專利名稱：半導(dǎo)體激光器的快速移頻裝置和移頻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器的光電反饋控制領(lǐng)域，特別是一種用于原子冷卻的半導(dǎo)體激光器快速移頻裝置和移頻方法。
背景技術(shù)：
原子冷卻技術(shù)可以將運(yùn)動(dòng)的原子冷卻到非常低的溫度UK甚至nK量級(jí))，此時(shí)可以進(jìn)行一些很重要的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，比如可以進(jìn)行精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測(cè)量、重力場(chǎng)測(cè)量、驗(yàn)證廣義相對(duì)論等科學(xué)研究?；谠永鋮s技術(shù)的噴泉原子鐘以其高精度，長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)異性能日漸成為新一代的計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)時(shí)精度可以達(dá)到幾千萬(wàn)年才產(chǎn)生Is的誤差，如此精密的計(jì)時(shí)在導(dǎo)航、航天、通信等領(lǐng)域都有著重大的應(yīng)用。原子冷卻技術(shù)需要用到窄線寬，高頻率穩(wěn)定度的穩(wěn)頻激光光源，同時(shí)還有一個(gè)很重要的要求是需要穩(wěn)頻激光器能進(jìn)行快速大范圍的移頻，一般需要在ms量級(jí)時(shí)間內(nèi)使激光器快速移頻8倍甚至更大倍數(shù)的原子飽和吸收峰自然線寬(r=6MHz)，比如美國(guó)海軍天文臺(tái)(U.S.Naval Observatory)的銣(Rb)原子噴泉鐘就對(duì)冷卻用穩(wěn)頻激光器移頻8倍的自然線寬(參見參考文獻(xiàn)[I]: “Design and preliminary characterization of theUSNO rubidium fountain”， Proceedings of the 36th annual precise time and timeinterval (PTTI) systems and applications meeting, Washington, D.C, pp508, 2005)。為了能達(dá)到大范圍快速移頻的要求，可以采用以下幾種方法:一種方法是待激光器用飽和吸收光譜法穩(wěn)頻之后 ，對(duì)輸出光采用典型的雙通聲光調(diào)制器(AOM)光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行移頻，移頻之后的光再耦合進(jìn)入光纖做原子冷卻用(參見在先技術(shù)[2]: “High powerrapidly tunable system for laser cooling，，，Rev.Sc1.1nstrum.83，015111-1 4,2012,在先技術(shù)[3]: “Double-pass acousto-optic modulator system”，Rev.Sc1.1nstrum.76，063112-1 6，2005)。但是這種技術(shù)要求激光器的出射光功率很大，一般還會(huì)用到光放大器，因?yàn)锳OM的衍射效率一般在60 80%，雙通光路產(chǎn)生兩次衍射從而使大量的光功率浪費(fèi)在無(wú)用的零級(jí)衍射光上，另一方面將空間光耦合到光纖中對(duì)于光路的調(diào)節(jié)精度要求很高，同時(shí)AOM衍射效率是隨著射頻頻率變化的，這樣還會(huì)造成出纖功率的較大變化，因此這種技術(shù)一般還需要進(jìn)行光功率補(bǔ)償；一種方法是基于塞曼效應(yīng)的移頻方法(參加在先技術(shù)[4]: uFrequency-shift of a frequency stabilized laser based on Zeemaneffect”，Chin.Phys.Lett.20, 1714，2003)，但是這種方法的最大移頻速度和最大移頻范圍會(huì)受到幾個(gè)因素的限制，因此在先技術(shù)最快實(shí)現(xiàn)了約Ims的移頻速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述在先技術(shù)的不足，提出一種用于原子冷卻的半導(dǎo)體激光器快速移頻裝置和移頻方法。當(dāng)激光器在移頻時(shí)候，能保證穩(wěn)頻激光器不失鎖，滿足了原子冷卻的應(yīng)用需求。此方法簡(jiǎn)單、靈活、易于實(shí)現(xiàn)，而且能根據(jù)應(yīng)用需求靈活調(diào)節(jié)移頻范圍和移頻時(shí)間。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:一種半導(dǎo)體激光器的快速移頻裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括分布布拉格反射(簡(jiǎn)稱為DBR)激光器、整形鏡、法拉第隔離器、半波片、偏振分束鏡、雙通聲光調(diào)制器(簡(jiǎn)稱為A0M)光路、飽和吸收光路、光電探測(cè)器、鎖相解調(diào)電路、比例微分積分(簡(jiǎn)稱為PID)反饋電路、直接數(shù)字頻率合成(簡(jiǎn)稱為DDS)信號(hào)發(fā)生電路、微控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和激光電流溫度控制電路。具體元件結(jié)構(gòu)如下:所述DBR激光器的出射光依次通過(guò)整形鏡、法拉第隔離器和半波片，之后經(jīng)過(guò)偏振分束鏡分光，透射光用作原子冷卻用，反射光先經(jīng)過(guò)一個(gè)雙通AOM光路兩次移頻后返回，返回的光偏振方向已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了 90度，所以會(huì)透射過(guò)偏振分束鏡，這束光經(jīng)過(guò)飽和吸收光路后產(chǎn)生飽和吸收峰被光電探測(cè)器接收，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)入鎖相解調(diào)電路，鎖相解調(diào)電路解調(diào)出的誤差信號(hào)Se進(jìn)入PID反饋電路，PID反饋電路的輸出信號(hào)Spid通過(guò)激光電流溫度控制電路控制DBR激光器。所述的DDS信號(hào)發(fā)生電路用來(lái)產(chǎn)生可以掃描的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)Skf和同步邊沿觸發(fā)信號(hào)ST, Sef用來(lái)驅(qū)動(dòng)雙通AOM光路中的AOM元器件，St用來(lái)觸發(fā)微控制器的中斷系統(tǒng)，微控制器被觸發(fā)后同時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生一個(gè)預(yù)補(bǔ)償?shù)膾呙桦娏鱏1, S1也進(jìn)入激光電流溫度控制電路驅(qū)動(dòng)DBR激光器，所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用來(lái)采集各路電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控。一種如上 所述半導(dǎo)體激光器的快速移頻裝置的工作方法，包括步驟如下:(I)DBR激光器開啟，DDS信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生一個(gè)射頻信號(hào)Skf接入到雙通AOM光路，DBR激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)所述的飽和吸收光路后進(jìn)入光電探測(cè)器，該光電探測(cè)器將光轉(zhuǎn)換的電信號(hào)接入鎖相解調(diào)電路產(chǎn)生誤差信號(hào)Se，微控制器根據(jù)誤差信號(hào)Se的大小與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，控制PID反饋電路開啟和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)激光器的頻率穩(wěn)定在特定的飽和吸收峰上，此時(shí)輸出光頻記為V10(2) DDS信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生射頻信號(hào)Skf，射頻信號(hào)Skf的頻率在At時(shí)間內(nèi)快速移頻A Q，由于聲光效應(yīng)，雙通AOM光路對(duì)入射的激光移頻2 A Q，DDS信號(hào)發(fā)生電路在快速移頻的同時(shí)還產(chǎn)生一個(gè)同步邊沿觸發(fā)信號(hào)St ；(3)同步觸發(fā)信號(hào)St接入微控制器，觸發(fā)其中斷系統(tǒng)，此時(shí)微控制器控制數(shù)模轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生一個(gè)預(yù)補(bǔ)償?shù)膾呙桦娏鱏1, S1的大小為Al，S1的掃描時(shí)間也為At，預(yù)補(bǔ)償掃描電流S1和PID反饋信號(hào)接入激光電流溫度控制電路共同控制DBR激光器，從而實(shí)現(xiàn)快速移頻。本發(fā)明與在先技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果:1、與在先技術(shù)[2]、[3]相比，本發(fā)明的雙通AOM光路位于穩(wěn)頻光路中，而不是在激光器穩(wěn)頻之后對(duì)主光路進(jìn)行移頻，這樣只需要少量的分光就可以進(jìn)行穩(wěn)頻，大部分光功率用于原子冷卻，大大節(jié)省了光功率。2、與在先技術(shù)[4]相比，本發(fā)明的穩(wěn)頻激光器移頻范圍和移頻速度只受AOM有效帶寬和響應(yīng)速度決定，而AOM的響應(yīng)速度一般可以達(dá)到us量級(jí)，因此本發(fā)明的移頻范圍更大，移頻速度更快。3、與在先技術(shù)[2] [3] [4]相比，本發(fā)明采用的預(yù)補(bǔ)償掃描電流技術(shù)可以大大降低對(duì)于反饋電路帶寬的需求，降低反饋電路的設(shè)計(jì)難度，使得反饋電路即使在較低帶寬下也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻激光器快速移頻而不失鎖。


圖1是本發(fā)明半導(dǎo)體激光器快速移頻裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明頻率預(yù)補(bǔ)償技術(shù)原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明半導(dǎo)體激光器快速移頻裝置的結(jié)構(gòu)框圖。由圖可見，本發(fā)明裝置的構(gòu)成包括DBR激光器101、整形鏡102、法拉第隔離器103、半波片104、偏振分束鏡105、雙通AOM光路106、飽和吸收光路107、光電探測(cè)器108、鎖相解調(diào)電路109、PID反饋電路110、DDS信號(hào)發(fā)生電路111、微控制器112、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路113、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路114和激光電流溫度控制電路115。上述元部件的位 置關(guān)系如下:所述的DBR激光器101發(fā)出的激光經(jīng)整形鏡102整形后進(jìn)入法拉第隔離器103，法拉第隔離器可以防止后級(jí)光路的光反饋，出射光經(jīng)半波片104調(diào)整偏振方向，以調(diào)節(jié)偏振分束鏡105的透射光和反射光的分光比,一小部分反射光接著進(jìn)入雙通AOM光路106，所述的雙通AOM光路106中的AOM被DDS信號(hào)發(fā)生電路111產(chǎn)生的射頻信號(hào)Skf驅(qū)動(dòng)，射頻信號(hào)頻率為Q，對(duì)入射光產(chǎn)生兩次移頻，光束原路返回后透過(guò)偏振分束鏡105，接著進(jìn)入飽和吸收光路107，經(jīng)過(guò)飽和吸收的光束被光電探測(cè)器108探測(cè)轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)，該信號(hào)進(jìn)入所述的鎖相解調(diào)電路109解調(diào)出誤差信號(hào)Se，誤差信號(hào)Se經(jīng)過(guò)PID反饋電路110變換后的信號(hào)為SPID，Spid施加在激光電流溫控驅(qū)動(dòng)電路115上，從而對(duì)DBR激光器的電流進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻，當(dāng)DDS信號(hào)發(fā)生電路111進(jìn)行射頻頻率掃描時(shí)還可以產(chǎn)生一個(gè)同步邊沿觸發(fā)信號(hào)&，&連接到微控制器112，所述的微控制器112控制模數(shù)轉(zhuǎn)換電路113和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路114，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路113連接到激光電流溫度控制電路115上，激光電流溫度控制電路115控制DBR激光器101的電流和溫度，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路113連接到鎖相解調(diào)電路109、PID反饋電路110、激光電流溫度控制電路115，對(duì)這幾路信號(hào)進(jìn)行采集監(jiān)控?；谒霭l(fā)明裝置的快速移頻方法為:(I) DBR激光器(101)開啟，DDS信號(hào)發(fā)生電路(111)產(chǎn)生一個(gè)射頻信號(hào)Skf接入到雙通AOM光路，DBR激光器(101)發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)所述的飽和吸收光路(107)后進(jìn)入光電探測(cè)器(108)，該光電探測(cè)器(108)將光轉(zhuǎn)換的電信號(hào)接入鎖相解調(diào)電路(109)產(chǎn)生誤差信號(hào)Se，微控制器(112)根據(jù)誤差信號(hào)Se的大小與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，控制PID反饋電路(110)開啟和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)激光器的頻率穩(wěn)定在特定的飽和吸收峰上，此時(shí)輸出光頻記為八。(2) DDS信號(hào)發(fā)生電路(111)產(chǎn)生射頻信號(hào)Skf，射頻信號(hào)Skf的頻率在At時(shí)間內(nèi)快速移頻A Q，由于聲光效應(yīng)，雙通AOM光路(106)對(duì)入射的激光移頻2 A Q，DDS信號(hào)發(fā)生電路(111)在快速移頻的同時(shí)還產(chǎn)生一個(gè)同步邊沿觸發(fā)信號(hào)St ；(3)同步觸發(fā)信號(hào)St接入微控制器(112)，觸發(fā)其中斷系統(tǒng)，此時(shí)微控制器(112)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(114)產(chǎn)生一個(gè)預(yù)補(bǔ)償?shù)膾呙桦娏鱏pS1的大小為A !,S1的掃描時(shí)間也為A t，預(yù)補(bǔ)償掃描電流S1和PID反饋信號(hào)接入激光電流溫度控制電路(115)共同控制DBR激光器(101)，從而實(shí)現(xiàn)快速移頻?？焖僖祁l方法中的各路信號(hào)示意圖可以參閱圖2所示本發(fā)明將雙通AOM光路放在穩(wěn)頻光路中，大大降低了用于原子冷卻主光路的光功率損耗，同時(shí)采用預(yù)補(bǔ)償掃描激光器電流的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器的大范圍快速移頻，降顯著降低了反饋電子學(xué)帶寬的需求，同時(shí)也降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，移頻范圍和移頻速度可以實(shí)現(xiàn)靈活的調(diào)節(jié)控制。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以實(shí)現(xiàn)快速移頻，滿足原子冷卻 的應(yīng)用需求。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光器的快速移頻裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括DBR激光器(101)、整形鏡(102)、法拉第隔離器(103)、半波片(104)、偏振分束鏡(105)、雙通AOM光路(106)、飽和吸收光路(107)、光電探測(cè)器(108)、鎖相解調(diào)電路(109)、PID反饋電路(110)、DDS信號(hào)發(fā)生電路(111)、微控制器(112)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(113 )、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(114 )和激光電流溫度控制電路(115)，上述元件的位置關(guān)系如下: 所述DBR激光器(101)的出射光依次通過(guò)整形鏡(102)、法拉第隔離器(103)和半波片(104)，之后經(jīng)過(guò)偏振分束鏡(105)分為透射光和反射光，該透射光用作原子冷卻用，所述的反射光先經(jīng)過(guò)所述的雙通AOM光路(106)兩次移頻后返回，返回的光透過(guò)所述的偏振分束鏡(105)經(jīng)飽和吸收光路(107)產(chǎn)生飽和吸收峰被所述的光電探測(cè)器(108)接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入所述的鎖相解調(diào)電路(109)，該鎖相解調(diào)電路(109)解調(diào)出的誤差信號(hào)Se進(jìn)入PID反饋電路(110)，該P(yáng)ID反饋電路(110)輸出信號(hào)Spid輸入所述的激光電流溫度控制電路(115)，該激光電流溫度控制電路(115)輸出穩(wěn)定的電流控制DBR激光器(101 )，同時(shí)進(jìn)行溫度控制； 所述的DDS信號(hào)發(fā)生電路(111)產(chǎn)生射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)Skf和同步邊沿觸發(fā)信號(hào)St，射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)Skf接入到雙通AOM光路(106)的射頻輸入端驅(qū)動(dòng)AOM，St接入到微控制器(112)，微控制器(112)被St觸發(fā)中斷后驅(qū)動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(114)產(chǎn)生一個(gè)預(yù)補(bǔ)償?shù)膾呙桦娏鱏1，該預(yù)補(bǔ)償?shù)膾呙桦娏鱏1接入激光電流溫度控制電路(115)，所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路113用來(lái)采集各路電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控。
2.權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器的快速移頻裝置的快速移頻方法，包括步驟如下: ①DBR激光器(101)開啟，DDS信號(hào)發(fā)生電路(111)產(chǎn)生一個(gè)射頻信號(hào)Skf接入到雙通AOM光路，DBR激光器(101)發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)所述的飽和吸收光路(107)后進(jìn)入光電探測(cè)器(108)，該光電探測(cè)器(108)將光轉(zhuǎn)換的電信號(hào)接入鎖相解調(diào)電路(109)產(chǎn)生誤差信號(hào)Se，微控制器(112)根據(jù)誤差信號(hào)Se的大小與固化在微控制器程序的設(shè)定閾值進(jìn)行比較，控制PID反饋電路(110)的開啟和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)激光器的頻率穩(wěn)定在特定的飽和吸收峰上，此時(shí)輸出光頻記為v1; ②DDS信號(hào)發(fā)生電路(111)產(chǎn)生射頻信號(hào)Skf，該射頻信號(hào)Skf的頻率在At時(shí)間內(nèi)快速移頻A Q，由于聲光效應(yīng)，雙通AOM光路(106)對(duì)入射的激光則移頻2 A Q，DDS信號(hào)發(fā)生電路(111)在快速移頻的同時(shí)還產(chǎn)生一個(gè)同步邊沿觸發(fā)信號(hào)St ； ③該同步邊沿觸發(fā)信號(hào)St接入微控制器(112)，觸發(fā)其中斷系統(tǒng)，此時(shí)微控制器(112)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(114)產(chǎn)生一個(gè)預(yù)補(bǔ)償?shù)膾呙桦娏鱏pS1的大小為A IjSi的掃描時(shí)間也為At，預(yù)補(bǔ)償掃描電流S1和PID反饋信號(hào)接入激光電流溫度控制電路(115)共同控制DBR激光器(101)，使DBR激光器(101)移頻2 A Q。
全文摘要
一種半導(dǎo)體激光器的快速移頻裝置及方法，該裝置包括DBR激光器、整形鏡、法拉第隔離器、半波片、偏振分束鏡、雙通AOM光路、飽和吸收光路、光電探測(cè)器、鎖相解調(diào)電路、PID反饋電路、DDS信號(hào)發(fā)生電路、微控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和激光電流溫度控制電路。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)DBR激光器的快速移頻而同時(shí)保持鎖定狀態(tài)，雙通AOM光路應(yīng)用于穩(wěn)頻光路中，大大減少了用于冷卻的主光路的光功率損耗；采用頻率預(yù)補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速移頻，顯著地降低了快速移頻對(duì)于系統(tǒng)反饋帶寬的需求，同時(shí)也降低了反饋電路的設(shè)計(jì)難度，使之變得簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)和易于實(shí)現(xiàn)，即使在反饋帶寬較低的情況下也能實(shí)現(xiàn)大范圍的快速調(diào)諧。
文檔編號(hào)H01S5/062GK103227415SQ20131009792
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月25日
發(fā)明者孫延光, 董作人, 陳迪俊, 蔡海文, 瞿榮輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所