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半导体激光器的稳频方法简介(调制稳频)

发布时间:2021-12-06 09:58:41 浏览量:4435 作者:Robert

摘要

外腔半导体激光器因其体积小、寿命长、效率高等诸多优点得到了广泛的应用,特别是在冷原子领域,要求激光器有窄线宽以及高频率

的输出稳定性。本文主要对半导体激光器中几种常见的调制稳频方法进行简单介绍。

正文


半导体激光器的稳频方法简介(调制稳频)

由于在冷原子方面应用,对外腔半导体激光器的线宽,频率稳定性,相位等性能有很高的要求。非调制稳频技术对于激光功率的波动较

为敏感,稳定度相对较低,并且由于锁定在目标吸收峰的边峰上,而无法锁定在峰顶,容易发生频偏。而调制稳频简单来说就是在实验

系统中加入调制信号来获取鉴频曲线,一般为正弦信号。可以在饱和吸收峰附近范围内产生一个单调的误差信号,将激光器频率锁定在

饱和吸收峰处。激光调制又分为内调制以及外调制,顾名思义内调制是将调制信号直接加载到激光器本身的输出频率上,而外调制稳频

可以使用声光电光器件或者将调制信号加载到原子的跃迁频率上。


内调制稳频

内稳频调制一般是在饱和吸收光谱( Saturated Absorption Spectra,SAS)稳频技术的基础上进行,在冷原子实验上所用的光基本上都

是和原子跃迁线共振或者近共振的所以基于原子跃迁线的饱和吸收稳频法成为首选。饱和吸收稳频法是利用原子吸收室对激光频率吸收

产生吸收凹陷,光电探测器接收后进行光电转换示波器则显示出功率吸收峰,然后将吸收峰对应的原子频率作为参考频率,之后将激

光器频率稳定到参考频率上的稳频方法。


而施加调制信号,通过人为地让激光频率以己知的规律在吸收峰附近变化,从而检测出吸收峰的一阶微分(或奇数阶微分)信号,由此

可以得到激光中心频率和基准频率的偏差,如此一来便可以锁定在吸收峰的峰顶处,得到稳定的频率基准。对于内调制而言,可以将调

制信号添加到半导体激光器的注入电流或控制腔长的压电陶瓷处,从而使得激光输出频率发生变化。其中电流调制可以实现非常高的频

率调制,这是半导体激光器的优点所在,使用方便,经常运用于稳频与锁频中。


 

图1:带调制的饱和吸收稳频法实验原理图


外调制稳频

由于内调制稳频的调制信号是加载在激光器本身,即使已经频率锁定的情况下,输出的激光频率也会难免带有调制信号,引入额外噪声

造成一定抖动,而外调制的稳频的方法正是针对这个问题而提出的。其中通过光调制器以及声光调制可以实现基于频率调制光谱的

PDH(Pound-Drever-Hall)、调制转移光谱技术(MTS, modulation transfer spectroscopy)等调制方法,但由于会增加光路的复

杂性, 并且损失了一部分可观的光功率,这里不做详细的介绍。而塞曼 (Zeeman) 调制稳频不但对于激光器的锁定频率输出没有调制,

并且光路也较为简单,实验效率较高。


塞曼调制稳频简单来说是需要给 Rb 原子池施加调制,通过缠绕在原子池周围的线圈来调制磁场来改变 Rb 的原子能级,从而实现对激

光器输出频率的调制。在磁场的作用下,原子磁子能级塞曼分裂,上、下能级发生移动。当磁场较弱时,可以通过塞曼效应定量计算移

动量:△E=MgμBB,其中M为磁量子数,μB为玻尔磁子,B为磁感应强度,g为朗德因子。激光在进入Rb原子池前先通过λ/4波片,将

线偏振光变为圆偏振光,做为探测光。由于光抽运效应的存在,几乎可以认为原子在某两个能级上发生循环跃迁(以87Rb的

F=2→F’=3超精细跃迁为例,经过光抽运后,可以认为原子都布居在mF=+2和mF'=+3两个能级上进行循环跃迁),就可以求出跃

迁过程中上下能级的相对移动量。

 

图2:87Rb 原子光抽运后的能级结构图 


因此如果我们将调制的正弦信号加载到原子所处的外磁场中,就相当于对原子的两能级之间的跃迁频率进行调制,因此对于频率稳定的

圆偏振光来说,原子对它的吸收就是带有调制的,这是塞曼调制稳频的基本原理。


 

图3:MOGLabs CEL激光器塞曼调制稳频的典型配置


以MOGLabs所生产的CEL猫眼外腔半导体激光器为例,该款激光器所配备的控制器可以实现非调制稳频以及调制稳频。在使用塞曼稳

频调制时,MOGLabs控制器内存在的250kHZ振荡器将调制信号施加于塞曼线圈,激光通过Rb原子池后被光电探测器接收,经过锁相

鉴相得到误差信号,再反馈给激光器的压电陶瓷或二极管电流,如此调节激光器频率,使其稳定在所需的频率上。 


稳频效果的对比

在孙黎的《半导体激光器稳频方法的对比研究》一文中,对非调制稳频以及调制稳频的几种方法分别搭建实验平台,对稳频性能进行了

评估。同样将激光器锁定在Rb:5S1/2F=3→5P1/2F’=2 co 3 吸收峰上,其中塞曼调制稳频效果最佳,而非调制稳频中DFDL稳频法

也表现优异。而将调制信号加载在激光器上的饱和吸收稳频法,一开始就因为调制信号的影响带有抖动,从示波器上的显示也可看出曲

线的不稳定,在锁相环节因为光的抖动造成一些不便,因此稳频效果稍逊。


相关文献:

[1]孙黎. 半导体激光器稳频方法的对比研究[D].中北大学,2015.

[2]马修泉,陈文兰,陈帅,刘新元,陈徐宗.半导体激光器塞曼调制稳频的实验对比研究[J].量子光学学报,2005(04):171-175.


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