专利名称：智能化原子分子稳频半导体激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及半导体激光器稳频，特别涉及微处理器控制的原子分子稳频半导体激光器。
背景技术：
在一些窄带滤光的光学系统，如采用原子滤光的开放空间激光通信及激光遥感等应用领域中，要求发射激光器的输出波长与接收原子滤光器的透射波长保持长期的一致性。现有激光器，如光栅反馈半导体能比较容易的实现波长调谐，以达到输出波长与接收原子滤光器一致，但是其波长会随着环境因素而变化，不能保证发射端长期稳定的与接收端建立信道联通，使系统不能长期稳定地工作。
现有的光栅反馈半导体激光器采用光栅作为频率基准的光反馈稳频措施，较容易获得波长可调谐以及窄线宽的激光输出，短期频率稳定性较好，但光栅基准本身容易受环境温度和震动等影响，会发生基准频率变化，导致其输出波长的变化和漂移。因此，在实际应用中，通常需要在光栅反馈半导体激光器的基础上，再增加稳定的原子分子频率基准源，通过差分或锁相的模拟电路反馈稳频措施，将激光频率锁定在原子分子跃迁频率基准上，以满足应用要求。但是，这种模拟的电子控制稳频方式的控制范围有限，特别是不能自动地进入工作，而且，当环境变化导致激光状态脱锁时，又不能自动恢复锁定状态。从而使这种稳频激光器不符合长期稳定工作的需求。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种智能化原子分子稳频半导体激光器，采用微处理器对鉴频信号进行分析，调节半导体激光器的电流、光栅和温度，进行频率搜索和优化，并锁定在频率基准源的稳频点上，能进行实时监控和优化调整，如果环境条件变化造成频率脱锁，能自动恢复稳频，使稳频激光器能保持长期稳定工作，满足了许多工程应用的要求。
为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案(1)结构组成一种智能化原子分子稳频半导体激光器，包含光栅反馈半导体激光器和电反馈稳频控制器两部分。
光栅反馈半导体激光器是现有产品，包括光学单元和电子控制单元两部分；其中光学单元由半导体激光器、光栅组件和恒温组件组成；电子控制单元由电流驱动器、电压驱动器和恒温控制器组成。
电反馈稳频控制器采用微处理器控制方式，包含部分反射镜、频率基准源、光电探测器、模数转换器、微处理器、存储器、第一数模转换器、第二数模转换器和第三数模转换器；其中频率基准源是原子分子泡或原子滤光器等以原子分子跃迁谱线为基准的频率参考源。部分反射镜倾斜放置于光栅反馈半导体激光器输出的激光光路中，在部分反射镜的反射光路中依次放置频率基准源和光电探测器，光电探测器输出的鉴频信号连接到模数转换器，模数转换器输出的数字信号连接到微处理器，微处理器将接收到的鉴频信号进行分析，给出电流驱动器电流、电压驱动器电压以及恒温控制器温度的数字信号，分别送到第一数模转换器、第二数模转换器和第三数模转换器，经数模转换后再分别与电流驱动器、电压驱动器和恒温控制器的输入端连接，存储器与微处理器连接。
(2)参数选取鉴频曲线的形式如图2所示，不同类型的频率基准源所得到的鉴频曲线不是上凸就是下凹的，只要在光电探测器和模数转换器之间加一级反相器，就可以将下凹型鉴频曲线和上凸型鉴频曲线相互转换。激光稳频的措施就是将激光频率锁定在鉴频曲线的某一位置，选择最多的是鉴频曲线的极大值或极小值点。
当激光频率不在鉴频曲线的频率范围内时，光电探测器上没有信号，只有噪声。在频率搜索过程中，判别激光频率是否在鉴频曲线的频率范围内的标准是光电探测器上的信号是否达到判别阈值C，C的取值要比噪声高。在频率锁定过程中，判别激光频率是否在鉴频曲线极大值的标准是光电探测器上的信号变化是否超过误差范围ΔP＝(1-a％)Pmax，ΔP的取值越小，稳频精度越高。
(3)稳频方法微处理器从模数转换器接收到的鉴频信号进行分析，并给出电流驱动器电流、电压驱动器电压以及恒温控制器温度数字信号，微处理器对数据的处理方法包括开机、频率搜索、频率优化、频率锁定和关机五个程序模块开机程序模块从存储器读取有无存放成功稳频的参数，如果有，程序读取存放的数据参数电流驱动器电流I、电压驱动器电压V以及恒温控制器的设置温度T的数字信号，并分别传输给第一数模转换器、第二数模转换器和第三数模转换器，等到系统稳定后，进入“频率优化”程序模块；如果没有，进入“频率搜索”程序模块。
频率搜索程序模块在允许的范围内扫描I、V、T，寻找满足鉴频曲线要求的激光频率。方法是I每扫描完成一个周期，V变化一个步进单位，至V扫描完成一个周期，T变化一个步进单位，在整个扫描过程中，I每改变一个步进单位，微处理器对鉴频信号强度P进行采集，并与判别阈值C进行比较，如果P＞C，停止扫描，进入“频率优化”程序模块，否则继续循环扫描。
频率优化程序模块通过调节I，将激光频率调到频率基准源鉴频曲线的极大值Pmax。
频率锁定程序模块定时检查鉴频信号强度，如果发现频率偏移超过预设值，进入“频率优化”程序模块，进行频率优化调节，使激光频率锁定在鉴频曲线的极大值。方法是每间隔一段时间采集一次鉴频信号强度P，并与a％Pmax比较，如果P＜a％Pmax进入“频率优化”程序模块；如果P≥a％Pmax，间隔一段时间后再次采集鉴频信号强度P并与a％Pmax进行比较，如此反复不停的进行。
关机程序模块当发出关机中断指令时，将I、V、T参数保存到存储器，并逐渐减小I和V直到零，最后关闭系统。
本实用新型的优点效果是利用原子分子谱线作为频率基准源，采用微处理进行信号处理和反馈控制，可自动调节半导体激光器的电流、光栅和温度，进行频率搜索和优化，并将激光频率锁定在频率基准源的稳频点上，能进行实时监控和优化调整，使激光频率长期稳定、无漂移。如果环境条件变化造成频率脱锁，能自动恢复稳频，使稳频激光器能保持长期稳定工作，满足了许多工程应用的要求。
图1为智能化原子分子稳频半导体激光器的结构组成。
其中1光栅反馈半导体激光器，2电反馈稳频控制器，101电流驱动器，102电压驱动器，103恒温控制器，201微处理器，202数据存储器，203第一数模转换器，204第二数模转换器，205第三数模转换器，206模数转换器，207光电探测器，208频率基准源，209部分反射镜。
图2为频率基准源的鉴频曲线。
其中301上凸型鉴频曲线，302下凹型鉴频曲线。
图3为开机程序模块。
图4为频率搜索程序模块。
图5为频率优化程序模块。
图6频率锁定程序模块。
图7为关机程序模块具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明
(1)结构组成由图1可知，一种智能化原子分子稳频半导体激光器，由光栅反馈半导体激光器1和电反馈稳频控制器2两部分组成。
光栅反馈半导体激光器1是现有产品，包括光学单元和电子控制单元两部分，其中光学单元由半导体激光器、光栅组件和恒温组件组成；电子控制单元包含给半导体激光器供电的电流驱动器101，给光栅组件中的压电晶体供电的电压驱动器102，以及调节恒温组件温度的恒温控制器103。
电反馈稳频控制器2采用微处理器201控制方式，部分反射镜209倾斜放置于光栅反馈半导体激光器1输出的激光光路中，在部分反射镜209的反射光路中依次放置频率基准源208和光电探测器207，光电探测器207输出的鉴频信号连接到模数转换器206，模数转换器206输出的数字信号连接到微处理器201，微处理器201将接收到的鉴频信号进行分析，给出电流驱动器101电流、电压驱动器102电压以及恒温控制器103温度的数字信号，分别送到第一数模转换器203、第二数模转换器204和第三数模转换器205，经数模转换后再分别与电流驱动器101、电压驱动器102和恒温控制器103的输入端连接，存储器202与微处理器201连接，用于存储需要掉电保存的参数I、V、T。
(2)参数选取鉴频信号的形式如图2所示，不同类型的频率基准源所得到的鉴频曲线不是上凸就是下凹的，只要在光电探测器207和模数转换器206之间加一级反相器，就可以将下凹型鉴频曲线302和上凸型鉴频曲线301相互转换。激光稳频的措施就是将激光频率锁定在鉴频曲线的某一位置，选择最多的是鉴频曲线的极大值或极小值点。
当激光频率不在鉴频曲线的频率范围内时，光电探测器207上没有信号，只有噪声。在频率搜索过程中，判别激光频率是否在鉴频曲线的频率范围内的标准是光电探测器207上的信号是否达到判别阈值C，C的取值要比噪声高。在频率锁定过程中，判别激光频率是否在鉴频曲线极大值的标准是光电探测器207上的信号变化是否超过误差范围ΔP＝(1-a％)Pmax，ΔP的取值越小，稳频精度越高。
(3)稳频方法微处理器控制的原子分子稳频半导体激光器的稳频方法为微处理器(201)从模数转换器(206)接收到的鉴频信号进行分析，并给出电流驱动器(101)电流、电压驱动器(102)电压以及恒温控制器(103)温度数字信号。微处理器(201)对数据的处理方法包括开机、频率搜索、频率优化、频率锁定和关机五个程序模块“开机”程序模块从存储器202读取有无存放成功稳频的参数，如果有，读取存放的数据参数电流驱动器101电流I、电压驱动器102电压V以及恒温控制器103的设置温度T，将参数分别送给第一数模转换器203、第二数模转换器204和第三数模转换器205，使半导体激光器的电流驱动器101、电压驱动器102和恒温控制器103工作在上次运行的状态，等到系统稳定后，进入“频率优化”程序模块；如果存储器202没有存放成功稳频的参数，进入“频率搜索”程序模块。
“频率搜索”程序模块(A)“频率搜索”程序模块的作用是在I、V、T允许的范围内，对光栅反馈半导体激光器1输出的激光频率进行扫描，寻找满足鉴频曲线要求的I、V、T值。(B)“频率搜索”程序模块的过程是读取预设参数电流扫描最大值Imax和最小值Imin、电压扫描最大值Vmax和最小值Vmin、温度扫描最大值Tmax和最小值Tmin，从初始值Imin、Vmin和Tmin开始扫描，电流I按步进单位Istep逐渐增大至Imax后，再逐渐减小至Imin，为电流扫描的一个周期，电流每扫描一个周期，电压V增加一个步进单位Vstep，当电压V逐渐增大至Vmax后，再逐渐减小至Vmin，为电压扫描的一个周期，电压V每扫描一个周期，温度T增加一个步进单位Tstep，当温度T逐渐增大至Tmax后，再逐渐减小至Tmin，为温度扫描的一个周期，为了使激光器内温度平衡，温度T每调节一个步进单位，需等待3～5分钟后，再进行下一步动作。在扫描过程中，光栅反馈稳频半导体激光器1的输出激光频率会随着I、V、T参量的扫描而变化，I每变动一个步进单位，微处理器201就通过模数转换器206对鉴频信号强度P进行数据采集一次，然后检查P是否大于预设判别阈值C，如果P≤C，则认为激光频率与频率基准源不吻合，I继续变动一个步进单位，然后重复上述过程；如果P＞C，则认为激光频率与频率基准源吻合，停止扫描，程序进入“频率优化”程序模块。如果I、V、T扫描完整个范围后仍没有发现满足条件的鉴频信号，则返回“频率搜索”程序模块起点，重新循环。
“频率优化”程序模块(A)“频率优化”程序模块的作用是通过调节I，将激光频率调到频率基准源208鉴频曲线的极大值。(B)“频率优化”程序模块的过程是采集鉴频信号强度Pi，然后与判别阈值C进行比较，如果鉴频信号强度Pi＜C，则认为激光频率脱锁，程序转到“频率搜索”程序模块，否则I增加一步，再采集鉴频信号强度Pi+1，比较Pi和Pi+1的大小，如果Pi+1＞Pi，就继续循环增加I和采集鉴频信号强度，在此期间电流I每增加一步，都要检查一下I是否超出最大电流Imax，如果电流超出Imax，就停止循环，并将当前的Pi值记为Pmax；如果Pi+1＜Pi就I减小一步，再采集鉴频信号强度Pi-1，比较Pi+1和Pi-1的大小，如果Pi-1＞Pi+1，就继续循环减小I和采集鉴频信号强度，在此期间电流I每减小一步，都要检查一下I是否超出最小电流Imin，如果电流超出Imin，就停止循环，并将当前的Pi+1值记为Pmax；如果Pi-1＜Pi+1将当前值Pi-1记为Pmax。不论上述哪一种途径，只要得到Pmax，就认为激光频率工作在鉴频曲线的极大值点，激光器的电流I就工作在与Pmax对应的值，则程序进入“频率锁定”程序模块。上述的鉴频信号强度P、Pi、Pi+1、Pi-1对应的是同一物理量，只因涉及数据比较，特以不同的下标来加以区分。
“频率锁定”程序模块每间隔一段时间采集一次鉴频信号强度Pi，检查Pi与预设值a％Pmax的大小，如果Pi＜a％Pmax就认为激光频率偏离，则进入“频率优化”程序模块；如果Pi≥a％Pmax则认为激光频率稳定，返回本程序模块起点。
“关机”程序模块当发出关机中断指令时，无论在执行上述的哪一程序模块，程序都将停止运行，然后将本次运行的I、V、T参数保存到数据存储器202，作为下一次开机时的初始参数，然后逐渐减小I和V直到零，最后关闭系统。
权利要求1.一种智能化原子分子稳频半导体激光器，由光栅反馈半导体激光器(1)和电反馈稳频控制器(2)两部分组成；光栅反馈半导体激光器(1)包含半导体激光器、光栅组件和恒温组件、电流驱动器(101)、电压驱动器(102)和恒温控制器(103)；电反馈稳频控制器(2)包含部分反射镜(209)、频率基准源(208)、光电探测器(207)、模数转换器(206)、微处理器(201)、存储器(202)、第一数模转换器(203)、第二数模转换器(204)和第三数模转换器(205)；其特征在于，部分反射镜(209)倾斜放置于光栅反馈半导体激光器(1)输出的激光光路中，在部分反射镜(209)的反射光路中依次放置频率基准源(208)和光电探测器(207)，光电探测器(207)输出的鉴频信号连接到模数转换器(206)，模数转换器(206)输出的数字信号连接到微处理器(201)，微处理器(201)将接收到的鉴频信号进行分析，给出电流驱动器(101)电流、电压驱动器(102)电压以及恒温控制器(103)温度的数字信号，分别送到第一数模转换器(203)、第二数模转换器(204)和第三数模转换器(205)，经数模转换后再分别与电流驱动器(101)、电压驱动器(102)和恒温控制器(103)的输入端连接，存储器(202)与微处理器(201)连接。
专利摘要本实用新型公开了一种智能化原子分子稳频半导体激光器，涉及半导体激光器稳频。该激光器包含电流驱动器(101)、电压驱动器(102)、恒温控制器(103)、部分反射镜(209)、频率基准源(208)、光电探测器(207)、模数转换器(206)、微处理器(201)、存储器(202)和三个数模转换器(203)(204)(205)。本实用新型通过微处理器控制(201)调节半导体激光器的电流、光栅和温度，能自动进行频率搜索、优化并锁定在频率基准源的极值点上，并在环境条件变化造成频率脱锁时，能自动恢复稳频，使稳频激光器能保持长期稳定工作，满足了许多工程应用的要求。
文档编号G02F1/35GK2840417SQ20052009878
公开日2006年11月22日 申请日期2005年11月16日 优先权日2005年11月16日
发明者李发泉, 王玉平, 程学武, 戴阳, 王嘉珉, 龚顺生 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所