外腔半导体激光器驱动电路设计

外腔半导体激光器驱动电路设计

外腔检测器具有超窄线宽的优点，在许多领域的研究中得到了广泛应用。例如，精密原子、相干光通信和原子钟缩还应研究其他领域。新型原子钟装置中，半导体激光器用于冷却原子、抽运原子态与激发原子荧光等环节，是原子钟的关键器件。外腔半导体激光器即给激光二极管（semiconductorlaserdiode,LD）加上外部腔镜以获得超窄线宽的激光输出。外腔半导体激光器除了要对LD的温度和电流进行控制外，还要对外腔的长度进行控制。外腔半导体激光器的频率漂移一般较大，一个重要原因是外腔温度变化造成的腔内空气介质折射率与腔体几何尺寸的改变。一般商用的外腔半导体激光器频率漂移为250MHz/h(Newfocus7000系列），国外实验室的自制激光器一般为2MHz/min或150MHz/8h。为降低实验室自制的852nm外腔半导体激光器的频率漂移，我们研制了相应的电路。漂移较小的半导体激光器在研究光与物质相互作用方面具有良好的应用前景，尤其是在不需要对激光进行频率锁定的场合，例如电磁感应透明、光减速实验等。另外，频率漂移较小也有利于实现对激光频率的长时间锁定等。1半反半透镜上的压电陶瓷调节图1为自制外腔半导体激光器结构图。激光器光学部分由激光管、准直透镜、滤光片、聚焦透镜与半反半透镜等构成，其中激光管与半反半透镜构成了外腔。外腔长度即激光管端面与半反半透镜反射面间的距离，可通过粘贴在半反半透镜上的压电陶瓷调节。激光管集成包括LD、光电探测二极管、热敏电阻和微型热电制冷片（thermo-electriccooler,TEC）。其中，LD接高稳恒流源，用以控制LD的注入电流；热敏电阻与微型TEC接入LD温控系统，控制LD的工作温度；压电陶瓷（Pb-Zr-Ti,PZT）接高压恒压源，设定压电陶瓷电压以调节外腔的长度；另外，热敏电阻与外腔腔体下表面与散热片之间贴着的TEC接外腔温控系统，控制外腔的温度。外腔温控也给LD提供了一个相对稳定的外部温度环境，有助于LD的温度控制。表1给出经过测量与计算得到的上述几个因素对一台腔长10cm的852nm外腔半导体激光器频率的影响。2电路系统2.1驱动电流和温度控制2.1.1不同温度对输出电流质量的影响高稳恒流源的基本原理是将从参考电阻Rref上获得的与输出电流成正比的采样电压，经过反馈稳定在设定好的参考电压上，获得稳定的电流输出，如图2所示。对高稳恒流源稳定性影响较大的是各个器件（包括基准电压源、设定电位器、采样电阻和反馈回路等）的温度敏感性。为了降低输出电流漂移，我们选用了温度系数为0.3ppm/℃的基准电压源LM299作为参考电压源，温度系数分别为20ppm/℃和2ppm/℃的10圈电位器和低温漂电阻分别作为设定电位器与采样电阻，运放等其他一些元件的选择也考虑了温度的影响。检测高稳恒流源的稳定性时，我们给高稳恒流源接上50Ω（精度为0.02%），温漂为2ppm/℃的低温漂电阻作为负载，用六位半的数字万用表（Agilent34401A）测量并记录负载电压值，然后计算得到输出电流的变化，如图3所示，其中虚线是线性拟合的结果。高稳恒流源在工作稳定后输出的电流在短期内呈现波动，长期内则呈现正向漂移，电流值最大波动为0.15μA，在1h内漂移小于+0.1μA，理论上会使外腔半导体激光器的输出频率发生-92kHz的漂移。2.1.2ld测温测量LD温控的对象是激光管。图4是LD温控部分电路结构框图。由激光管内部热敏电阻Rt与外接固定电阻构成温度电桥，将实际温度与设定温度之间的温度差转换成为误差电压，经过差分放大和PID运算，转换成为LD内部微型TEC的控制电流，达到控温的目的。热敏电阻与微型TEC都是直接封装在激光管内部的，与激光管热接触良好，且有外腔温控提供的恒温外界环境，LD温控系统的控温效果主要取决于温度电桥的灵敏度与PID参数的选择。根据系统的实际运行情况合理选择PID参数可以大大改善温控的效果。同时为了提高温度电桥的灵敏度，我们选择了精度0.02%，温度系数2ppm/℃的高精度低温漂电阻与20ppm/℃的10圈电位器作为电桥的臂。测量时温度设定在19.6℃附近，认为电桥中热敏电阻上的电流恒定，用数字万用表读取并记录热敏电阻Rt上的电压。热敏电阻的温度系数在小于0.5m℃的相对温度范围内是线性的，数值为559.1Ω/℃，据此可计算得到LD温度变化曲线，如图5所示，其中虚线是测量数据的线性拟合结果。由图5可见，LD温控工作稳定后温度的波动与漂移均较大，LD温度1h内的线性漂移是-0.4m℃，理论上会使激光器输出光频率漂移+12MHz，最大的短期温度波动为0.3m℃。2.2腔长度的控制2.2.1高可以耗压板放大电路PZT需高压（0～200V左右）驱动，用一般的基准源及运算放大电路不能实现高压输出。我们设计的高压恒压源结构框图如图6所示。使用一般的基准电压源及放大电路预先得到1个精确的参考电压，再用高耐压场效应管高压放大电路放大成为高压。此处同样选用低温漂的基准电压源LT1027以降低输出电压的温漂。高压恒压源输出电压随时间的变化如图7所示，虚线为线性拟合的结果。所得到的PZT驱动电压在1h内漂移较小，波动达到1mV，理论上会使外腔腔长改变，使输出激光的频率在8kHz范围内变化。2.2.2外腔半导体激光器外腔结构外腔温控结构如图8所示，外腔温控电路的原理与LD温控基本一致，不同的是外腔温控需要对激光器外腔腔体进行控温，使用的热敏电阻嵌入盒子刻槽中，热敏电阻与刻槽之间通过导热硅脂增强热传导，TEC上下表面也涂有导热硅脂，紧贴在激光器外腔底部与散热片之间。另外，为了降低外界环境温度对温控的影响，整个外腔半导体激光器在结构上密闭。用数字万用表记录与被控温外腔接触良好的铂电阻Pt100的阻值，参照Pt100的温度系数0.385Ω/℃，计算得到了外腔的温度变化曲线，如图9所示。图9中的曲线表明了1h内外腔温度随时间的变化，图9中的虚线是外腔温度变化的线性拟合结果。由图9可见，外腔的温度起伏较小，仅为0.5m℃，1h内温度漂移为+2m℃，由理论计算可得外腔半导体激光器的输出激光频率漂移为-16MHz/h。3外腔温度和温度对半导体激光器频率的影响为了检验驱动电路系统引起的外腔半导体激光频率漂移结果，我们进行了拍频实验。使用两台自制的外腔半导体激光器，一台采用饱和吸收法锁定频率，另一台自由运转，将两束激光进行拍频。拍频信号的频率变化，就是自由运转激光器的频率漂移。如图10所示，拍频信号的频率在1h内的变化为15MHz，该结果不仅远小于目前国内外商用半导体激光器的漂移（如Newfocus7000系列的半导体激光器的漂移为250MHz/h），也优于其他某些实验室的自制激光器的漂移（120MHz/h,18.75MHz/h）。测量和计算表明，1h内LD温度与外腔温度漂移引起的频率漂移量分别为12MHz与16MHz，与拍频实验测得的频率漂移比较接近。实验中也发现当外界环境温度发生骤变时，频率漂移会变大，说明外腔半导体激光器的频率漂移主要是由温度漂移引起的。因此，要进一步降低漂移，需要进一步提高外腔半导体激光器的温控模块的性能，做好激光器的热隔离等，以降低LD与外腔的温度漂移。4半导体激光器频率漂移使用高稳恒流源与精密LD温控，再通过高压