专利名称：半导体激光器的快速移频装置和移频方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器的光电反馈控制领域，特别是一种用于原子冷却的半导体激光器快速移频装置和移频方法。
背景技术：
原子冷却技术可以将运动的原子冷却到非常低的温度UK甚至nK量级)，此时可以进行一些很重要的科学实验，比如可以进行精细结构常数测量、重力场测量、验证广义相对论等科学研究。基于原子冷却技术的喷泉原子钟以其高精度，长期连续稳定运转等优异性能日渐成为新一代的计时标准，其计时精度可以达到几千万年才产生Is的误差，如此精密的计时在导航、航天、通信等领域都有着重大的应用。原子冷却技术需要用到窄线宽，高频率稳定度的稳频激光光源，同时还有一个很重要的要求是需要稳频激光器能进行快速大范围的移频，一般需要在ms量级时间内使激光器快速移频8倍甚至更大倍数的原子饱和吸收峰自然线宽(r=6MHz)，比如美国海军天文台(U.S.Naval Observatory)的铷(Rb)原子喷泉钟就对冷却用稳频激光器移频8倍的自然线宽(参见参考文献[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)。为了能达到大范围快速移频的要求，可以采用以下几种方法:一种方法是待激光器用饱和吸收光谱法稳频之后 ，对输出光采用典型的双通声光调制器(AOM)光路结构进行移频，移频之后的光再耦合进入光纤做原子冷却用(参见在先技术[2]: “High powerrapidly tunable system for laser cooling，，，Rev.Sc1.1nstrum.83，015111-1 4,2012,在先技术[3]: “Double-pass acousto-optic modulator system”，Rev.Sc1.1nstrum.76，063112-1 6，2005)。但是这种技术要求激光器的出射光功率很大，一般还会用到光放大器，因为AOM的衍射效率一般在60 80%，双通光路产生两次衍射从而使大量的光功率浪费在无用的零级衍射光上，另一方面将空间光耦合到光纤中对于光路的调节精度要求很高，同时AOM衍射效率是随着射频频率变化的，这样还会造成出纤功率的较大变化，因此这种技术一般还需要进行光功率补偿；一种方法是基于塞曼效应的移频方法(参加在先技术[4]: uFrequency-shift of a frequency stabilized laser based on Zeemaneffect”，Chin.Phys.Lett.20, 1714，2003)，但是这种方法的最大移频速度和最大移频范围会受到几个因素的限制，因此在先技术最快实现了约Ims的移频速度。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述在先技术的不足，提出一种用于原子冷却的半导体激光器快速移频装置和移频方法。当激光器在移频时候，能保证稳频激光器不失锁，满足了原子冷却的应用需求。此方法简单、灵活、易于实现，而且能根据应用需求灵活调节移频范围和移频时间。
本发明的技术解决方案如下:一种半导体激光器的快速移频装置，特点在于其构成包括分布布拉格反射(简称为DBR)激光器、整形镜、法拉第隔离器、半波片、偏振分束镜、双通声光调制器(简称为A0M)光路、饱和吸收光路、光电探测器、锁相解调电路、比例微分积分(简称为PID)反馈电路、直接数字频率合成(简称为DDS)信号发生电路、微控制器、模数转换电路、数模转换电路和激光电流温度控制电路。具体元件结构如下:所述DBR激光器的出射光依次通过整形镜、法拉第隔离器和半波片，之后经过偏振分束镜分光，透射光用作原子冷却用，反射光先经过一个双通AOM光路两次移频后返回，返回的光偏振方向已经旋转了 90度，所以会透射过偏振分束镜，这束光经过饱和吸收光路后产生饱和吸收峰被光电探测器接收，并转换为电信号进入锁相解调电路，锁相解调电路解调出的误差信号Se进入PID反馈电路，PID反馈电路的输出信号Spid通过激光电流温度控制电路控制DBR激光器。所述的DDS信号发生电路用来产生可以扫描的射频驱动信号Skf和同步边沿触发信号ST, Sef用来驱动双通AOM光路中的AOM元器件，St用来触发微控制器的中断系统，微控制器被触发后同时驱动数模转换电路产生一个预补偿的扫描电流S1, S1也进入激光电流温度控制电路驱动DBR激光器，所述的模数转换电路用来采集各路电信号进行监控。一种如上 所述半导体激光器的快速移频装置的工作方法，包括步骤如下:(I)DBR激光器开启，DDS信号发生电路产生一个射频信号Skf接入到双通AOM光路，DBR激光器发出的激光经过所述的饱和吸收光路后进入光电探测器，该光电探测器将光转换的电信号接入锁相解调电路产生误差信号Se，微控制器根据误差信号Se的大小与设定的阈值进行比较，控制PID反馈电路开启和关闭，从而实现激光器的频率稳定在特定的饱和吸收峰上，此时输出光频记为V10(2) DDS信号发生电路产生射频信号Skf，射频信号Skf的频率在At时间内快速移频A Q，由于声光效应，双通AOM光路对入射的激光移频2 A Q，DDS信号发生电路在快速移频的同时还产生一个同步边沿触发信号St ；(3)同步触发信号St接入微控制器，触发其中断系统，此时微控制器控制数模转换电路产生一个预补偿的扫描电流S1, S1的大小为Al，S1的扫描时间也为At，预补偿扫描电流S1和PID反馈信号接入激光电流温度控制电路共同控制DBR激光器，从而实现快速移频。本发明与在先技术相比，具有以下优点和积极效果:1、与在先技术[2]、[3]相比，本发明的双通AOM光路位于稳频光路中，而不是在激光器稳频之后对主光路进行移频，这样只需要少量的分光就可以进行稳频，大部分光功率用于原子冷却，大大节省了光功率。2、与在先技术[4]相比，本发明的稳频激光器移频范围和移频速度只受AOM有效带宽和响应速度决定，而AOM的响应速度一般可以达到us量级，因此本发明的移频范围更大，移频速度更快。3、与在先技术[2] [3] [4]相比，本发明采用的预补偿扫描电流技术可以大大降低对于反馈电路带宽的需求，降低反馈电路的设计难度，使得反馈电路即使在较低带宽下也能实现稳频激光器快速移频而不失锁。
图1是本发明半导体激光器快速移频装置的结构框图。图2是本发明频率预补偿技术原理示意图。
具体实施例方式下面结合实例和附图对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图1是本发明半导体激光器快速移频装置的结构框图。由图可见，本发明装置的构成包括DBR激光器101、整形镜102、法拉第隔离器103、半波片104、偏振分束镜105、双通AOM光路106、饱和吸收光路107、光电探测器108、锁相解调电路109、PID反馈电路110、DDS信号发生电路111、微控制器112、模数转换电路113、数模转换电路114和激光电流温度控制电路115。上述元部件的位 置关系如下:所述的DBR激光器101发出的激光经整形镜102整形后进入法拉第隔离器103，法拉第隔离器可以防止后级光路的光反馈，出射光经半波片104调整偏振方向，以调节偏振分束镜105的透射光和反射光的分光比,一小部分反射光接着进入双通AOM光路106，所述的双通AOM光路106中的AOM被DDS信号发生电路111产生的射频信号Skf驱动，射频信号频率为Q，对入射光产生两次移频，光束原路返回后透过偏振分束镜105，接着进入饱和吸收光路107，经过饱和吸收的光束被光电探测器108探测转换为电学信号，该信号进入所述的锁相解调电路109解调出误差信号Se，误差信号Se经过PID反馈电路110变换后的信号为SPID，Spid施加在激光电流温控驱动电路115上，从而对DBR激光器的电流进行控制实现稳频，当DDS信号发生电路111进行射频频率扫描时还可以产生一个同步边沿触发信号&，&连接到微控制器112，所述的微控制器112控制模数转换电路113和数模转换电路114，数模转换电路113连接到激光电流温度控制电路115上，激光电流温度控制电路115控制DBR激光器101的电流和温度，模数转换电路113连接到锁相解调电路109、PID反馈电路110、激光电流温度控制电路115，对这几路信号进行采集监控。基于所述发明装置的快速移频方法为:(I) DBR激光器(101)开启，DDS信号发生电路(111)产生一个射频信号Skf接入到双通AOM光路，DBR激光器(101)发出的激光经过所述的饱和吸收光路(107)后进入光电探测器(108)，该光电探测器(108)将光转换的电信号接入锁相解调电路(109)产生误差信号Se，微控制器(112)根据误差信号Se的大小与设定的阈值进行比较，控制PID反馈电路(110)开启和关闭，从而实现激光器的频率稳定在特定的饱和吸收峰上，此时输出光频记为八。(2) DDS信号发生电路(111)产生射频信号Skf，射频信号Skf的频率在At时间内快速移频A Q，由于声光效应，双通AOM光路(106)对入射的激光移频2 A Q，DDS信号发生电路(111)在快速移频的同时还产生一个同步边沿触发信号St ；(3)同步触发信号St接入微控制器(112)，触发其中断系统，此时微控制器(112)控制数模转换电路(114)产生一个预补偿的扫描电流SpS1的大小为A !,S1的扫描时间也为A t，预补偿扫描电流S1和PID反馈信号接入激光电流温度控制电路(115)共同控制DBR激光器(101)，从而实现快速移频。快速移频方法中的各路信号示意图可以参阅图2所示本发明将双通AOM光路放在稳频光路中，大大降低了用于原子冷却主光路的光功率损耗，同时采用预补偿扫描激光器电流的技术实现了半导体激光器的大范围快速移频，降显著降低了反馈电子学带宽的需求，同时也降低了系统设计难度，移频范围和移频速度可以实现灵活的调节控制。实验表明，本发明稳频半导体激光器运行稳定可靠，可以实现快速移频，满足原子冷却 的应用需求。
权利要求
1.一种半导体激光器的快速移频装置，特点在于其构成包括DBR激光器(101)、整形镜(102)、法拉第隔离器(103)、半波片(104)、偏振分束镜(105)、双通AOM光路(106)、饱和吸收光路(107)、光电探测器(108)、锁相解调电路(109)、PID反馈电路(110)、DDS信号发生电路(111)、微控制器(112)、模数转换电路(113 )、数模转换电路(114 )和激光电流温度控制电路(115)，上述元件的位置关系如下: 所述DBR激光器(101)的出射光依次通过整形镜(102)、法拉第隔离器(103)和半波片(104)，之后经过偏振分束镜(105)分为透射光和反射光，该透射光用作原子冷却用，所述的反射光先经过所述的双通AOM光路(106)两次移频后返回，返回的光透过所述的偏振分束镜(105)经饱和吸收光路(107)产生饱和吸收峰被所述的光电探测器(108)接收并转换为电信号输入所述的锁相解调电路(109)，该锁相解调电路(109)解调出的误差信号Se进入PID反馈电路(110)，该PID反馈电路(110)输出信号Spid输入所述的激光电流温度控制电路(115)，该激光电流温度控制电路(115)输出稳定的电流控制DBR激光器(101 )，同时进行温度控制； 所述的DDS信号发生电路(111)产生射频驱动信号Skf和同步边沿触发信号St，射频驱动信号Skf接入到双通AOM光路(106)的射频输入端驱动AOM，St接入到微控制器(112)，微控制器(112)被St触发中断后驱动数模转换电路(114)产生一个预补偿的扫描电流S1，该预补偿的扫描电流S1接入激光电流温度控制电路(115)，所述的模数转换电路113用来采集各路电信号进行监控。
2.权利要求1所述的半导体激光器的快速移频装置的快速移频方法，包括步骤如下: ①DBR激光器(101)开启，DDS信号发生电路(111)产生一个射频信号Skf接入到双通AOM光路，DBR激光器(101)发出的激光经过所述的饱和吸收光路(107)后进入光电探测器(108)，该光电探测器(108)将光转换的电信号接入锁相解调电路(109)产生误差信号Se，微控制器(112)根据误差信号Se的大小与固化在微控制器程序的设定阈值进行比较，控制PID反馈电路(110)的开启和关闭，从而实现激光器的频率稳定在特定的饱和吸收峰上，此时输出光频记为v1; ②DDS信号发生电路(111)产生射频信号Skf，该射频信号Skf的频率在At时间内快速移频A Q，由于声光效应，双通AOM光路(106)对入射的激光则移频2 A Q，DDS信号发生电路(111)在快速移频的同时还产生一个同步边沿触发信号St ； ③该同步边沿触发信号St接入微控制器(112)，触发其中断系统，此时微控制器(112)控制数模转换电路(114)产生一个预补偿的扫描电流SpS1的大小为A IjSi的扫描时间也为At，预补偿扫描电流S1和PID反馈信号接入激光电流温度控制电路(115)共同控制DBR激光器(101)，使DBR激光器(101)移频2 A Q。
全文摘要
一种半导体激光器的快速移频装置及方法，该装置包括DBR激光器、整形镜、法拉第隔离器、半波片、偏振分束镜、双通AOM光路、饱和吸收光路、光电探测器、锁相解调电路、PID反馈电路、DDS信号发生电路、微控制器、模数转换电路、数模转换电路和激光电流温度控制电路。本发明可以实现DBR激光器的快速移频而同时保持锁定状态，双通AOM光路应用于稳频光路中，大大减少了用于冷却的主光路的光功率损耗；采用频率预补偿技术实现快速移频，显著地降低了快速移频对于系统反馈带宽的需求，同时也降低了反馈电路的设计难度，使之变得简单经济和易于实现，即使在反馈带宽较低的情况下也能实现大范围的快速调谐。
文档编号H01S5/062GK103227415SQ20131009792
公开日2013年7月31日 申请日期2013年3月25日 优先权日2013年3月25日
发明者孙延光, 董作人, 陈迪俊, 蔡海文, 瞿荣辉 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所