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1、半导体激光稳频的长期锁定与集成化技术研究doc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

2、 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； 3 将两台激光锁定在87Rb D2线的两个超精细饱和吸收光谱上，同时保持

3、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 Longtime and Integrated Frequency-Stabilizing Technique for Semiconductor Lasers Tong Zhou Radio Physics Directed by Professor Xuzong Chen We developed the longtime frequency-stabilizing technique for semiconductor la

4、sers, designed and realized the high-performance integrated frequency stabilizer for semiconductor lasers, and realized a highly stable and accurate temperature control system for semiconductor lasers through optimization of the circuit parameters. After two frequency-stabilized semiconductor lasers

5、 at 780 nm and corresponding frequency beat system were established, the two lasers were continuously frequency-stabilized for over 100 hours, and the frequency stability at of either laser was as low as . In addition, we discovered a significant correlation between the stabilized frequency drift an

6、d the system temperature drift in our experiment. In this paper, we first discussed the principle of the extended-cavity diode laser, the saturated absorption spectrum, and the frequency-stabilizing method for semiconductor lasers. In the second part, we presented the design and realization of our i

7、ntegrated frequency stabilizer for semiconductor lasers. Thirdly, we proposed and elaborately explained the longtime frequency-stabilizing technique for semiconductor lasers. We also conducted in-depth research on the optimization of the temperature control system for semiconductor lasers in this pa

8、rt. In the end, the result and data of our frequency-stabilization experiments were reported, including the frequency stability, the continuously locked time, the influence by the system temperature drift, etc. Keywords Semiconductor Laser, Frequency Stabilization, Temperature Control Frequency Stab

9、ility, Continuously Locked Time 目录 引言1 第一章 原理综述3 1.1 被控源外腔半导体激光器3 1.1.1 半导体激光器的基本原理和特性3 1.1.2 外腔半导体激光器的线宽压窄和频率调谐8 1.2 参考谱线原子超精细结构的饱和吸收光谱12 1.2.1 饱和吸收光谱的原理12 1.2.2 饱和吸收光谱的观测14 1.3 半导体激光稳频技术15 1.3.1 半导体激光的稳频原理15 1.3.2 微分稳频技术18 第二章 集成化激光稳频器的设计与实现21 2.1 稳频电路系统的基本框架21 2.2 调制与参考信号源的设计与实现22 2.2.1 晶振与分频23 2

10、.2.2 窄带滤波整形24 2.2.3 相位移动模块26 2.3 相位检测模块的设计与实现30 2.3.1 带通滤波放大31 2.3.2 相位检测器32 2.3.3 低通滤波放大33 2.4 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36 3.1 稳频外腔半导体激光器的失锁原因研究36 3.2 比例积分PI电路37 3.3 外腔半导体激光器自由运转的频率漂移测量39 3.4 提高稳频激光长期锁定能力的关键技术41 3.4.1 比例积分控制的低频响应改进及参数最优化设置41 3.4.2 PZT高压驱动的高增益设计及长程外腔PZT的选用44 3.4.3 伺服环路滤波带宽的

11、合理设计44 第四章 半导体激光的控温技术研究46 4.1 半导体激光控温系统概述46 4.2 控温反馈的核心比例积分控制47 4.3 齐格勒-尼柯尔斯整定规则50 4.4 高精度、高准确度的半导体激光控温系统的实现52 4.5 不同控温对象的控温系统特性研究57 4.5.1 新控温对象的反馈参数整定57 4.5.2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63 5.1 实验系统描述63 5.1.1 饱和吸收光路64 5.1.2 拍频测量系统65 5.2 87Rb超精细饱和吸收光谱的一次微分曲线观测67 5.3 外腔半导体激光器的频率锁定69 5.4 半导体激光稳频的拍频测

12、量和频率稳定度70 5.5 稳频半导体激光长期锁定的实现74 5.6 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

13、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AMO Physics3,4,5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

14、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10-10，而复现性仅为10-7，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

15、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87Rb D2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。 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。

16、 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。 第一章 原理综述 1.1 被控源外腔半导体激光器 1.1.1 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1.1 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

17、带结构，如图1.1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 1.1 当加在半导体晶体中的PN结两端电压V满足 1.2 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激发射的粒子数反转条件 1.3 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

18、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 1.4 其中 1.5 注意到折射率nT与温度有关 1.6 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 1.7 可得 1.8 于是激光波长和温度T的关系为 1.9 这样可得下图所示的关系曲线 图1.2 半导体激光频率和温度的关系 从图1.2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（

19、波长）随温度的变化率，定义温调率为 1.10 对于一般的激光管，。 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 1.11 以SDL5420型激光管为例，下图为它的J关系曲线（注意到其中也有模式跳变的现象） 图1.3 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1.4 半导体激光介质腔示意图 对于图1.4所示的激光谐振腔，有 1.12 则形成激光

20、振荡的要求为 1.13 即 1.14 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 1.15 则其阈值电流为 1.16 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 1.17 其中为量

21、子效率。 以SDL5420型激光管为例，下图为它的P-I关系曲线，可以看出其阈值电流。 图1.5 SDL-5420型半导体激光器输出功率与工作电流的关系 1.1.2 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

22、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） 1.18 其中为激光的输出功率，是无源腔的自然线宽，由下式表示 1.19 其中为腔长，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

23、光的线宽增大为。 图1.6 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

24、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1.6，根据激光纵模条件 （1.20） 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 （1.21） 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

25、，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1.7 Littrow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1.8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1.9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

26、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1.8中的激光波长应满足布拉格条件 （1.22） 0级 入射光 0级 1级 闪耀光栅 1级 激光器 1级 闪耀光栅 图1.9 Littrow结构激光器示意图 图1.8 闪耀光栅的闪耀特性 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 图1.10 半导体激光频率和工作电流的关系 可以

27、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。 1.2 参考谱线原子超精细结构的饱和吸收光谱 1.2.1 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1.11 铷原子的饱

28、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1.12 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，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E

29、2，则原子跃迁的共振频率为 1.23 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 1.24 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E1上的总粒子数是。 由于饱和，在附近间隔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，经过理论计算，可以得到此Bennet孔的半宽（饱和均匀增宽） 1.25 其中为自然线宽，S为处的饱和参数。 图1.13 由多普勒频移引起的

30、Bennet孔凹陷 图1.14 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1.12，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

31、的频率为，而观察到的探测光的频率为，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 1.26 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1.11。 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。 1.2.2 饱和吸收光谱的观

32、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。 图1.15 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1.11。 1.3 半导体激光稳频技术 1.3.1 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F-P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