高稳定度半导体激光器电源

随着激光器技术的不断发展，高精度激光器在高精密测量和基础研究中广泛应用。在高精密测量中，原子陀螺、原子磁强计使用高精度激光器进行原子的态制备以及原子信号的检测;冷原子领域中激光器用来冷却和囚禁原子。在基础物理学中，离子阱光钟中和光晶格光钟中高精度激光器不仅用来制冷原子，而且可以获得线宽超窄且频率极稳定的跃迁谱线，并用该跃迁谱线对本阵激光频率实现精密锁定，从而建成高稳定度和高精密的光学频率标准。
目前应用比较多的激光器有气体激光器(He-Ne激光器)、固体激光器(蓝宝石激光器)、液体激光器(染料激光器)和半导体激光器等。同气体激光器相比，半导体激光器寿命长、价格低廉、易于调制;同固体激光器相比，半导体激光器线宽窄、结构简单;同液体激光器相比，半导体激光器稳定。因此，半导体激光器应用前景非常广阔。
 
驱动电路的理论分析
温度控制系统的理论分析
本文使用DFB外腔半导体激光器，温度对于激光器频率的调谐率为2．94×101GHz/K。在冷原子研究中，激光器的频率长期稳定度要求优于兆赫兹，因此要求温度的标准差达到0．10mK。通常使用热敏电阻测量温度的变化，根据热敏电阻的分压控制温度。 电流控制系统的理论分析
根据DFB外腔半导体激光器电流与频率的关系，1mA电流对应的频率变化约为2．49GHz，要达到冷原子的技术要求，激光器的频率带宽要达到兆赫兹，则电流的纹波要小于1μA。 数据分析
驱动电路的理论分析
采集热敏电阻两端的电压值，图4为热敏电阻采样的温度值以及外界温度的变化，测量时间间隔为0．10s，测量时间1h。 通过测量设定的电压值和外界温度的变化，计算设定值与测量值的相关系数为0．93，外界温度与激光器温度变化的相关度为－0．31，可见实际值与设定值基本一致。因此，在后续的改进中主要考虑图1中电位器的温漂以及后续处理中元件的影响。
 
驱动电路的理论分析
通过计算电流的功率谱密度可以得到激光器的电流纹波约为1．30×102nA，此数据与文献中的数据基本在一个量级［11］，同时使用六位半万用表测得电流的纹波小于1．00×102nA，两者测量数据一致，因此由电流纹波导致的线宽增宽为1．50×102kHz。另外，根据激光器饱和吸收［12］的锁频要求，碱金属原子的饱和吸收谱的线宽约等于6．00MHz，所以可以保证激光器的锁定。
 
总结
根据以上的实验结果，可以对比温度以及电流对于激光器输出频率的影响，如图6所示。
可见二者对于阿伦方差在1．00×102s内的激光器频率稳定度均小于1．00×10－8，然后实际测量DFB外腔激光器频率的变化并计算其稳定度，如图7所示。 本文设计的高精度激光器驱动系统中温控电路测试结果表明，温控稳定度可以达到1．00×10－5，对激光器相对频率的影响小于1．00×10－9。电流测试表明电流稳定度可以达到1．00μA，电流的纹波小于1．00×102nA，对激光器相对频率的影响小于1．00×10－8，实际测量激光频率的稳定度约为1．00×10－9，经过后期锁频之后的频率稳定度基本与He-Ne激光器［9］相当，但是半导体激光器具有比He-Ne激光器更容易调谐和调制的优势，因此半导体激光器更有发展前景。实验结果表明，本文设计的激光器控制系统可以广泛应用在基础研究和高精密测量技术研究领域中。