自动稳频半导体激光器研究

实现了一种新的稳频方案。通过对饱和吸收信号进行检测,得到半导体激光器频率的变化量,利用温度粗调、电流细调的方法对半导体激光器进行稳频,根据此思路设计了基于单片机控制的稳频系统的硬件电路及软件辅助锁频程序。经实验验证,该系统实现了开机自动稳频,已经连续稳定工作超过180天,得到秒级稳定度4.57×10-11,千秒级稳定度3×10-12,近万秒级稳定度2.78×10-12的稳定度指标。为实现稳频半导体激光器的小型化和模块化提供了一种途径。     

1.5μm波段乙炔气体稳频光纤光栅外腔半导体激光器

为了提高1.5μm波段激光器的频率稳定性,利用乙炔分子饱和吸收稳频,设计了一种稳频的光纤光栅外腔半导体激光器。其通过步进电机对光纤光栅进行拉伸调节波长,实现了激光频率调谐。结果表明,所研制的激光器拥有较高的频率稳定度。     

外腔半导体激光器的设计与高次谐波稳频

首先讨论了半导体激光器外腔结构参量对激光连续可调范围影响的理论计算方法，给出了Littrow结构外腔半导体激光器调谐范围的计算结果。然后介绍了半导体激光器外腔结构参量的具体设计，利用该设计得到了出射激光线宽小于1 MHz、连续可调谐范围可达3 GHz的780 nm波段外腔半导体激光器。接着讨论了利用腔外饱和吸收谱的三次谐波稳频方法对半导体激光器进行稳频，优化激光频率短期稳定度的方法。最后根据该优化方法设计出稳频系统对半导体激光器进行稳频，得到了稳定度达到10-12量级的半导体激光输出。     

可调谐半导体激光器的高精密驱动电源与稳频设计

介绍了一种新型实用的半导体激光稳频系统,主要包括精密控温电路、精密控流电路和激光稳频电路.对电路原理进行了讨论,给出了具体的参考电路和测量结果.结果表明控温电路的控制精度达到1 mK,使得由于温度影响导致的频率漂移小于3.8 MHz,控流电路的控制精度为1 μA,使得由于电流抖动引起的频率抖动小于1 MHz,控温,控流电路与稳频电路组成的半导体激光稳频系统能够很好地将频率稳定于原子跃迁线上.所设计的稳频系统精度高、调节方便,可用于激光精密长度测量、化学精密检测和激光冷却等.     

高稳定度窄线宽激光器的研究

介绍了3种不同类型的高稳定度窄线宽激光器的研究进展.基于Littman结构和饱和吸收光谱稳频技术,研制了稳频外腔半导体激光器系统,输出波长为780.2 nm,频率稳定度1 MHz,不失锁时间大于12 h.利用边带稳频技术将分布反馈(DFB)激光器的输出波长稳定在Cs原子的吸收谱线的边带处,引入数字信号处理器(DSP)全数字稳频控制技术,实现了自动找频和稳频,获得波长为852.3 nm的稳频激光输出,24 h内频率漂移为±2 MHz.利用国产磷酸盐玻璃光纤作为增益介质,实现了一台高功率单纵模光纤激光器,制作的厘米级激光器实现了最大输出功率100 mW,利用外部光反馈实现单偏振运转,测得输出线宽为2 kHz,偏振消光比优于35 dB.     

外腔半导体激光器设计与高次谐波稳频

研究了利特罗(Littrow)结构外腔半导体激光器的结构参量对激光连续可调范围的影响。给出了反射镜转轴等处的机械加工误差对激光波长连续可调范围所造成的影响的数值计算结果。介绍了半导体激光器外腔结构设计的具体细节要点。利用该设计制作的外腔只需要配合商用半导体激光管便可以得到优质的780nm激光输出,经测量其线宽小于1MHz,连续可调谐范围大于3GHz。利用腔外Rb饱和吸收谱的三、五次谐波稳频方法对半导体激光器进行了稳频。其中提出了优化激光频率短期稳定度的方法,并对调制深度的选择给出了详细的理论解释。根据该优化方法设计出稳频系统对半导体激光器进行稳频,得到了稳定度达到10-12量级的半导体激光输出。     

用于原子重力仪的外腔半导体激光器的两种稳频方法比较

在铷原子气室中实现了饱和吸收谱稳频法和消多普勒的双色谱稳频法,以给在建的原子干涉重力仪系统选择合适的激光稳频方法。介绍了两种稳频方法的基本原理及实验细节。通过调整光路设计、自制低噪声光电探测器以及应用数字锁定模块,获得了良好的鉴频误差信号。每种方法都搭建了两套稳频系统并在3 000 s采集时间内保持锁定。激光器在经饱和吸收法和消多普勒双色谱法锁定后,激光频率波动分别为16.2 kHz和31.4 kHz,相应于在10 s采样时间下分别获得4.2110-11和8.1810-11的频率稳定度;相比之下,激光器自由运转时,频率波动和稳定度分别为629 kHz和1.6410-9。在原子重力仪系统小型化的需求下详述了两种稳频方法的优缺点,比较而得消多普勒的双色谱稳频法在原子干涉重力仪的小型化模块化发展方向不失为具有潜力的一种选择。     

采用射频调制实现对单频激光器频率噪声的抑制

在使用铷原子饱和吸收谱线作为激光频率参考进行稳频的激光稳频系统中,环路带宽是影响激光输出频率噪声的重要因素之一。对激光稳频系统中限制环路带宽的主要因素进行分析,使用射频调制信号直接调制商用外腔半导体激光器的高速电流调制端来对激光稳频系统的环路带宽进行拓展。根据对稳频环路的分析,合理设置反馈电路,实现激光稳频。使用低频谱分析仪对稳频后的鉴频信号进行分析,发现带宽拓展后,在傅里叶频率为5kHz处对频率噪声的抑制度达到了20dB以上。通过将该稳频激光器输出的激光与锁定在极稳恒温晶振上的飞秒光学频率梳进行拍频,测量了该稳频激光相对光梳的频率噪声,测量结果与直接分析鉴频信号的结果吻合。经过测量,通过拓展带宽抑制频率噪声,稳频激光器的短期频率稳定度得到改善。最后,测量了稳频激光相对于锁定在恒温晶振上的飞秒光学频率梳的频率稳定度,Allan方差在平均时间1s时达到4.52×10~(-12),在平均时间20s时达到1.65×10~(-12)。     

低功耗、小型化稳频激光系统的设计与实现

设计并实现了一种低功耗、小型化、可长期稳定运行的自动稳频激光系统。通过设计并实现高效率、低纹波的电压源,较大幅度地降低了整个系统的功耗和体积;通过设计并实现高性能温度控制电路、电流控制电路和稳频电路,得到了线宽较窄、频率稳定度较高的输出激光。该系统能够自动长期稳频,输出激光线宽约为1 MHz,稳定度指标为秒稳定度1.43×10~(-10),十秒稳定度3.90×10~(-11),百秒稳定度1.28×10~(-11),千秒稳定度2.25×10~(-11)。在稳定度略优于商用外腔半导体激光器的前提下,该激光系统电源体积缩小了约85%,整机功耗降低了约90%,为实现半导体稳频激光系统的低功耗和小型化提供了一种新的方案。     

基于声光调制器的光学锁相环He-Ne激光稳频方法研究

报道了一种基于声光调制器与光学锁相环相结合的高稳定度激光稳频方法,用于提高热稳频He-Ne激光器的频率稳定度和准确度。为了克服全内腔热稳频He-Ne激光精密调谐困难的缺点,发展了基于声光调制器两次移频的频率调谐光路,有效地消除声光调制器移频光束路径对衍射角θ的依赖。自行研制了具有高灵敏度与捕获带宽的光学锁相环系统,利用声光调制器的高频率响应特性实现热稳频He-Ne激光高速、准确的锁定。成功实现了热稳频He-Ne激光器偏频锁定至碘稳频HeNe激光器。实验结果表明,环路锁定后拍频频率波动在±0.2 Hz范围内,频率抖动的标准差为0.04。偏置频率为30 MHz时,系统在1 s和1 000 s积分时间的相对阿伦方差分别为3.3×10^-9和1.4×10^-12。系统锁定后,压缩后的拍频线宽小于2 kHz。该研究表明,采用基于声光调制器与光学锁相环相结合的激光稳频方法可以实现亚赫兹级的激光频差控制,通过将热稳频He-Ne激光器偏频锁定至高稳定度的参考激光源可以显著提升其频率稳定度和准确度。     

采用温控和碘吸收池技术的发射激光稳频技术

多普勒测风激光雷达通过分析系统回波信号的多普勒频移反演出风速，为提高风场探测精度，从稳频技术方面展开研究。在稳频过程中，分别采取措施消除激光频率的长期漂移和短期抖动。针对激光频率的长期漂移，设计并研制了种子激光器温控箱，通过水浴的控温方式大大减小了激光频率的长期漂移，将激光频率稳定在±50 MHz以内；针对激光频率的短期抖动，采用以碘分子吸收池为核心器件的稳频系统，通过半导体控温方式对碘分子吸收池精确控温，控温精度达0.03 ℃，提高了稳频精度，将激光频率进一步稳定在±8 MHz以内，满足±10 MHz以内的设计精度要求。通过搭建多普勒测风激光雷达系统，对发射激光稳频装置进行系统验证，连续4组风场观测结果表明:系统探测高度为17 km，绝大部分方差在4 m/s以下，满足测风激光雷达测量指标的要求。     

利用反馈环路稳定CO_2激光器的功率

本文报导CO_2激光器功率稳定环路的构成与性能。以荧光饱和吸收稳频的CO_2激光作基准,测定了功率稳定后的频率稳定性,结果表明,功率稳定可改善频率的长期稳定性。     

用于激光气体同位素探测的多通池温度控制系统研制

采用激光吸收光谱法可实现气体同位素丰度的探测,由于待测气体吸收线的吸收系数会受待测气体温度的影响,将直接影响气体同位素检测系统的精准度和稳定度,文中设计并研制了一种高精度的多通池温度控制系统。硬件方面,采用高精度PT1000铂电阻温度采集电路与聚酰亚胺电热膜加热装置,构成了一个完整的闭环温度控制结构。软件方面,采用Ziegier-Nichols工程整定方法对比例、积分、微分三个系数完成整定。针对被控对象结构复杂响应较慢引起超调量大问题,采用积分分离比例-积分-微分控制算法,使温度控制快速且无超调。利用该系统进行温度控制实验,实验表明:温度控制范围为18~42℃,温度控制精度达到0.08℃,稳定时间位15 s,该系统具有精度高、响应快速、无超调的优点,为激光气体同位素探测提供了可靠保障。     

半导体激光器稳频技术

窄线宽稳频激光器在精密干涉测量、光学频率标准、激光通信、激光陀螺、激光雷达、基本物理常数测量和冷原子系统等研究领域有着广泛的应用。自由运转的半导体激光器每天的频率漂移量可以达到GHz,因此研究半导体激光器的稳频具有十分重要的意义。以780 nm的半导体激光器稳频为例,介绍了目前广泛使用的各种半导体激光稳频技术的基本原理及试验方案,如消多普勒饱和吸收光谱稳频技术、消多普勒双色谱稳频技术、调制转移谱稳频技术、调频光谱稳频技术和频率-电压转换稳频技术,并对各种稳频方法的性能和特点进行了分析。     

原子干涉仪中激光频率和光强控制系统的设计

为了对铯原子外态干涉仪的激光束精密控制,设计了一套适用于多种需求的激光频率和光强控制系统。该系统基于声光调制器,并集成了激光移频、光强稳定和光强调制等功能。首先,根据原子干涉仪的原理,提出对激光的要求和指标。接着,按照提出的要求设计了集成锁相频率合成器等硬件电路系统和LabVIEW软件控制系统。最后,对所开发的系统进行了实验测试。实验结果表明:系统的移频范围可控制在100~200MHz;光强稳定性好,采用稳光系统后输出光强的波动减小为2%。设计的这套系统功能齐全,可靠有效,实现预期目标,满足原子干涉仪对光学系统的要求。另外此系统还可以应用到其他需要系统中,比如原子钟、原子干涉重力梯度仪等。     

采用射频频率调制光谱实现半导体激光器稳频

利用半导体激光器可直接对注入电流进行高速调制的特点，将20MHz射频(RF)信号直接加在半导体激光器的高频调制端口，射频信号的一部分经过相移器后，与雪崩光电探测器(APD)所探测的饱和吸收光谱信号进行混频，经低通滤波器后产生了类色散曲线；将半导体激光器的输出频率稳定在铯原子D2线的^6S1/2(F=4)→^6P2/2(F'=5)的超精细跃迁线上，实验所测的10s内典型的频率起伏小于1MHz；这种稳频技术不需锁相放大器，具有可避免低频段较高的强度噪声和较大的频率捕获范围的优点。     

Frequency stabilization of the sequence-band CO2 laserusing the 4.3-μm fluorescence method

The saturated 1.3-μm fluorescence stabilization method is applied to the 00⁰2-[10⁰1, 02⁰1]_I,II sequence band CO₂ laser transitions. For this purpose, the 4.3-μm fluorescence is observed using an external longitudinal CO₂ absorption cell heated to 300°C. The dependence of the frequency stability upon the gas temperature and pressure in the cell as well as laser parameters have been carried out in absolute frequency scale with the help of a two-channel heterodyne system. Under optimal conditions, the standard deviation of the beat note frequency between sequence band and regular band lasers for 30 s averaging time is less than 20 kHz, and the long-term stability and reproducibility is achieved at about 10 kHz     

基于温度闭环反馈的He-Ne激光器热稳频系统

为了提升激光回馈测量系统中He-Ne激光器的性能, 解决激光回馈镜不断移动时频率无法使用传统方法稳定的技术问题, 采用基于温度反馈控制激光器管体温度的闭环被动稳频的方法, 进行了理论分析和实验验证, 研究了不同管体温度与环境温度差值下频率稳定性。结果表明, 系统最佳温差为25.6℃; 在此温差条件下稳频后, He-Ne激光器波长波动范围达10-4, 即频率稳定性达到1.61×10-7, 功率漂移量低于3.20%。该系统可以根据环境温度的变化调节稳频温度点, 并且稳频结构简单, 满足激光回馈一般应用系统稳定性的要求。     

相位调制光外差稳频信号检测技术

在高功率条件下,由于受到多种因素的影响,单频光纤激光器输出激光的谱线宽度大幅展宽,输出激光的稳定性也不高。相位调制光外差稳频（PDH）技术在高功率条件下可以实现高频率稳定性。为实现对中心波长为1 064 nm的单频光纤激光器的稳频,理论分析了PDH稳频系统的原理并搭建PDH稳频系统。实验发现100 MHz相位调制光外差信号的检测是稳频系统的关键。实验中首先利用自行设计的探测器前置放大电路,基于Si探测器,实现了信号的探测和放大;其次,设计解调电路,通过将光电转换后的信号与参考信号进行混频实现解调,得到鉴频曲线,实现对光外差信号的检测。     

用于气体浓度检测的VCSELs温度控制电路设计

在利用可调谐半导体激光器吸收光谱（TDLAS）技术对气体浓度进行检测时,检测系统对激光器的温度稳定性要求较高。提出了一种基于max1978的VCSEL激光器自动温度控制（ATC）方案,建立了热电制冷器（TEC）的数学模型,对TEC的热惯性进行了测试,以热惯性测试结果为基础对比例积分微分控制（PID）电路参数进行了整定,设计出了具有较高控制性能的温度控制电路。电路采用闭环负反馈自动控制方案,采用PID电路产生控制信号,驱动TEC,实现了对VCSEL激光器工作温度的有效控制。实验测试结果表明,电路的温度控制精度达到+0.03℃,较好地实现了激光器工作温度稳定性的控制。