中心频率可调谐的半导体激光器稳频装置和稳频方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体激光器，特别是一种中心频率可调谐的半导体激光器的稳频方法，该方法可应用于激光原子冷却、高分辨率激光光谱、冷原子钟等领域。
【背景技术】
[0002]随着近年来半导体激光技术的迅猛发展，它在引力波探测、高精度光谱、合成孔径激光雷达等领域有着重要应用。这些应用领域不仅要求激光具有高频率稳定性和高相干性(超窄线宽)，还要求具备激光中心频率的调谐能力。而传统的激光稳频技术是将激光频率稳定在一个稳定的、窄线宽的频率参考上，例如原子的吸收线、高精细度法布里-珀罗腔等，只能实现固定频率点的激光稳频，不具备中心频率的调谐性能。因此，探索研宄稳定度好、线宽窄、中心频率可调谐的新型频率参考，发展能够实现中心频率可调谐的半导体激光器稳频技术，具有重要的学术意义和应用价值。
[0003]E.D.Vanooijen提出了一种利用声光调制器实现中心频率可调谐的半导体激光器调制稳频技术(参见在先技术[I]:“Laser frequency stabilizat1n usingDoppler-free bichromatic spectroscopy，，，Applied physics b, Vol.79，57-592004)。其基本原理是对激光频率进行调制，并通过声光调制器产生零阶和I阶透射光，这两束光在原子池内产生交叉共振峰，通过电路计算获得交流的误差信号，产生闭环控制进行稳频，并且其稳频中心频率可通过调节AOM的调制频率进行移动。但是由于受到声光调制器中所用晶体的限制，其中心频率调谐范围有限，只能到100MHz量级。
[0004]另一方面，J.1.Thirpe提出了一种利用光学共振FP腔并且采用移动边带的TOH稳频技术实现中心频率可调谐的半导体激光器的频率稳定(参见在先技术[2] Laserfrequency stabilizat1n and control through offset sideband locking to opticalcavities”，Optics Express.Vol 16，N0.20，15980，2004) 0 此方案将移动边带稳频技术与传统PDH稳频相结合，优点是可以实现较宽的中心频率调谐范围，但主要存在以下缺点:
[0005]1、方案中需要用到高精度的光学FP腔，这大大提高了整个方案的器件成本。
[0006]2、边带稳频技术的加入使整体的频率稳定精度劣化非常严重，难以满足一些高精度应用的需要。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提出一种中心频率可调谐的半导体激光器的稳频方法，结合电磁诱导透明技术和调制光谱法技术，将半导体激光器的输出频率稳定在中心频率位置可移动的电磁诱导透明窗口上，实现中心频率可调谐的半导体激光器频率稳定，具有结构简单、频率稳定性高和调谐范围大的特点。
[0008]本发明的技术解决方案如下:
[0009]一种中心频率可调谐的半导体激光器的稳频装置，包括带有半导体激光器控制器的半导体激光器、第一偏振分束器、四分之一波片、原子吸收池、第二偏振分束器、螺线管、光电探测器、锁相放大器、信号发生器、伺服控制器、加法运算器和频率固定在原子共振能级的光源信号；
[0010]上述元部件的位置关系如下:
[0011]在所述的半导体激光器发出的光束依次通过所述的第一偏振分束器(2)、四分之一波片(3)、原子吸收池(4)和第二偏振分束器(5)，在该第二偏振分束器(5)的反射光方向有光电探测器(7)，该光电探测器(7)的输出端与所述的锁相放大器⑶的第一输入端相连；
[0012]所述的信号发生器(9)的输出端分别与所述的锁相放大器(8)的第二输入端、加法运算器(11)的第一输入端相连，为锁相放大器(8)和加法运算器(11)提供电流驱动信号;
[0013]所述的锁相放大器的输出端经所述的伺服控制器(10)与所述的加法运算器(11)的第二输入端相连，该加法运算器(11)的输出端与控制器(12)的输入端相连，该半导体激光器控制器(12)的输出端与半导体激光器(I)的控制端相连；
[0014]所述的原子吸收池(4)放置在所述的螺线管(6)中心。
[0015]上面所述的半导体激光器为半导体激光器，其输出波长在原子吸收池内的原子的饱和吸收峰附近。
[0016]所述的信号发生器可为锁相放大器和加法运算器提供所需参考频率的正弦电流驱动信号。
[0017]所述的频率固定在原子共振能级的光源信号与半导体激光器的输出光信号在原子吸收池中在空间上重合，能够与原子吸收池发生量子相干作用产生电磁诱导透明光信号。
[0018]所述的四分之一波片将频率固定在原子共振能级的光源信号与半导体激光器的输出光信号在原子吸收池内的偏振态调整为圆偏振光。
[0019]所述的螺线管用于产生磁场，使原子吸收池内原子的能级产生移动，从而调节电磁诱导透明峰出现的频率位置。
[0020]本发明与在先技术相比，具有以下优点和积极效果:
[0021]1、与在先技术[I]相比，本发明的中心频率可调谐的半导体激光器稳频方法采用电磁感应透明峰作为频率参考，透射峰的频率位置取决于相应原子跃迀的频率失谐。相关的理论和实验都已表明，在整个原子的近共振范围，电磁感应透明都可以实现。因此，基于这种电磁感应透明效应的可调谐技术的调谐范围将是声光调制技术的5倍左右。
[0022]2、与在先技术[2]相比，本发明采用电磁感应透明峰作为频率参考，电磁感应透明峰的产生基于量子效应，具有线宽窄、稳定性高等优点，可大幅提高半导体激光器稳频的精度。
[0023]3、与在先技术[2]相比，本发明只需使用一些常用的光学和电学器件即可实现，不需要用到高精度的光学FP腔等成本较高的装置，具有结构简单，实现成本低等优点。
【附图说明】
[0024]图1是原子吸收池内原子的作用能级。
[0025]图2是本发明中心频率可调谐的半导体激光器的稳频装置的结构框图。
【具体实施方式】
[0026]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。
[0027]先请参阅图1，图1是在螺线管6产生的磁场作用下，原子吸收池4内原子的作用能级。由图可见，在螺线管6产生的磁场作用下，原子吸收池4内原子的能级产生移动，当半导体激光器I的输出光4a与频率固定在原子共振能级的光源信号13的输出光4b近共振作用于对应的原子能级时，就会产生电磁诱导透明峰信号。
[0028]再请参阅图2，图2是本发明中心频率可调谐的半导体激光器的稳频装置的结构框图。由图可见，本发明中心频率可调谐的半导体激光器的稳频装置，包括带有半导体激光器控制器12的半导体激光器1、第一偏振分束器2，四分之一波片3、原子吸收池4、第二偏振分束器5、螺线管6、光电探测器7、锁相放大器8、信号发生器9、伺服控制器10、加法运算器11、频率固定在原