一种自适应窄线宽半导体激光稳频装置的制作方法

本发明主要涉及到激光器技术领域，特指一种用于碱金属激光泵浦的自适应窄线宽半导体激光稳频装置。

背景技术：

碱金属激光器采用半导体激光泵浦碱金属原子饱和蒸气，利用碱金属原子外层价电子能级跃迁实现激光输出。该类激光器结合了半导体激光高功率输出和气体介质流动散热优势，具有全电操作、轻质紧凑、量子效率高和大气传输特性好等特点，具有良好的高功率输出潜力，在激光传能、航空航天以及军事等领域具有潜在应用价值。

碱金属激光的实现依赖于高品质的半导体泵浦源，对其光谱特征具有苛刻要求：一方面，由于碱金属原子吸收光谱线宽很窄，根据腔压不同一般在0.02～0.2nm范围内，而商用半导体激光器发射光谱线宽通常在2～4nm，因此需要对半导体激光进行线宽压缩至与碱金属原子吸收谱宽相同的量级；另一方面，半导体泵浦光谱发射中心波长需要与碱金属原子吸收中心波长精确对准，只有同时具备上述两个条件才能实现碱金属原子的高效泵浦。碱金属激光泵浦源主要采用基于体光栅的外腔法实现，即通过在半导体激光器巴条前端耦合具有窄带光谱反馈特性的体布拉格光栅(后简称为“体光栅”)，此时半导体激光器原先的谐振腔被以体光栅和半导体增益介质后腔面所形成新的激光谐振腔—即所谓的“外腔”所取代，从而实现窄带光谱输出，同时可以实现和激光器自由运转时相当的电光转换效率。

然而，体光栅外腔方案虽然能够实现光谱的有效压窄，但无法确保准确的中心波长，其原因有二：一是激光器输出波长取决于体光栅自身反馈波长，而反馈波长由于设计和加工误差等往往与碱金属原子吸收波长存在偏差；二是体光栅反馈波长受其材料温度影响，随温度增加而向长波方向偏移(典型的波长温漂系数为8-10pm/℃)，而在半导体工作过程中激光本身即会加热体光栅，使出射激光波长发生改变。因此，鉴于体光栅加工过程中难以避免的波长偏差和实际半导体对体光栅加热程度的不确定性，输出激光波长往往无法精确对准碱金属原子吸收谱线。

为了解决这一问题，现有方案是对体光栅进行主动温控，即在半导体工作过程中通过对体光栅进行加热或者制冷人为地改变中心波长，以达到与碱金属原子吸收谱线精确对准的目的。这种方法虽然原则上是奏效的，例如美国空军武器实验室(opt.lett.,vol.33,no.7,page702,2008)、中国国防科技大学(chin.phys.lett.,vol.28,no.10,104202,2011)、德国dilas半导体公司(proc.ofspie,vol.8962,89620f,2014)等目前均采用该方案，但在实际应用中却存在局限：一方面，该方案环境适应性较差，环境参数(温度、湿度等)变化会引起半导体激光器和体光栅相应参数发生改变，导致已经校准好的系统再次出现波长偏差，因此在不同的环境下使用往往需要重新进行波长校准；另一方面，高功率半导体系统含有数目众多的巴条和体光栅(一般情况下，每1kw功率包含>10个巴条，每个巴条都对应一个独立的体光栅)，一旦系统出现波长偏差，人为标校过程将会十分复杂和耗时。截至目前，尚无有效的解决方案。这里需要指出的是，对于低功率单频半导体激光器，目前虽然存在成熟的基于碱金属原子气室饱和吸收稳频的主动波长控制方案，但该方案要求半导体激光器工作于单纵模状态且碱金属原子气室处于不含有其他缓冲气体从而可以对碱金属原子能级进行超精细结构分辨，而碱金属激光器运转不满足上述条件，因此无法使用饱和吸收稳频方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可以有效提升泵浦系统光谱稳定性、使用便捷性、环境适应性的自适应窄线宽半导体激光稳频装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种自适应窄线宽半导体激光稳频装置，包括：半导体激光器、光束准直系统、体光栅、加热装置、原子气室、荧光测量装置以及信号处理和控制系统，所述半导体激光器、光束准直系统和体光栅三者形成外腔，在所述体光栅窄带后向衍射反馈作用下，外腔出射激光光谱相比自由运转时的半导体激光器1得到压窄；部分出射激光入射至原子气室激发碱金属原子产生共振荧光，所述荧光测量系统检测荧光信号并输入信号处理与控制系统，所述信号处理与控制系统通过调节体光栅中加热装置的加热功率改变光栅温度进而改变出射激光中心波长。

作为本发明的进一步改进：所述出射激光依次经过分光元件、光衰减元件、聚焦透镜进入原子气室。

作为本发明的进一步改进：所述半导体激光器1为单发光源、线阵单巴条或者叠阵多巴条封装形式。

作为本发明的进一步改进：所述半导体激光器1的发射波长为766nm或770nm、780nm或795nm、852nm或894nm。

作为本发明的进一步改进：所述光束准直系统包括快轴准直透镜、慢轴准直透镜中的一种或者组合。

作为本发明的进一步改进：所述原子气室包括碱金属原子和缓冲气体，所述碱金属原子为钾、铷或者铯中的一种，所述缓冲气体是氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的一种，或者是氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的一种与烃类气体如甲烷或者乙烷中的一种的混合气体。

作为本发明的进一步改进：所述原子气室的窗口为正入射或者布儒斯特角入射。

作为本发明的进一步改进：所述荧光测量系统为光电倍增管、雪崩光电探测器、光电二极管或者其他荧光探测装置。

作为本发明的进一步改进：所述加热装置为电阻加热、水浴加热或油浴加热。

作为本发明的进一步改进：当荧光信号最强时表明出射激光的中心波长与碱金属原子吸收谱线实现精确对准，此时信号处理与控制系统保持恒定的加热功率和光栅温度；当由于外界环境改变导致激光中心波长发生偏移时，所述信号处理与控制系统将自动调节加热功率直至荧光信号再次达到最强。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的自适应窄线宽半导体激光稳频装置，为一种新的光谱自适应窄线宽半导体激光稳频装置。该装置采用闭环光谱反馈控制方案，自适应实时动态调整体光栅耦合窄线宽半导体激光系统输出中心波长，使用过程中无需人工标校，可以有效增强系统的使用便捷性和环境适应性。

2、本发明的自适应窄线宽半导体激光稳频装置，利用碱金属原子本身进行波长校准，相比于利用光谱仪等常规方法所存在的仪器自身测量误差和精度等问题，该装置能够可靠实现泵浦波长与碱金属原子吸收谱线的精确对准。

3、本发明的自适应窄线宽半导体激光稳频装置，具备光谱自适应调节能力，使用过程无需人为标校，有效增强系统可靠性、使用便捷性和环境适应性。

4、本发明的自适应窄线宽半导体激光稳频装置，结构简单，易于集成，具有良好的实际应用潜力。

附图说明

图1是自适应窄线宽半导体激光稳频装置组成结构示意图。

图2是体光栅加热温升与入射激光中心波长之间的关系。

图3是入射激光光谱线型与原子吸收光谱线型匹配示意图。

图4是荧光强度与入射激光和原子吸收谱线中心波长偏差之间的关系。

图例说明：

1、半导体激光器；2、快轴准直透镜；3、慢轴准直透镜；4、半导体发射激光；5、体光栅；6、第一激光；7、出射激光；8、分光元件；9、第二激光；10、光衰减元件；11、聚焦透镜；12、原子气室；13、第三激光；14、荧光测量装置；15、信号处理和控制系统。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的自适应窄线宽半导体激光稳频装置，包括：半导体激光器1、光束准直系统、体光栅5、加热装置、分光元件8、光衰减元件10、聚焦透镜11、原子气室12、荧光测量装置14、信号处理和控制系统15。半导体激光器1、光束准直系统和体光栅5三者形成外腔，在体光栅5窄带后向衍射反馈作用下，外腔出射激光7的光谱相比自由运转时的半导体激光器1得到压窄；部分出射激光7入射至原子气室12激发碱金属原子产生共振荧光，利用荧光测量系统14检测荧光信号并输入信号处理与控制系统15，信号处理与控制系统15通过调节体光栅5加热功率改变光栅温度进而改变出射激光中心波长，当荧光信号最强时表明出射激光中心波长与碱金属原子吸收谱线实现精确对准，此时保持恒定的加热功率和光栅温度；当由于外界环境改变等因素导致激光中心波长发生偏移，信号处理与控制系统15将自动调节加热功率直至荧光信号再次达到最强，实时自适应保证出射激光波长的准确性和稳定性。

如图1所示，为本发明的一个具体应用实例，主要适用于碱金属激光泵浦，该实例以单巴条铷蒸气激光半导体泵浦源为例进行说明，但同样适用于钾和铯激光泵浦，以及其他具有窄带吸收光谱特性的原子或者分子激光介质泵浦。它包括：

半导体激光器1，本实例为单巴条线阵半导体激光器，通常具有19个发光源，半导体激光介质前表面通常镀增透膜(反射率r≤1％)，自由运转时发射激光光谱宽度通常在2-4nm(半高全宽)之间；

快轴准直透镜2和慢轴准直透镜3，二者共同构成光束准直系统；半导体发射激光4经过光束准直系统后在快轴和慢轴方向的发散角均控制在8mrad以内；

体光栅5，半导体发射激光4入射至体光栅后部分激光(图中为第一激光6)被衍射并反馈回半导体激光器1，衍射效率通常在5-30％之间；

此时半导体激光器1、快轴准直透镜2、慢轴准直透镜3和体光栅5共同构成新的激光谐振腔以取代半导体激光器1本身的激光谐振腔，通常称之为“外腔”；

由于体光栅5具有窄带光谱衍射特性，根据使用需求不同其衍射带宽一般可在0.02nm到0.5nm(半高全宽)之间选取，此时外腔的出射激光7的光谱宽度与体光栅5的衍射带宽相当或者略宽，相比半导体自由运转光谱宽度(2-4nm)得到有效压缩；出射激光7的中心波长与体光栅5的衍射中心波长一致，由于体光栅5的衍射中心波长与温度相关，随温度增加而向长波方向漂移(波长温漂系数在8-10pm/℃)，实际中通常选取体光栅5的衍射中心波长略低于使用波长，然后通过加热而非制冷的方式对输出波长进行精调谐(见图2所示)；

外腔出射激光7入射至分光元件8，部分被反射(图中为第二激光9)依次进入光衰减元件10、聚焦透镜11和原子气室12，部分透射(图中为第三激光13)作为最终应用泵浦激光；分光元件8通常为平面镀膜光学镜片，其反射率不宜过高否则会导致整体激光效率下降，一般控制在2％以内；光衰减元件10用于对激光功率进行衰减将其限制在2w以内，以避免过高的激光功率对原子气室12(本实例为碱金属原子气室)造成损伤；聚焦透镜11用于将激光聚焦后以一定的强度入射至原子气室12，通常需要达到不低于100w/cm²的入射强度；原子气室12内包含有铷金属和缓冲气体，其缓冲气体的成分和气压应与实际泵浦铷激光增益介质的缓冲气体相同或者相近，通常为惰性气体(氦气)或者其与甲烷的混合气体，原子气室12可在室温下使用；

由于入射激光9发射光谱和铷原子吸收光谱均具有一定的宽度，如图3所示，图中选取典型碱金属激光光谱参数(入射激光光谱为高斯线型宽度为0.05nm，缓冲气体碰撞加宽条件下铷原子吸收谱线为洛伦茨线型宽度为0.06nm)，当二者的光谱存在重叠时(此例中心波长偏差δ＝0.02nm)铷原子即会吸收部分激光能量，吸收的能量主要以原子自发辐射—即共振荧光的形式释放，当激光的中心波长与铷原子吸收谱线中心精确对准时(δ＝0)，共振荧光达到最强，当二者存在偏差时(δ≠0)，共振荧光将随偏差δ的增加而不断减弱，图4给出随着δ变化铷原子气室发射荧光强度的变化(计算中选取入射激光光谱线宽0.05nm，铷原子气室处于室温20℃并充入1atm氦气和200torr甲烷混合气体)；

荧光测量装置14，用于探测共振荧光信号强度并将其转化为电信号输入至信号处理和控制系统15；

信号处理和控制系统15，用于根据检测到的荧光信号强度，对体光栅加热装置16的输入功率进行调节以动态改变体光栅温度，实时确保荧光测量装置14检测的荧光强度为最大值；在具体应用中，信号处理和控制系统15的程序控制逻辑为：在已输入荧光信号强度基础上，增加体光栅温度，如果检测到荧光信号增强，则继续增加温度，如果检测到荧光信号减弱，则降低温度，直至检测到最大荧光信号强度，并始终动态监测和维持最佳输出波长。

在具体应用实例中，半导体激光器1可以根据实际需要选择单发光源、线阵单巴条或者叠阵多巴条封装形式。

在具体应用实例中，半导体激光器1的发射波长可以为766nm或770nm(钾原子d1或d2线泵浦)、780nm或795nm(铷原子d1或d2线泵浦)、852nm或894nm(铯原子d1或d2线泵浦)，以及其他可应用于具有窄吸收谱带的原子或者分子泵浦波长，这些均应在本发明的保护范围之内。

在具体应用实例中，光束准直系统包括快轴准直透镜2、慢轴准直透镜3或者其他具有光束准直或者整形作用的微透镜中的一种或者多种的组合，只要能够满足实际需要的结构形式均应在本发明的保护范围之内。

在具体应用实例中，原子气室12包括碱金属原子和缓冲气体，碱金属原子为钾、铷或者铯中的一种，缓冲气体是氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的一种，或者是氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的一种与烃类气体如甲烷或者乙烷中的一种的混合气体。

在具体应用实例中，根据实际需要，原子气室12的窗口可以为正入射或者布儒斯特角入射。

在具体应用实例中，根据实际需要，荧光测量系统14可以为光电倍增管、雪崩光电探测器、光电二极管或者其他荧光探测装置。

在具体应用实例中，根据实际需要，加热装置可以为电阻加热、水浴加热、油浴加热或者其他加热方式。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。