基于DAVLL技術(shù)的半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻裝置設(shè)計(jì)

劉強(qiáng)+卓艷男+劉超+王家興+牟海維

摘要： 分析了二向色性原子蒸氣激光頻率鎖定（dichroic atomic vapor laser lock，DAVLL）技術(shù)穩(wěn)定激光器頻率的原理，并采用DFB894.6 nm半導(dǎo)體激光器和Cs原子氣室搭建穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同磁場(chǎng)條件下的DAVLL光譜，發(fā)現(xiàn)Cs原子D1線的DAVLL光譜零值點(diǎn)處的斜率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加而增大，但譜線零點(diǎn)斜率不隨磁場(chǎng)變化。根據(jù)半導(dǎo)體激光器鎖頻原理設(shè)計(jì)制作了驅(qū)動(dòng)電路，測(cè)試結(jié)果表明，該穩(wěn)頻裝置的短時(shí)頻率穩(wěn)定度達(dá)16 MHz。

關(guān)鍵詞： 激光穩(wěn)頻； 塞曼效應(yīng)； 電流源； Cs原子

中圖分類號(hào)： O 433文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.018

引言由于半導(dǎo)體激光器的體積小，操作方便使其在光學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如在冷原子實(shí)驗(yàn)、原子鐘、原子磁力儀中均采用半導(dǎo)體激光器作為抽運(yùn)光源，并且實(shí)驗(yàn)中需將激光器的工作頻率鎖定在原子超精細(xì)共振線處[13]。常用的半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)頻方案通常采用飽和吸收譜（SAS）技術(shù)，但這種方法需要外加調(diào)制信號(hào)，增大激光的頻率噪聲[4]；同時(shí)，在原子磁力儀系統(tǒng)中，抽運(yùn)光的工作頻率將影響被抽運(yùn)原子的極化率，進(jìn)而影響磁力儀靈敏度[5]。為此，研究了二向色性原子蒸氣激光穩(wěn)頻技術(shù)（dichroic atomic vapor laser lock，DAVLL），該方法無需外加調(diào)制信號(hào)，非常適用于原子磁力儀激光器頻率鎖定[67]。本文采用DFB894.6 nm半導(dǎo)體激光器和銫（Cs）原子氣室搭建了DAVLL穩(wěn)頻裝置，測(cè)量了不同磁場(chǎng)條件下的DAVLL譜，并采用DAVLL譜實(shí)現(xiàn)分布反饋半導(dǎo)體激光器頻率鎖定。1DAVLL原理DAVLL技術(shù)的基本原理如圖1（a）所示[8]，在磁場(chǎng)中原子二能級(jí)躍遷模型Fg=1→Fe=0的基態(tài)能級(jí)因塞曼效應(yīng)將產(chǎn)生分裂和移動(dòng)，頻移量為gμB，其中g(shù)、μ和B分別表示朗德因子、玻爾磁子和磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)采用線偏振光照射原子時(shí)，由于塞曼子能級(jí)的移動(dòng)，導(dǎo)致組成線偏振光的左旋圓偏振成分σ+和右旋圓偏振成分σ-所感受的共振頻率不同，其透射譜χ+和χ-如圖1（b）所示，其中橫坐標(biāo)Δ代表頻率的相對(duì)失諧；通過原子后，兩圓偏振成分的透射譜不同，其差值滿足：ΔI∝exp（-κ+L）-exp（-κ-L）（1）式中，κ+和κ-分別為左旋和右旋圓偏振光的吸收系數(shù)，L為激光與原子相互作用的長(zhǎng)度。ΔI隨激光頻率變化的值曲線具有類色散譜線的特點(diǎn)，如圖1（c）所示。直接利用該類色散譜線作為反饋控制信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)激光穩(wěn)頻，而磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小僅影響此色散曲線零點(diǎn)處的斜率，與零點(diǎn)處的頻率無關(guān)。

2實(shí)驗(yàn)裝置DAVLL實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。光源選用DFB894.6 nm半導(dǎo)體激光器，線寬約為10 MHz，長(zhǎng)為30 mm的圓柱形Cs原子氣室置于長(zhǎng)直螺線管內(nèi)部。激光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡和小孔光闌后變成平行光，經(jīng)半反鏡分成兩束，一束用來搭建飽和吸收光譜作為頻率參考，另一束經(jīng)偏振片A和B變成線偏振光照射Cs氣室，采用雙偏振片A和B同時(shí)調(diào)節(jié)輸入光信號(hào)的幅度和偏振態(tài)，經(jīng)偏振片B后的入射光強(qiáng)約為0.5 mW/cm2。檢測(cè)系統(tǒng)由λ/4波片和PBS組成，并要求λ/4波片的快軸和 PBS的夾角為π/4，采用低噪聲光電檢測(cè)電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，做差后送入示波器和控制電路，在示波器上將同步顯示飽和吸收譜和DAVLL譜。

當(dāng)采用三角波信號(hào)調(diào)制激光器的驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，將使激光器的輸出頻率產(chǎn)生周期性連續(xù)變化，依次掃過Cs原子D1線的超精細(xì)共振線，測(cè)量得到的Cs原子D1線F=4→F′=3，F(xiàn)=4→F′=4，F(xiàn)=3→F′=3，F(xiàn)=3→F′=4躍遷的4個(gè)DAVLL譜和SAS譜，如圖3所示。橫坐標(biāo)表示激光器的相對(duì)工作頻率，相鄰較近的兩譜線的頻率間隔為1.167 GHz，對(duì)應(yīng)Cs原子D1線激發(fā)態(tài)超精細(xì)能級(jí)間隔，縱坐標(biāo)表示信號(hào)的幅度。從圖中可見，DAVLL譜具有典型的色散線型，可直接作為反饋信號(hào)控制激光器的工作電流，將激光器頻率鎖定在圖中色散線型的中心點(diǎn)處。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同磁場(chǎng)條件下的DAVLL譜，發(fā)現(xiàn)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，DAVLL譜的峰峰值逐漸增大，導(dǎo)致色散曲線中心零點(diǎn)處斜率增大，而色散曲線零點(diǎn)處的頻率保持不變。因此，采用Cs原子D1線DAVLL譜鎖頻僅能將激光頻率穩(wěn)定在Cs原子超精細(xì)共振線處。3電路設(shè)計(jì)與測(cè)試半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路工作流程如圖4所示，主要由溫度控制電路和電流源組成。電流驅(qū)動(dòng)電路包括：三角波信號(hào)、DAVLL反饋信號(hào)和高穩(wěn)電壓源。電路控制流程為：①首先斷開DAVLL反饋信號(hào)，通過調(diào)整高穩(wěn)電壓源的輸出電壓改變激光器驅(qū)動(dòng)電流靜態(tài)工作點(diǎn)，三角波信號(hào)疊加在靜態(tài)工作點(diǎn)上，使激光器輸出電流小范圍內(nèi)周期變化，通過改變靜態(tài)工作點(diǎn)，在示波器上將同時(shí)觀察到DAVLL譜和SAS譜；②逐漸減小三角波信號(hào)，減小掃頻范圍，選定鎖頻點(diǎn)，并調(diào)節(jié)DAVLL譜峰峰值和反相器；③斷開三角波信號(hào)，同時(shí)接通DAVLL反饋信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)激光器頻率鎖定。半導(dǎo)體激光器的工作溫度將直接影響其工作頻率，實(shí)驗(yàn)選用DFB894.6 nm半導(dǎo)體激光器的溫度系數(shù)為0.06 nm/℃，即當(dāng)溫度變化ΔT=0.001 ℃時(shí)，波長(zhǎng)變化量Δλ=0.000 06 nm，相應(yīng)頻率變化量Δν≈22.4 MHz，此時(shí)才能滿足激光頻率控制的要求。而溫度穩(wěn)定性達(dá)到0.001 ℃的控制系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)，因此激光器控制電路將主要通過調(diào)節(jié)激光器的工作電流實(shí)現(xiàn)激光器頻率鎖定。溫度控制電路主要保證周圍環(huán)境溫度不會(huì)引起激光器輸出頻率產(chǎn)生較大波動(dòng)，系統(tǒng)中采用半導(dǎo)體制冷硅和熱敏電阻組成閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，溫度穩(wěn)定度可達(dá)到0.1 ℃。圖5鎖頻下的電流穩(wěn)定性

Fig.5Current stabilization of frequency locking隨著半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流的增加，測(cè)量得到如圖3所示的飽和吸收譜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流改變5 mA時(shí)，恰好觀察到4個(gè)飽和吸收譜，且已知飽和吸收譜F=4→F′=3 與F=3→F′=4躍遷的頻率間隔為10.359 GHz，由此可知激光器隨驅(qū)動(dòng)電流的變化率約為2 GHz/mA。若實(shí)現(xiàn)激光器頻率穩(wěn)定度為20 MHz，驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定度需達(dá)到10 μA。為此采用高穩(wěn)電壓基準(zhǔn)器件LTZ1000作為電壓源，其溫度系數(shù)僅為0.05×10-6/℃，電路中采用低溫漂AD707運(yùn)算放大器和塑封金屬箔電阻。為測(cè)試半導(dǎo)體激光器的頻率穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)中采用安捷倫8位半萬用表對(duì)鎖頻后的激光器工作電流進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)激光器頻率鎖定在F=4→F′=3共振線處，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。測(cè)量1小時(shí)條件下，電流噪聲的峰峰值約13 μA，說明此激光器頻率的小時(shí)穩(wěn)定度為26 MHz，而曲線短期電流噪聲僅為8 μA，激光器頻率的分穩(wěn)定度可達(dá)16 MHz。4結(jié)論本文介紹了DAVLL半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻技術(shù)的基本原理，采用DFB894.6 nm半導(dǎo)體激光器和Cs原子氣室搭建DAVLL實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量了不同磁場(chǎng)條件下的DAVLL譜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小僅影響DAVLL譜零點(diǎn)處的斜率，而不影響零點(diǎn)處的頻率。根據(jù)鎖頻原理設(shè)計(jì)制作了半導(dǎo)體激光器溫度控制電路和電流控制電路，通過對(duì)穩(wěn)頻后激光器工作電流的測(cè)試，證明此穩(wěn)頻裝置可實(shí)現(xiàn)激光器頻率的小時(shí)穩(wěn)定度為26 MHz，分穩(wěn)定度達(dá)16 MHz。

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