建了两台780NM的稳频半导体激光系统及其拍频测量系统；2得到高信噪比的87RB超精细饱和吸收光谱的一次微分曲线并实现激光频率的锁定，秒级稳定度达到了；14303将两台激光锁定在87RBD2线的两个超精细饱和吸收光谱上，同时保持频率锁定状态超过了100小时；4测量和证明了稳频激光的频率漂移和系统环境温度漂移的强相关性。关键词半导体激光器，激光稳频，温度控制，频率稳定度，连续锁定时间LONGTIMEANDINTEGRATEDFREQUENCYSTABILIZINGTECHNIQUEFORSEMICONDUCTORLASERSTONGZHOURADIOPHYSICSDIRECTEDBYPROFESSORXUZONGCHENWEDEVELOPEDTHELONGTIMEFREQUENCYSTABILIZINGTECHNIQUEFORSEMICONDUCTORLASERS,DESIGNEDANDREALIZEDTHEHIGHPERFORMANCEINTEGRATEDFREQUENCYSTABILIZERFORSEMICONDUCTORLASERS,ANDREALIZEDAHIGHLYSTABLEANDACCURATETEMPERATURECONTROLSYSTEMFORSEMICONDUCTORLASERSTHROUGHOPTIMIZATIONOFTHECIRCUITPARAMETERSAFTERTWOFREQUENCYSTABILIZEDSEMICONDUCTORLASERSAT780NMANDCORRESPONDINGFREQUENCYBEATSYSTEMWEREESTABLISHED,THETWOLASERSWERECONTINUOUSLYFREQUENCYSTABILIZEDFOROVER100HOURS,ANDTHEFREQUENCYSTABILITYATOFEITHERLASERWAS1SASLOWASINADDITION,WEDISCOVEREDASIGNIFICANTCORRELATIONBETWEENTHE1430STABILIZEDFREQUENCYDRIFTANDTHESYSTEMTEMPERATUREDRIFTINOUREXPERIMENTINTHISPAPER,WEFIRSTDISCUSSEDTHEPRINCIPLEOFTHEEXTENDEDCAVITYDIODELASER,THESATURATEDABSORPTIONSPECTRUM,ANDTHEFREQUENCYSTABILIZINGMETHODFORSEMICONDUCTORLASERSINTHESECONDPART,WEPRESENTEDTHEDESIGNANDREALIZATIONOFOURINTEGRATEDFREQUENCYSTABILIZERFORSEMICONDUCTORLASERSTHIRDLY,WEPROPOSEDANDELABORATELYEXPLAINEDTHELONGTIMEFREQUENCYSTABILIZINGTECHNIQUEFORSEMICONDUCTORLASERSWEALSOCONDUCTEDINDEPTHRESEARCHONTHEOPTIMIZATIONOFTHETEMPERATURECONTROLSYSTEMFORSEMICONDUCTORLASERSINTHISPARTINTHEEND,THERESULTANDDATAOFOURFREQUENCYSTABILIZATIONEXPERIMENTSWEREREPORTED,INCLUDINGTHEFREQUENCYSTABILITY,THECONTINUOUSLYLOCKEDTIME,THEINFLUENCEBYTHESYSTEMTEMPERATUREDRIFT,ETCKEYWORDSSEMICONDUCTORLASER,FREQUENCYSTABILIZATION,TEMPERATURECONTROLFREQUENCYSTABILITY,CONTINUOUSLYLOCKEDTIME目录引言1第一章原理综述311被控源外腔半导体激光器3111半导体激光器的基本原理和特性3112外腔半导体激光器的线宽压窄和频率调谐812参考谱线原子超精细结构的饱和吸收光谱12121饱和吸收光谱的原理12122饱和吸收光谱的观测1413半导体激光稳频技术15131半导体激光的稳频原理15132微分稳频技术18第二章集成化激光稳频器的设计与实现2121稳频电路系统的基本框架2122调制与参考信号源的设计与实现22221晶振与分频23222窄带滤波整形24223相位移动模块2623相位检测模块的设计与实现30231带通滤波放大31232相位检测器32233低通滤波放大3324集成化半导体激光稳频器的实现34第三章稳频激光的长期锁定技术研究3631稳频外腔半导体激光器的失锁原因研究3632比例积分PI电路3733外腔半导体激光器自由运转的频率漂移测量3934提高稳频激光长期锁定能力的关键技术41341比例积分控制的低频响应改进及参数最优化设置41342PZT高压驱动的高增益设计及长程外腔PZT的选用44343伺服环路滤波带宽的合理设计44第四章半导体激光的控温技术研究4641半导体激光控温系统概述4642控温反馈的核心比例积分控制4743齐格勒尼柯尔斯整定规则5044高精度、高准确度的半导体激光控温系统的实现5245不同控温对象的控温系统特性研究57451新控温对象的反馈参数整定57452不同控温对象的控温系统特性对比61第五章半导体激光稳频实验6351实验系统描述63511饱和吸收光路64512拍频测量系统655287RB超精细饱和吸收光谱的一次微分曲线观测6753外腔半导体激光器的频率锁定6954半导体激光稳频的拍频测量和频率稳定度7055稳频半导体激光长期锁定的实现7456系统环境温度漂移对稳频半导体激光系统的影响75研究工作总结79参考文献81个人简历、在学期间的研究成果83致谢85引言时间，作为一个极为基本和重要的物理量，人类一直在追求其更高的计量准确度和稳定度。从上世纪四五十年代射频波谱学的发展中，人们逐步了解到，某些原子或分子的波谱谱线非常窄，其中心频率却是极其稳定的，并且很少受到外界的干扰。因此，人们很自然地想到了利用原子或分子发射或吸收的电磁波频率作为时间频率的标准。现代激光稳频技术正是利用某些原子或分子跃迁谱线的极其稳定的中心频率作为可参考的标准频率，用来校正或锁定输出激光的频率。自1962年第一支半导体激光管问世以来，半导体激光器的性能得到了很大的提高，各种类型的新产品不断涌入市场。由于半导体激光器具有体积小、效率高、成本小、结构简单、以及便于调谐等优点，目前已被广泛应用于激光光纤通信、激光测距、激光医疗、激光印刷、激光唱机等方面，此外在激光光谱、原子分子物理、量子频标、原子核物理等基础研究领域也发挥着重要的作用。将激光频率锁定在原子或分子跃迁谱线上的稳频半导体激光器，由于其在精密测量1、激光通信、原子钟2、原子分子光物理AMOPHYSICS3,4,5等方面的广泛应用，在科研和工业领域越来越受到重视。半导体激光器体积小、高靠性高、可调谐范围广6等优点，使得其成为用于频率锁定的理想信号源7。现代半导体激光稳频率技术需要的相关技术领域有激光物理、激光技术、电子学以及计算机控制等。随着电子技术的发展，各种稳频方法相继问世，目前常用的有兰姆凹陷稳频、塞曼效应稳频、双频激光稳频、饱和吸收稳频8等。兰姆凹陷稳频在工业技术上的应用最为广泛，其频率稳定度约为1010，而复现性仅为107，塞曼效应稳频和双频激光稳频的频率稳定度和复现性同样不高。这三种方法的共同特点就是利用激光工作物质本身的谱线作为参考，易受放电管工作不稳定等因素的影响，其频率稳定度和复现性不可能有很大改善。为了进一步提高稳频激光的频率稳定度，必须考虑采用独立的原子或分子谱线作为稳频的参考频率。稳频激光的长期锁定能力（连续锁定时间）是一台稳频激光器的重要指标。在稳频激光器的诸多应用中，均要求激光器能够提供长期连续锁定的稳频激光，比如高精度的原子钟系统、玻色爱因斯坦凝聚9等冷原子实验系统等。本文采用了饱和吸收光谱技术和自主提出的半导体激光长期稳频技术，使用自主设计的集成化半导体激光稳频器，将两台780NM外腔半导体激光器锁定在87RBD2线10的2个超精细饱和吸收光谱上11,12，并使它们同时保持频率锁定状态超过100小时，稳频激光的秒级稳定度达到了。1430本文还对半导体激光控温系统的优化进行了理论和实验的研究，实现了高精度、高准确度的激光控温系统。系统稳定后在10分钟内外腔半导体激光器的温度涨落，平均剩余误差。015OTC04OREC第一章原理综述11被控源外腔半导体激光器111半导体激光器的基本原理和特性半导体激光器主要由激光管、驱动电源和准直支架三部分构成。其中激光管是激光器的核心部分，它利用少数载流子注入产生受激发射。半导体激光器发射激光也必须具备三个条件粒子数反转、谐振腔和激励源。由于构成半导体激光管的晶体材料不同，半导体激光器按结构可分为PN结激光器、异质结激光器和分布反馈式激光器。图11半导体晶体中的费米能级示意图半导体晶体是构成半导体激光器的工作介质，由于晶体内部电子的共有化运动，使得半导体内部原子的能级形成能带结构，如图11所示。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，其宽带常用EG表示。对于直接跃迁，若电子吸收一个光子，它将从价带顶跃迁到导带底，反之，若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满足11GEH当加在半导体晶体中的PN结两端电压V满足12G时，相互作用用区的电子准费米能级和空穴准费米能级则满足受NFPFE激发射的粒子数反转条件13GPFNFE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PN结两端加上合适的电压，使载流子形成反转分布，即导带中拥有电子，而价带中留有空穴。导带中的电子向下跃迁至价带，发生电子和空穴的复合，跃迁时发出光子，又由于谐振腔的反馈作用使其产生激光。对于半导体激光器，激光输出的波长由腔长和激光增益决定。假设激光波长由接近于增益峰值频率的腔模决定，即CTPM14LNC/2其中15ITTP注意到折射率NT与温度有关16NT0而增益峰值频率又由禁带宽度决定。当温度变化时，禁带宽度EGT也随之变化17/20THOEG可得18TP于是激光波长和温度T的关系为C/0/2INT/2200THTCLTPC19这样可得下图所示的关系曲线TC图12半导体激光频率和温度的关系从图12可以看出，由于腔模的分裂，导致了激光输出模式的跳变。为了表述激光频率（波长）随温度的变化率，定义温调率为110DTFET对于一般的激光管，。60/TGK当改变激光器的工作电流I时，由于电流流过激光介质产生的热效应也会改变激光频率，这种激光随工作电流的变化率称为电调率111DTFEI以SDL5420型激光管为例，下图为它的J关系曲线（注意到其中也有模C式跳变的现象）图13半导体激光频率和工作电流的关系半导体工作介质实现粒子数反转后，光在谐振腔内传播时就有增益，但能否有效地形成激光振荡，还与腔内损耗有关。只有当光在谐振腔内来回传播一周的过程中，增益G大于损耗A时，才能满足振荡的阈值要求。图14半导体激光介质腔示意图对于图14所示的激光谐振腔，有112212,0,GALRIEI则形成激光振荡的要求为11321GALR即11412LNL上式的第二项为输出端面引起的损耗，腔长L越短，这个损耗就越大。半导体激光器是固体激光器，其能产生受激辐射的粒子密度要比气体激光器的相应粒子密度大几个数量级，因此其增益系数远远大于气体激光器的增益系数。这样，半导体激光器的谐振腔长就可以比气体激光器短很多，同时其谐振腔端面的反射率也不必很高。对于GAAS半导体激光器，其增益G与工作电流I成线性关系115I则其阈值电流为116121LNTHIALR由此可见，阈值电流与谐振腔端面的反射率有关，当一个端面镀上全反膜时，可以降低阈值电流，另外增大谐振腔长时，也可以降低阈值电流。半导体激光器的输出功率为117/THPHEI其中为量子效率。以SDL5420型激光管为例，下图为它的PI关系曲线，可以看出其阈值电流。30THIMA图15SDL5420型半导体激光器输出功率与工作电流的关系112外腔半导体激光器的线宽压窄和频率调谐对于半导体激光器，半导体激光的线宽是非常重要的指标。目前通用的半导体激光器线宽一般为，这个水平可以满足光纤通信等一般应用的MHZ105要求，但是对于很多基础研究的领域来说远不能满足要求。我们需要设法压窄半导体激光的线宽，半导体激光线宽的压窄方法主要有两种电反馈法和光反馈法，其中光反馈法由于结构简单已经得到普遍采用。在半导体激光器的工作过程中，腔内同时存在着受激辐射和自发辐射。由于自发辐射产生光子的相位是随机分布的，彼此不具有相干性，这种相位的随机分布就形成了输出激光的线宽下限，又叫激光的本征线宽，具体计算由关系给出（只适用于单模激光）TOWNESSHAL118PHC2其中为激光的输出功率，是无源腔的自然线宽，由下式表示PC119/21CLC其中为腔长，为光腔的损耗。LA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短许多，这样它的本征线宽就会比气体激光器大很多。引入，其中为半导体激光介质的折射率。在半导体激光21/NA21IN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。12A图16半导体激光器的外腔光反馈为了有效地压窄现有半导体激光器的线宽，常用的是利用外腔光反馈的方法，如上图所示。通过FOX腔光反馈的方法压窄线宽可以从两个方面来分析，一方面，外腔光反馈可以增加激光器的腔长；同时，外腔光反馈引入了反馈，有利于增加受激辐射而抑制自发辐射。当有外腔反馈时，半导体激光管本身的电调率与温调率都将变小，主要受到外腔的控制。半导体激光器的频率调谐就是通过改变半导体激光器的工作温度、工作电流或外腔参数等来得到输出激光频率的相应改变。在大多数应用场合下，要求激光频率可以做连续的调节，同时激光必须是单模并且压窄的线宽。通过采用调节外腔参数的方法可以实现激光频率的调谐。这里，这里主要介绍两类外腔半导体激光器的调谐原理AFOX型外腔半导体激光器的腔长调节这类半导体激光器的外腔结构见图16，根据激光纵模条件（120）ML2其中是外腔的腔长，一般远大于半导体介质腔的腔长，是外加半反面到LL最远的介质腔面的距离，是纵模数，是波长。由上式可以得到外腔长和激光频率变化的关系（121）002ML在不发生跳模的情况下，激光频率的连续改变可以通过改变外腔长获得。BLITTROW型外腔半导体激光器的光栅调节LITTROW型外腔半导体激光器是常见的商用可调谐激光器，其结构如下图所示。这类半导体激光器也是通过加外腔的方式压窄了线宽，不过它还引入了光栅反馈，使得激光线宽进一步压窄，同时通过改变光栅转角就可以获得更好的激光频率调谐。图17LITTROW型外腔半导体激光器的结构我们先来看闪耀光栅的闪耀特性，如图18所示。其中0级反射光沿平面反射的方向出射，而其它级反射光的反射角度则取决与入射光的波长或频率，这就是闪耀光栅的选频作用。图19是LITTROW结构激光器的光栅反馈示意图，利用闪耀光栅的选频特性，选择适当的入射光频率和入射角度，使闪耀光栅只有0级和1级反射光，0级反射光作为出射激光，而1级反射光作为反馈光，构成激光器的外腔。当闪耀光栅旋转时，激光器的腔长改变，入射光的波长和入射角也随之改变。由于闪耀光栅的选频作用，1级反射光的反射角也随之改变，使1级的反射光可以仍然按原路返回激光器，这就是调谐激光波长的基本原理。其中，图18中的激光波长应满足布拉格条件（122）MDSIN通过改变半导体激光器的工作电流得到输出激光频率的相应改变也可以实现激光频率的调谐，这种频率调谐的原理在于当改变激光器的工作电流I时，由于电流流过激光介质产生的热效应会改变激光频率，从而造成激光频率随工作电流的变化。我们来看SDL5420型激光管的J关系曲线C图110半导体激光频率和工作电流的关系可以看出，在不发生跳模的情况下，输出激光的频率与通过激光管的电流成良好的线性关系。因此，当控制好工作电流的范围和其它参数使得激光不发生跳模时，频率调谐就容易得以实现，但是需要注意的是，半导体激光器对电流的变化很灵敏，很容易造成损坏，因此需要注意调谐信号的幅度。笔者的半导体激光稳频实验就是采用的电流调谐的调制方式。1级图18闪耀光栅的闪耀特性闪耀光栅闪耀光栅图19LITTROW结构激光器示意图入射光0级1级激光器1级0级12参考谱线原子超精细结构的饱和吸收光谱121饱和吸收光谱的原理激光的饱和吸收光谱技术是一种常用的精密激光光谱技术，其基本原理是利用单色可调谐激光，将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111铷原子的饱和吸收光谱上图所示是铷原子的饱和吸收光谱。实验中，按照下图将半导体激光射入铷吸收池，扫描激光频率，同时探测出射光的强度，就可以得到如上图中的向下倒置大的多普勒吸收峰。如果此时再加上另一束反向激光，就可以观察到在多普勒吸收峰背景上会出现一些向上尖锐的小峰，这些小峰正是零速铷原子的饱和吸收峰。图112饱和吸收光路若频率为和波矢为的激光入射到具有热速度分布的铷原子上，由于原WK子运动产生的多普勒频移，原子的运动坐标系中观察到激光的频率为，ZKW其中为原子的速度，而只有由多普勒频移到与场共振的那些原子才能与激光Z场相互作用，下面进行具体分析。对于一个二能级原子，假设其基态能级为E1，激发态能级为E2，则原子跃迁的共振频率为123120W设对应能级的均匀加宽为，若激光的波矢K方向沿轴正向，原子的速度Z为，速度间隔为，则可以与激光产生共振吸收的原子满足如下关系ZZV124WKZZ0初始状态能级E1上分子的速度分布满足麦克斯韦分布，因此能级E1ZDN1上的总粒子数是。由于饱和，在附近间隔ZDNN1KZ/0内吸收分子的粒子数密度减少，而上能级E2的粒子数密度对应地KDWZ/增加，这样就引起粒子数分布上的凹陷，又称为BENNET孔，相应地在上1Z能级分布上出现峰，如下图所示。凹陷的形状是一个倒置的洛仑兹线型，2ZN经过理论计算，可以得到此BENNET孔的半宽（饱和均匀增宽）125S10其中为自然线宽，S为处的饱和参数。0W图113由多普勒频移引起的BENNET孔凹陷图114非均匀增宽跃迁的饱和上能级产生峰，下能级产生孔BENNET孔的探测可以通过两束激光得到，第一束为泵浦光，另一束为较弱的探测光，通过检测探测光的吸收情况，就可以获得基态的粒子数分布，从而观测到BENNET孔。注意到，选择较弱的探测光是为了可以忽略由探测光引起的饱和效应。在饱和吸收光谱实验中，为了得到原子能级间精确的跃迁，就必须将零速原子选出。因此，需要泵浦光和探测光两束激光同时相向射入吸收池，其中，泵浦光的光强应大于饱和光强，而探测光的光强应小于饱和光强。如图112，实验中改变激光的频率，由于相向的激光同时照射到同一原子上，速度为的原子观察到的泵浦光的频率为，而观察到的探测光的频率为ZZKW，若原子和泵浦光共振，则不可能与探测光共振。也就是说，只有速度ZKW为零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1260W对于零速原子来说，只有当激光频率和原子跃迁频率严格相同时，才能探测到BENNET孔。此时，泵浦光将下能级粒子数抽空（饱和），则探测光经过时，原子就不再吸收探测光，这样，探测光的透射强度就增加，从而形成正向的饱和吸收峰，如图111。饱和吸收峰的中心的频率位置与原子跃迁线的中心位置对应，这也是为什么可以利用饱和吸收光谱准确地测定原子的能级间距，并用其将激光频率准确地锁定于原子跃迁的中心频率上的原因。122饱和吸收光谱的观测实验上要观测到饱和光谱必须产生两束激光，一束是强的泵浦光，用来抽运粒子，使得出现BENNET孔效应；另外一束是较弱的探测光，使其通过出现饱和效应的粒子群，将得到的光信号转换为电信号，就可以看到均匀吸收轮廓（佛克脱轮廓）光谱上出现的饱和吸收峰。ECDLPDISO/2GBSRBSCOPE图115本文采用的饱和吸收光路上图所示是本文工作所采用的观测饱和吸收光谱的光路，半导体激光通过光隔离器（ISO）和半波片后，经PBS反射到分束器GBS上，此时分束器较强的透射光经过两个反射镜反射后进入铷吸收池作为泵浦光，而分束器较弱的反射光则作为探测光经过铷吸收池进入光电探测器PD，通过示波器记录信号。观察到对应的饱和吸收光谱可以参照图111。13半导体激光稳频技术131半导体激光的稳频原理为了得到一个稳定的激光频率，最直接的方法是找到一个单色性好稳定性好的参考频率，设法将半导体激光的频率锁定在参考频率上，从而获得单色性好的稳频半导体激光。满足这种要求的参考频率源有原子或分子的高稳定跃迁谱线、高Q值的FP扫描干涉仪透射峰的中心频率或者是一台完成锁频的激光频标。半导体激光稳频是一个动态的平衡过程，控制系统不断的把激光频率和参考频率比对，产生误差信号，此信号再通过负反馈的方法控制激光器的驱动电流或者外腔参数使得半导体激光的频率稳定在一定的范围内。由于稳频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就决定了激光频率的稳定性和准确度。目前使用最多的参考频率源是原子或分子的高稳定跃迁线。在实际应用中，对激光频率稳定性的要求有两类一类是光通信和激光光谱实验等，此类对激光频率稳定度要求不是很高，精度只需为1GHZ（），这种情况下激光频率只需稳定在某一个已知的跃迁线上；另610一类是长度精密计量和原子、分子超精细跃迁等精密测量，此类要求频率精度为1KHZ（），这就要求选择的参考谱线要有很高的稳定性，上能级的自然12线宽要窄，同时跃迁强度要强，选好这种谱线后精密测量其频率绝对值，然后规定原子或分子气室气压、温度、泵浦光的光强等使用条件，再将激光频率锁定在参考频率上，这种具有确定频率，不确定度可以达1012的稳频激光，我们称之为激光频率标准，即光频标。原子、分子的饱和吸收光谱中各个超精细谱线都有相似的线型，我们可以采用线型函数表示参考谱线127WGFG其中1282202,KCBAWF第一项表示佛克脱轮廓背景谱线成分，第二项表示超精细能级FWG的跃迁成分。注意式128中的参数比值量A/K，对原子来说大约是10100，对分子来说大约是100010000，这就说明分子超精细跃迁的强度要比原子的弱很多，而分子线性吸收产生的佛克脱轮廓背景要比饱和吸收大2到3个数量级，因此一般很难直接观测到饱和吸收峰。通过式128，可以知道谱线线型中超精细能级的跃迁成分是一个洛仑兹线型，它的中心点对应着跃迁线的最大值点，也就是我们进行稳频的参考点。若我们能通过某种方法探测出激光频率在对应谱线上相对于中心点的位置，就可以向激光器输入相应的反馈控制信号，从而稳定激光输出的频率。如果采用的是PZT（压电陶瓷）外腔稳频（本文工作的稳频方式），这个反馈控制信号就是一个控制直流电压，又称纠偏电压；如果采用的是电流稳频，反馈控制信号就是输入到半导体激光器电流调制端的反馈电压。注意到超精细能级的跃迁峰是洛仑兹线型，它的斜率在中心点为零，中心点左边为正，中心点右边为负，这样便可以确定激光频率在谱线上的相对位置。给激光频率加上一个小调制，使得激光频率在其工作点附近有一个小的变化，由此使输出光谱信号的强度相应有一个小的变化，经过光电转换后就可以得I到电压信号一个小的变化，于是可以推论（如图116）U（1）若，则激光频率在参考点上0/U（2）若则激光频率在参考点左边,（3）若则激光频率在参考点右边/然后由稳频系统输出相应的反馈控制信号，从而将激光频率纠回参考点。图116通过加调制鉴别激光频率的位置总之，半导体激光器稳频的基本原理是通过加调制的方法改变半导体激光器的外腔参数或者工作电流、工作温度等，使得输出激光的频率受到相应的调制，对应的光谱输出强度相应变化，然后对光谱输出强度的相应变化进行一定的处理，从而得到激光频率偏移参考频率的方向和大小，再根据此信息由稳频系统向半导体激光器输入反馈控制信号，将输出激光的频率控制在参考频率处。132微分稳频技术本文工作采用微分光谱技术来观察超精细结构并得到用于半导体激光稳频的误差信号，下面具体阐述其基本原理。设饱和吸收光谱信号为，它是激光频率的函数。本文实验所用半导体WG激光器可以通过一个电压信号对其频率进行调制，设调制频率为，则调制后频率为1290SINAT将在处作泰勒展开WG0122333000011SINSINSINATGWTGWATO130将与两信号相乘并作傅利叶展开，提取出其直流项SINTGW1311100001SI22TABTDTAGWAGW其中为调制信号的周期，可以看出此直流项正比于饱和吸收光谱信号2的一次微分与调制幅度A的乘积，这就称为饱和吸收光谱的一次微分信W号。这正是本文的稳频工作所采用的鉴频信号。类似地，若将与两信号相乘并作傅利叶展开，提取出其直SIN2TGW流项将正比于饱和吸收光谱信号的二次微分与调制幅度平方的乘积，WG2A称为饱和吸收光谱的二次微分信号；若将与两信号相乘并作傅SIN3TGW利叶展开，提取出其直流项将正比于饱和吸收光谱信号的三次微分与调制幅度立方的乘积，称为饱和吸收光谱的三次微分信号，3IN4848TTGWDTAWAGW由式128可得的一次、二次、三次微分分别为1330122214KWAB1342022320814G135303342201KKW饱和吸收峰及其一、二、三次微分线型可见下图图117饱和吸收峰及其一、二、三次微分线型由于佛克脱轮廓背景为二次函数线型，因此一次微分信号不能够完全消除多普勒本底，二次微分信号的本底为一常数，三次微分信号则完全消除了本底，其中二次微分信号形状是一个偶函数，信号在谱线中心处不为零，因此不适用于稳频。从洛仑兹线型的一次、三次微分曲线来看，每个微分曲线的鉴频范围是最靠近中心点的两个极大值（一正一负）对应频率的间隔，所以可以看出一次微分稳频的鉴频范围明显大于高次微分稳频。若假定光谱线型为洛仑兹线型，经严格计算可得到各类稳频方法的鉴频范围如下（小调制情况）一次微分稳频00573/2,573/2三次微分稳频4949五次微分稳频008/,8/这里为稳频的中心参考频率，为洛仑兹线型的半宽。0本文工作中，所选取的参考谱线为铷原子的超精细结构饱和吸收光谱。铷原子超精细跃迁的强度相对较强，所以从一次微分信号就可以很好地观察到超精细跃迁的谱线。同时，一次微分信号的鉴频范围最大，更有助于提升稳频系统的长期锁定能力。另外，在相同的调制深度下一次微分信号的信噪比更好，其稳频电路的设计结构相对简单，使得伺服电路系统更加容易集成化。综上所述，本文工作中采用了铷原子饱和吸收光谱的一次微分稳频。第二章集成化激光稳频器的设计与实现21稳频电路系统的基本框架外腔半导体激光器精密电流控制精密温度控制饱和光谱探测与与与与PZT高压驱动光电探测器带通滤波放大相位检测器相位移动模块窄带滤波整形晶振与分频低通滤波放大比例积分控制与与与与与与与与与与与DRIVER与与与与与与与与与与与与与与外腔半导体激光器精密电流控制精密温度控制饱和光谱探测高压驱动光电探测器带通滤波放大相位检测器相位移动模块窄带滤波整形晶振与分频低通滤波放大比例积分控制图21半导体激光稳频系统上图为外腔半导体激光稳频系统的原理结构图。半导体激光微分稳频的电路系统主要由调制与参考信号源、相位检测模块和比例积分控制三个部分组成，其中调制与参考信号源由晶体与分频、窄带滤波整形和相位移动模块构成，相位检测模块由带通滤波放大、相位检测器和低通滤波放大构成。另外，所需的外围电路有精密电流控制、精密温度控制、PZT（压电陶瓷，用于控制激光器外腔的等效长度）高压驱动和光电转换电路（光电探测器）。其中，精密电流控制主要是向激光器供流，半导体激光器的电调率在量级，因此对电流MAGHZ/的精度要求很高，其起伏应控制在UA量级以下，精密温度控制是用来控制激光器中工作介质的温度，半导体激光器的温调率在量级，因此对温度的K/10精度要求也非常高，在本文的实验中，精密电流控制、精密温度控制、PZT高压驱动集成在外腔半导体激光器的DRIVER（激光电源）中，激光电源用来驱动由UNIQUANTA公司制造的光栅反馈LITTROW结构外腔半导体激光器UQDL100。下面来看稳频电路系统的主要模块。调制与参考信号源提供微分稳频所需要的调制信号和鉴相参考信号，其中窄带滤波整形部分将晶体与分频输出的方波信号整形为谐波抑制比很高的正弦信号，这个正弦信号直接输入到激光电源中的精密电流控制实现对激光频率的调制。相位移动模块是对这个正弦信号的相位进行移动同时不改变信号幅值的大小，输出用于相位检测的参考信号。相位检测模块对输入的光电信号进行处理，最后输出用于纠偏激光的误差信号（即微分信号）。其中带通滤波放大对光学系统输出的光电信号进行带通滤波，选出鉴相用的有效频谱成分，相位检测器实际上是一个乘法器，它将带通滤波放大输出的相应鉴频信号与参考信号相乘，低通滤波放大是一个积分放大器，它对输入信号在基频信号的周期上进行积分运算，最后得到输入信号的直流成分，并对此直流成分进行一定的放大；比例积分控制电路是将相位检测模块输出的误差信号经过比例积分处理后得到反馈信号，输入激光电源中的PZT高压驱动从而实现对外腔半导体激光器输出频率的控制。22调制与参考信号源的设计与实现调制与参考信号源提供微分稳频所需要的调制信号和鉴相参考信号，其难点在于稳频系统要求调制信号和鉴相参考信号的谐波抑制比很高，调制信号和鉴相参考信号的谐波抑制比应该在60分贝以上，另外，鉴相参考信号的相位需要做到连续可调。根据这些要求，此电路模块被设计为由晶振与分频A、窄带滤波整形B与相位移动模块C组成，如下图所示。晶振与分频部分输出调制和参考频率的方波信号，窄带滤波整形部分对这个方波信号进行带宽很窄的带通滤波和放大，输出谐波抑制比很高的正弦信号，这个正弦信号一部分经过反相放大后直接输入到激光电源中的精密电流控制实现对激光频率的调制，另一部分经过相位移动模块成为相位连续可调的鉴相参考信号输出。图22调制与参考信号源电路221晶振与分频如下图，晶振与分频通过一个有源晶振产生6MHZ的方波信号，经过3个可预置数计数芯片74LS193，先后进行8倍、5倍和15倍的分频（使用3个芯片是为了增加其可调节性），得到10KHZ的方波信号，此方波信号再经过一个D触发器74LS74实现4倍的分频，最后得到25KHZ的方波信号输入到窄带滤波整形部分。图23晶振与分频电路下图为晶振与分频输出信号的测试结果图24晶振与分频输出信号的测试结果222窄带滤波整形由于稳频系统对调制信号和鉴相参考信号的谐波抑制比要求很高，这就要求窄带滤波整形部分的带通滤波器有极窄的通频带，本文采用的是双二次带通滤波器13结构图25双二次带通滤波器双二次带通滤波器的传输函数为21202BSGSH其中心频率为，3DB带宽为，增益为G，经过分析计算可得（参照图025）2243R2341BC2405R其中，R6R7R8R，C1C2C。双二次带通滤波器有非常好的调整性能，它的Q值可以达到100以上，同时具有良好的稳定性。它的增益由R3调节，带宽B即Q值由R4调节，中心频率由R5调节。0实际应用中，考虑到器件的具体性能，一般双二次滤波器的带宽B不能太窄（Q值不能太高），虽然带宽越窄，选频性能就越好，调制和参考信号的谐波抑制比就越高，但是同时它的相位曲线在中心点附近就越陡，噪声引起的信号相位起伏就越大，很容易引起振荡，这也是本次调试电路板过程中最棘手的问题之一。笔者的电路设计中采用了两节双二次带通滤波器以提高激光调制信号和鉴相参考信号的谐波抑制比。下图为一节双二次带通滤波器的幅频响应特性的仿真结果图26双二次带通滤波器的幅频特性仿真以下两幅图为窄带滤波整形实际电路的输入输出测试结果图27窄带滤波整形的输入信号图图28窄带滤波整形的输出信号223相位移动模块相位移动模块的功能是使鉴相参考信号相位连续可调。半导体激光的稳频系统环路会给信号相位带来不被期望的移动，包括窄带滤波整形引入的相移、光电探测器引入的相移以及激光器本身的不稳定因素等。这种相位移动会给鉴相带来很大影响，若相移接近90度，则相位检测模块得到的直流误差信号基本为零，鉴相效率极低，稳频环路将不能起到控制作用。因此，要求相位移动模块能够对信号的相位进行可控制的移动（连续可调），同时不改变信号的幅值大小。按照本文的设计方案，信号移相输出部分由相位粗调和相移滤波器组成，相位粗调对输入参考信号进行90度、180度或270度（可选择档位）的相位移动，相移滤波器即双二次全通滤波器对输入参考信号进行090度连续可调的相位移动。这样相位粗调和相移滤波器结合使用，就可以实现输入参考信号一个周期内的相位连续可调。先来看相位粗调部分，其有90度移相、180度移相和270度移相三个档位可供选择，如下图所示（其中180度移相采用的是反相比例放大电路，270度移相是90度移相同反相比例放大电路的串联）图29相位粗调部分电路对于90度移相电路（下图所示），很容易写出其复增益的形式2522211RRJCAJC由此看出，当时，此电路可对输入信号产生接近90度的相移。2C图21090度移相电路下图为此电路的仿真结果图21190度移相电路的仿真结果相移滤波器即全通滤波器，其幅频响应为常数，而相移响应随频率变化而变化，利用双二次全通滤波器的结构（下图所示）可以实现输入参考信号的090度相移连续可调。图212双二次全通滤波器双二次全通滤波器的传输函数为26BASGSH2其中为常数，由此可以得到幅频响应（滤波器的增益）为常数BA,27S相频响应28TAN221B只需改变常熟A或B就可以获得相位的变化。经过分析计算可以得到以下关系2921ARC210247B21198GR其中必须满足条件。在本文涉及的电路中，是通过改变电阻R7的阻21R值来改变常数B，从而获得相位的改变，仿真结果如下图（其中输出信号曲线由细到粗对应的电阻R7分别为30、34、38、42）图213双二次全通滤波器的仿真结果23相位检测模块的设计与实现相位检测模块对输入的光电信号进行处理，最后输出用于纠偏激光的误差信号（即微分信号），此电路模块被设计为由带通滤波放大A、相位检测器B与低通滤波放大C组成，如下图所示。其中带通滤波放大对光学系统输出的光电信号进行带通滤波，选出鉴相用的有效频谱成分；相位检测器实际上是一个乘法器，它将带通滤波放大输出的相应鉴频信号与参考信号相乘；低通滤波放大是一个积分放大器，它对乘法器（相位检测器）的输出信号在基频信号的周期上进行积分运算后得到输入信号的直流成分，并对此直流成分进行放大后输出饱和吸收光谱的微分信号（误差信号）。图214相位检测模块的电路结构231带通滤波放大带通滤波放大的设计采用了分别由集成滤波器芯片UAF42搭建的低通滤波器和高通滤波器的级联组合。UAF42是美国BURRBROWN公司推出的高集成度通用有源滤波器，具有设计方便、使用灵活的特点，其通过改变的电路参数可以构成各种满足工程实际需要的滤波器。低通滤波器和高通滤波器组合后的带通滤波器Q值被设定在1左右，具体可参见343节中的分析，其电路结构如下图图215带通滤波放大的电路结构232相位检测器相位检测器实际上是一个乘法器，它将输入的鉴相信号与参考信号相乘。本文中的乘法器芯片采用了AD630，AD630是一种集成芯片，它在信号的调制鉴相以及弱信号提取等方面有广泛的应用。AD630工作时，将输入的参考信号整形为方波，此方波作为门限信号控制芯片内部的电路，最后使得芯片的输出是输入的鉴相信号与门限信号做乘法运算的结果。这里对相位检测器的功能实现予以简单的数学描述。假设输入的参考信号为，输入的鉴相信号为，其中为两者的相位差。由于参考信SINTSINT号产生的同相方波中的各频率成分为，则此方SIN,I3,SIN5TTT波与鉴相信号相乘后的输出结果中含有直流成分，此项正反映了鉴相信号CO与参考信号相位差的信息，从而实现了对相位的检测。例如，笔者在电路调试过程中使用一个正弦信号作为鉴相信号输入，并令这个正弦信号移相180度后作为参考信号输入，则相位检测器输出下图所示的相乘结果（其中CH1为鉴相信号，CH2为乘法器输出信号）图216相位检测器的输出信号233低通滤波放大低通滤波放大用于滤出相位检测器输出信号中的直流成分，并对此直流成分进行放大后输出饱和吸收光谱的微分信号（误差信号）。下图为低通滤波器的电路结构图，其中电阻和电容被设计为多档选通式连接图217低通滤波器的电路结构下图为低通滤波器幅频响应特性的仿真结果图218低通滤波器的幅频特性仿真24集成化半导体激光稳频器的实现经过一系列的电路、机械的设计、制作和调试，笔者实现了高集成度的半导体激光稳频器。本章所述的半导体激光稳频伺服电路的所有功能单元，被集成到两块约10CM11CM的小型印刷电路板上，这两块小型印刷电路板又被安装在与其配套设计好的模块盒内。最后完成的集成化半导体激光稳频器具有非常友好的操作界面，集成化的设计则保证了激光稳频器的高可靠性及便携性。以下为集成化半导体激光稳频器的实物图及其操作界面图图219集成化半导体激光稳频器的实物图图220集成化半导体激光稳频器的操作界面图笔者所设计的集成化半导体激光稳频器不仅在实验室里有重要的应用价值，其产品化的设计还使其具有很大的商业化应用潜力。第三章稳频激光的长期锁定技术研究稳频激光的长期锁定能力（连续锁定时间）是一台稳频激光器的重要指标。在稳频激光器的诸多应用中，均要求激光器能够提供长期连续锁定的稳频激光，比如高精度的原子钟系统、玻色爱因斯坦凝聚等冷原子实验系统等。31稳频外腔半导体激光器的失锁原因研究稳频激光器的失锁可以分为由激光器工作点漂移而造成的失锁以及外界振动干扰造成的失锁。前者是由系统和环境的自身特性所决定的，是一个慢过程；而后者的发生相对随机，是一个快过程。对于由外界振动干扰而造成的失锁，除了屏蔽和衰减外界振动（如本文工作中采用的气垫光学平台、有机玻璃系统箱）的被动方法外，可以通过对稳频伺服电路中相应滤波器的带宽设置来减弱外界振动对稳频激光连续锁定时间的威胁，具体可参见343节中的分析。本章重点讨论更具研究意义的由激光器工作点漂移而造成的失锁，在稳频激光器连续锁定的过程中，若激光器本身的工作点漂移（频率漂移）超过了反馈电路（一般为比例积分电路）所能控制的范围，就会造成失锁。如第二章所述，影响外腔半导体激光器的输出频率的因素有3个，即半导体激光管的工作温度、工作电流和外腔的谐振腔长，其中外腔的谐振腔长的改变又主要是由于构建谐振腔的金属结构的热胀冷缩引起的14。因此，造成外腔半导体激光器自身频率漂移的因素为激光管工作温度的漂移、工作电流的漂移和外谐振腔温度的漂移。在激光电源的精密电流源的漂移很小（相对容易达到）时，虽然激光管和外谐振腔都有精密温度控制，但环境温度的漂移仍然会使得它们的温度存在一定的漂移，特别是使得外谐振腔的腔长存在一定的漂移，从而使得外腔半导体激光器的自身频率会随环境温度的变化产生漂移。如果激光器的控温电路参数设置不合适，这种频率漂移就更为显著了。为了解决环境温度漂移对激光连续锁定时间的影响，当然可以通过选择和控制环境温度来减弱这个影响，但这显然不是一个积极的解决方案，其将大大减小稳频激光系统所能应用的范围。因此，如何通过对稳频伺服电路系统的恰当设计，尽量扩大反馈回路的频率控制范围，抑制由于环境温度漂移引起的激光器自身的频率漂移，是增加外腔半导体激光器的连续锁定时间的关键因素。32比例积分PI电路在对本文工作中所采用的相应设计展开论述之前，先进行对比例积分PI电路基本原理的讨论。比例积分（PI,PROPORTIONALANDINTEGRAL）电路是一种自动增益调节反馈电路，是一种可用于频率控制、温度控制等方面的自动控制技术。图31并联式比例积分电路的结构上图是典型的并联式PI电路的结构图，输入信号VI分别经过比例电路P和积分电路I处理后的信号，又通过加法运算电路相加，最后得到输出信号VO。在我们的稳频伺服电路系统中，一次微分信号被送入PI控制电路，一路送给比例控制电路用于抑制稳频激光的快速抖动，另一路送给积分控制电路用于补偿激光频率的长期漂移。积分控制在稳频反馈环路中是极其重要的。在只有比例控制的情况下进行稳频时，误差信号的漂移很严重，一旦漂出微分稳频的鉴频范围就会造成激光器的失锁。而积分控制则能够在稳频的过程中补偿这种漂移，使误差信号始终保持在0点附近。典型积分控制电路的结构如下图32积分电路示意图电路的时域响应函数为31DTURCI10此式表明，当激光器自身工作点偏离参考谱线中心频率，即误差信号偏离0IU点时，积分控制电路就将起作用开始积分，补偿激光频率的漂移，直到反馈回路使得误差信号回到0点为止，积分控制电路才停止工作并维持当前的输出电压直到误差信号再次偏离0点，这种特性正是长期稳频所必需的。理想的积IU分控制电路最高的输出电压为运放的电源电压，这也是积分控制电路的理想控制范围。33外腔半导体激