基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器的制造方法
【专利摘要】一种基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器，在安装板上右侧设激光二极管、准直透镜、平凸柱面透镜、平凹柱面透镜、隔离器、第一半波片、将入射激光束分成沿水平射出a路激光束和沿垂直射出b路激光束的第一偏振分光棱镜，a路激光束出射的水平方向上设将a路激光束分成向上激光束和向下激光束的第二偏振分光棱镜，向上设铯泡、λ/4波片、第一全反镜，向下设光电二极管；b路激光束出射的垂直方向设第二半波片,水平方向依次设第四全反镜、第二凹透镜、第四凸透镜，第二半波片与第四全反镜之间设将b路激光束分成沿水平方向的c路激光束和沿垂直方向的d路激光束的第三偏振分光棱镜，c路激光束沿移频光路射出。
【专利说明】
基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器
技术领域
[0001]本发明属于利用受激发射对红外光、可见光或紫外线进行产生、放大、调制、解调或变频的光学器件技术领域，具体涉及到半导体激光器。【背景技术】
[0002]半导体激光器亦即激光二极管(LD)，在光电子领域中发展最快，也是非常实用、非常重要的一类激光器，它已经成为光纤通信中产生激光的主要源头。半导体激光器发展极快，应用极广，在光纤通信、光交换系统、光盘信息处理和量子阱面发射以及时间频率等方面都有实质性的发展和应用，逐渐成为目前光电子科技领域的核心技术。针对激光器如此广泛的应用，自然对其有一定的要求，才能满足实际运用的需要。总结起来有两点，首先激光器的输出频率的线宽要窄，其次输出频率的稳定度要高。然而，自由运转的激光器的输出频率质量会受到很多外在因素的影响，如外部环境温度的变化、大气压强的变化、机械振动和外界磁场的变化等，所以实际激光器的输出频率的漂移会很大程度上大于其自然线宽， 这样会使得激光器频率的线宽会有展宽，并且输出频率的稳定度也会大大降低，因此，需要建立相应的稳频系统来压窄激光器线宽并提高激光器的输出频率，稳定度，使其满足实验应用中的要求。
[0003]常用的激光稳频的方法主要是对激光加入一个小的调制信号，通过鉴相方式得到频率变化信息，并反馈到电信号处理系统中，实现激光频率稳定，使激光器输出一束频率稳定的击激光。现有的稳频激光器，往往只能输出一束稳频激光，对于需要两束稳频激光的情况还要另外加分束装置进行分束;另外，对于需要两束有一定频率差稳频激光的情况，还要另外加频率调制装置对激光频率进行调制。额外的激光光路使激光器的使用变得复杂，尤其是在激光器的工程化使用中，外部的光学器件使激光变得不稳定，干扰稳频的效果。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题在于克服上述稳频激光器所存在的缺点，提供一种工作稳定、灵敏度高、功能多、使用方便、受外界环境干扰小、能输出两束有频差窄线宽激光的基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器。
[0005]解决上述技术问题所采用的技术方案是:在安装板上右侧设置有激光二极管，激光出射光轴垂直方向安装板上设置有准直透镜，准直透镜下方沿激光出射垂直光轴方向安装板上设置有平凸柱面透镜，平凸柱面透镜下方激光出射垂直光轴方向安装板上设置有平凹柱面透镜，平凹柱面透镜下方沿激光出射垂直光轴方向安装板上设置有隔离器，平凸柱面透镜的平面与准直透镜相对设置、凸面与平凹柱面透镜的凹面相对设置，平凹柱面透镜的平面与隔离器相对设置，隔离器下方沿激光出射垂直光轴方向安装板上设置有第一半波片，第一半波片下方沿激光出射垂直光轴方向安装板上设置有将入射激光束分成沿水平光轴反向射出a路激光束和沿垂直光轴方向射出b路激光束的第一偏振分光棱镜，a路激光束出射的水平光轴方向安装板上设置有将a路激光束分成沿垂直光轴向上激光束和向下激光束的第二偏振分光棱镜，向上激光束出射第二条垂直光轴方向安装板上设置有铯泡、V4波片、第一全反镜，在向下的激光束出射第二条垂直光轴方向安装板上设置有光电二极管。在 b路激光束出射的第一条垂直光轴方向安装板上设置有第二半波片，在第三条水平光轴方向安装板上依次设置有第四全反镜、第二凹透镜、第四凸透镜，第二凹透镜为平凹透镜，第四凸透镜为平凸透镜，第四全反镜、第二凹透镜、第四凸透镜的镜面上真空蒸镀增透膜，增透膜透光的波长为700?900nm，垂直激光束在第四全反镜上的入射角为45°。在第二半波片与第四全反镜之间安装板上设置有将b路激光束分成沿第二条水平光轴方向的c路激光束和沿第一条垂直光轴方向的d路激光束的第三偏振分光棱镜，c路激光束沿移频光路射出。
[0006]本发明的移频光路为:在C路激光束出射的第二条水平光轴方向安装板上依次设置有第三半波片、第四偏振分光棱镜、第一凸透镜、第二全反镜，水平激光束在第二全反镜上的入射角为45°，在第三条垂直光轴激光出射方向安装板上依次设置有声光调制器、第二凸透镜、第一凹透镜、第三凸透镜、第三全反镜，第一凹透镜为平凹透镜，第二凸透镜和第三凸透镜为平凸透镜，垂直激光束在第三全反镜上的入射角为45°。
[0007]本发明的第一凹透镜的曲率半径为6?12mm，第一凸透镜、第二凸透镜以及第三凸透镜的曲率半径为25?35mm，第一凹透镜4、第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜的镜面上真空蒸镀增透膜，增透膜透光的波长为700?900nm，第三半波片的波长为700?900nm〇
[0008]本发明的第一凸透镜、第二凸透镜以及第三凸透镜的曲率半径相同，第一凹透镜、 第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜的镜面上真空蒸镀增透膜，增透膜透光的波长与第三半波片的波长相同。
[0009]本发明的声光调制器的型号为MT250。[〇〇1〇] 本发明的V4波片的波长为700?900nm，第二半波片的波长为700?900nm〇
[0011]本发明的V4波片的波长与第二半波片的波长相同。
[0012]本发明的第二凹透镜的曲率半径为6?12mm、第四凸透镜的曲率半径为25?35mm。
[0013]由于本发明采用了移频光路，与现有的激光器构成分束激光器，可直接在激光器上进行光斑调节、移频操作、自动稳频，输出窄带宽激光，可同时发射出两束激光。本发明具有工作稳定、灵敏度高、功能多、使用方便、受外界环境干扰小、能输出两束有频差窄线宽激光【附图说明】
[0014]图1是本发明实施例1的结构示意图。
[0015]图2是采用示波器测试本发明实施例1的铯饱和吸收光谱曲线。
[0016]图3是采用示波器测试本发明实施例1的稳定度和线宽。
[0017]图4是测试本发明实施例1的线宽曲线。[〇〇18]图5是测试本发明实施例1的稳定度曲线。
[0019]图6是测试本发明实施例1的抗振性能曲线。【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但是本发明不局限于这些实施方式。
[0021]实施例1
[0022]在图1中，本实施例的基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器由安装板 1、第三全反镜2、第三凸透镜3、第一凹透镜4、第一全反镜5、A/4波片6、铯泡7、激光二极管8、 准直透镜9、平凸柱面透镜10、平凹柱面透镜11、隔离器12、第一半波片13、第一偏振分光棱镜14、第二半波片15、第三偏振分光棱镜16、第四全反镜17、第三半波片18、第二凹透镜19、 第四偏振分光棱镜20、第四凸透镜21、光电二极管22、第一凸透镜23、第二偏振分光棱镜24、 第二全反镜25、声光调制器26、第二凸透镜27联接构成。
[0023]在安装板1上右侧用螺纹紧固联接件固定联接安装有激光二极管8,激光二极管8 为本发明提供激光源，激光出射光轴垂直方向安装板1上用螺纹紧固联接件固定安装有准直透镜9，准直透镜9对激光进行准直，形成椭圆光斑，准直透镜9的曲率半径为2.71mm。准直透镜9下方沿激光出射垂直光轴方向安装板1上用螺纹紧固联接件固定安装有平凸柱面透镜10,平凸柱面透镜10对激光进行整形，形成圆光斑。平凸柱面透镜10下方激光出射垂直光轴方向安装板1上用螺纹紧固联接件固定安装有平凹柱面透镜11，平凹柱面透镜11对激光进行整形，形成圆光束，平凸柱面透镜10的曲率半径为7.8_，平凹柱面透镜11的曲率半径为3.0mm;平凹柱面透镜11下方沿激光出射垂直光轴方向安装板1上用螺纹紧固联接件固定安装有隔离器12,平凸柱面透镜10的平面与准直透镜9相对设置、凸面与平凹柱面透镜11的凹面相对设置，平凹柱面透镜11的平面与隔离器12相对设置，激光通过平凸柱面透镜10整形，形成圆光斑，圆光斑再通过平凹柱面透镜11整形形成圆光束，圆光束经过隔离器12隔离，防止反馈光影响激光二极管8。隔离器12下方沿激光出射垂直光轴方向安装板1上用螺纹紧固联接件固定安装有第一半波片13,第一半波片13的波长为852nm，第一半波片13改变激光的偏振方向，通过转动第一半波片13可以调整激光束的偏振方向。在第一半波片13下方沿激光出射垂直光轴方向安装板1上用螺纹紧固联接件固定安装有第一偏振分光棱镜 14,第一偏振分光棱镜14将入射的激光束分成a路激光束和b路激光束，a路激光束沿水平光轴反向射出，b路激光束穿过第一偏振分光棱镜14沿垂直光轴方向射出。
[0024]在a路激光束出射的水平光轴方向安装板1上用螺纹紧固联接件固定安装有第二偏振分光棱镜24，第二偏振分光棱镜24将a路激光束分成沿垂直光轴向上的激光束，在向上的激光束出射第二条垂直光轴方向安装板1上用螺纹紧固联接件依次固定安装有铯泡7、V 4波片6、第一全反镜5，第一全反镜5为0°全反镜，铯原子与激光相互作用，生成饱和吸收谱， 入射到A/4波片6;A/4波片6的波长为852nm，A/4波片6改变激光束的偏振方向，向上的激光束射入第一全反镜5，第一全反镜5反射激光，反射光与入射光重合;在向下的激光束出射第二条垂直光轴方向安装板1上用螺纹紧固联接件固定安装有光电二极管22,反射的激光束入射到光电二极管22,光电二极管22将激光转换成电信号输出。
[0025]在b路激光束出射的第一条垂直光轴方向安装板1上用螺纹紧固联接件依次固定安装有第二半波片15、第三偏振分光棱镜16,第二半波片15的波长为852nm，第二半波片15 改变b路激光束的偏振方向，经第二半波片15的激光入射到第三偏振分光棱镜16,第三偏振分光棱镜16将b路激光束再分束，分成沿第二条水平光轴方向的c路激光束和沿第一条垂直光轴方向的d路激光束。
[0026]在c路激光束出射的第二条水平光轴方向安装板1上用螺纹紧固联接件依次固定安装有第三半波片18、第四偏振分光棱镜20、第一凸透镜23、第二全反镜25，第三半波片18的波长为852nm，第三半波片18改变激光束的偏振方向，第一凸透镜23的曲率半径为31mm， 第一凸透镜23的镜面上真空蒸镀增透膜，增透膜透光的波长为852nm，第四偏振分光棱镜20 将激光分束，通过第三半波片18与第四偏振分光棱镜20的配合可以调节第四偏振分光棱镜 20出射激光的功率，水平激光束在第二全反镜25上的入射角为45°，第二全反镜25将水平激光束沿第三条垂直光轴向上反射出。
[0027]在第三条垂直光轴激光出射方向安装板1上用螺纹紧固联接件依次固定安装有声光调制器26、第二凸透镜27、第一凹透镜4、第三凸透镜3、第三全反镜2,声光调制器26的型号为MT250,由法国AA-0PT0-E1.ECTR0NIC公司生产，第二凸透镜27的曲率半径为31mm，第一凹透镜4为平凹透镜，第一凹透镜4的曲率半径为9.8mm，第二凸透镜27和第三凸透镜3为平凸透镜，第二凸透镜27和第三凸透镜3的曲率半径为31mm，第二凸透镜27、第一凹透镜4、第三凸透镜3的镜面上真空蒸镀增透膜，增透膜透光的波长为852nm，第一凹透镜4、声光调制器26将激光频率减小了250MHz，激光入射到第二凸透镜27,第二凸透镜27将会聚光变为平行光，形成圆光束，第一凹透镜4和第三凸透镜3组合将入射的激光束的直径进行放大，垂直激光束在第三全反镜2上的入射角为45°，第三全反镜2将激光沿水平方向反射出去。
[0028]上述的C路光路构成移频光路。移频光路与现有的激光器构成分束激光器，自带扩束功能，可直接在激光器上进行光斑的调节，无需外加光路;激光器自带声光调制器移频功能，可直接在激光器上进行移频操作;激光器自带稳频功能，可进行自动稳频，输出窄带宽激光;激光器自带分束功能，可同时发射出两束激光。[〇〇29]在d路激光束出射的第三条水平光轴方向安装板1上用螺纹紧固联接件依次固定安装有第四全反镜17、第二凹透镜19、第四凸透镜21，第二凹透镜19为平凹透镜，第四凸透镜21为平凸透镜，第二凹透镜19的曲率半径为9.8mm、第四凸透镜21的曲率半径为31mm，第四全反镜17、第二凹透镜19、第四凸透镜21的镜面上真空蒸镀增透膜，增透膜透光的波长为 852nm，垂直激光束在第四全反镜17上的入射角为45°，第四全反镜17将激光沿第三条水平光轴方向反射到第二凹透镜19,第二凹透镜19将入射的激光进行放大射入第四凸透镜21， 第二凹透镜19和第四凸透镜21组合将入射的激光束的直径进行放大，射出激光。
[0030] 实施例2[〇〇31]本实施例的第一半波片13的波长为700nm，A/4波片6的波长为700nm，第二半波片 15的波长为700nm，第三半波片18的波长为700nm〇[〇〇32]在c路激光束出射的第二条水平光轴方向上安装的第一凸透镜23的曲率半径为 25mm，第一凸透镜23的镜面上真空蒸镀增透膜，增透膜透光的波长为700nm。在第三条垂直光轴激光出射方向安装的第二凸透镜27的曲率半径为25mm，第一凹透镜4的曲率半径为 6mm，第三凸透镜3的曲率半径为25mm，第二凸透镜27、第一凹透镜4、第三凸透镜3的镜面上真空蒸镀增透膜，增透膜透光的波长为700nm。[〇〇33]在d路激光束出射的第三条水平光轴方向安装的第四全反镜17,第二凹透镜19的曲率半径为6mm、第四凸透镜21的曲率半径为25mm，第四全反镜17、第二凹透镜19、第四凸透镜21的镜面上真空蒸镀增透膜，增透膜透光的波长为700nm。
[0034]其他零部件以及零部件在安装版1上的安装位置与实施例1相同。
[0035]实施例3[0〇36]本实施例的第一半波片13的波长为900nm，A/4波片6的波长为900nm，第二半波片15的波长为900nm，第三半波片18的波长为900nm〇[〇〇37]在c路激光束出射的第二条水平光轴方向上安装的第一凸透镜23的曲率半径为 35mm，第一凸透镜23的镜面上真空蒸镀增透膜，增透膜透光的波长为900nm。在第三条垂直光轴激光出射方向安装的第二凸透镜27的曲率半径为35mm，第一凹透镜4的曲率半径为 12mm，第三凸透镜3的曲率半径为35mm，第二凸透镜27、第一凹透镜4、第三凸透镜3的镜面上真空蒸镀增透膜，增透膜透光的波长为900nm。[〇〇38]在d路激光束出射的第三条水平光轴方向安装的第四全反镜17,第二凹透镜19的曲率半径为12mm、第四凸透镜21的曲率半径为35mm，第四全反镜17、第二凹透镜19、第四凸透镜21的镜面上真空蒸镀增透膜，增透膜透光的波长为900nm。
[0039]其他零部件以及零部件在安装版1上的安装位置与实施例1相同。
[0040]为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器(测试时简称分束激光器)进行了测试实验，实验情况如下:[〇〇41 ]1、测铯饱和吸收谱
[0042]将本发明实施例1制备的分束激光器，采用示波器按仪器的操作方法测分束激光器的铯饱和吸收谱，加扫描信号后，激光通过铯泡7射入光电二极管22，由光电二极管22输出铯饱和吸收谱信号，测试结果见图2。由图2可见，饱和吸收峰明显，表明本发明的稳频光路较好，可进行激光器稳频。
[0043]2、测误差彳目号
[0044]将本发明实施例1制备的分束激光器，采用示波器按仪器的操作方法测误差信号， 测试结果见图3。图3中上曲线为误差信号，下曲线为减小扫描电流幅度后的F = 4—F’=5饱和吸收峰曲线。F = 4—F ’= 5饱和吸收峰顶对应的扫描电流为I，将电流I加到激光器上，则激光器输出852nm的激光。利用误差信号稳定激光器输出激光的波长。
[0045]3、测稳定度和线宽
[0046]采用拍频法测量分束激光器的稳定度和线宽。将分束激光器(图中标被测激光器) 输出的激光通过下半反半透镜反射到上半反半透镜，已稳频的激光器输出激光到上半反半透镜，通过调节下半反半透镜使分束激光器输出的激光与已稳频的激光器输出的激光重合，两路激光重合后经过光电二极管，输出信号到前置放大器，前置放大器将信号放大，通过计算机测试出稳定度和线宽，测试分束激光器的线宽结果见图4,测试分束激光器的稳定度见线宽结果见图5。在图4中，横坐标为拍频信号的频率，纵坐标为拍频信号的功率，分束激光器的线宽为1.8MHz。在图5中，横坐标为拍频信号的周期时间，纵坐标为方差大小，由图 5可见，输出秒稳为2X1(T1()/S。稳定度和线宽结果较好，符合实验要求。[〇〇47]4、测抗振性自恢复性能
[0048]分束激光器输出光到光电二极管，光电二极管输出信号到示波器，测激光的功率， 测试结果见图6。由图6可见，分束激光器由锁定状态受振后失锁，又自动恢复到锁定状态。 表明分束激光器的抗振性能较好。
【主权项】
1.一种基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器，在安装板(1)上右侧设置有 激光二极管(8)，激光出射光轴垂直方向安装板(1)上设置有准直透镜(9)，准直透镜(9)下 方沿激光出射垂直光轴方向安装板(1)上设置有平凸柱面透镜(10)，平凸柱面透镜(10)下 方激光出射垂直光轴方向安装板(1)上设置有平凹柱面透镜(11)，平凹柱面透镜(11)下方 沿激光出射垂直光轴方向安装板(1)上设置有隔离器(12)，平凸柱面透镜(10)的平面与准 直透镜(9)相对设置、凸面与平凹柱面透镜(11)的凹面相对设置，平凹柱面透镜(11)的平面 与隔离器(12)相对设置，隔离器(12)下方沿激光出射垂直光轴方向安装板(1)上设置有第 一半波片(13)，第一半波片(13)下方沿激光出射垂直光轴方向安装板(1)上设置有将入射 激光束分成沿水平光轴反向射出(a)路激光束和沿垂直光轴方向射出(b)路激光束的第一 偏振分光棱镜(14)，(a)路激光束出射的水平光轴方向安装板(1)上设置有将(a)路激光束 分成沿垂直光轴向上激光束和向下激光束的第二偏振分光棱镜(24)，向上激光束出射第二 条垂直光轴方向安装板(1)上设置有铯泡(7)、A/4波片(6)、第一全反镜(5)，在向下的激光 束出射第二条垂直光轴方向安装板(1)上设置有光电二极管(22);在(b)路激光束出射的第 一条垂直光轴方向安装板(1)上设置有第二半波片(15)，在第三条水平光轴方向安装板(1) 上依次设置有第四全反镜(17)、第二凹透镜(19)、第四凸透镜(21)，第二凹透镜(19)为平凹 透镜，第四凸透镜(21)为平凸透镜，第四全反镜(17)、第二凹透镜(19)、第四凸透镜(21)的 镜面上真空蒸镀增透膜，增透膜透光的波长为700?900nm，垂直激光束在第四全反镜(17) 上的入射角为45°，其特征在于:在第二半波片(15)与第四全反镜(17)之间安装板(1)上设 置有将(b)路激光束分成沿第二条水平光轴方向的(c)路激光束和沿第一条垂直光轴方向 的(d)路激光束的第三偏振分光棱镜(16 )，( c)路激光束沿移频光路射出。2.根据权利要求1所述的基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器，其特征在 于所述的移频光路为:在(c)路激光束出射的第二条水平光轴方向安装板(1)上依次设置有 第三半波片(18 )、第四偏振分光棱镜(20 )、第一凸透镜(23 )、第二全反镜(25 )，水平激光束 在第二全反镜(25)上的入射角为45°，在第三条垂直光轴激光出射方向安装板(1)上依次设 置有声光调制器(26)、第二凸透镜(27)、第一凹透镜(4)、第三凸透镜(3)、第三全反镜(2)， 第一凹透镜(4)为平凹透镜，第二凸透镜(27)和第三凸透镜(3)为平凸透镜，垂直激光束在 第三全反镜(2)上的入射角为45°。3.根据权利要求2所述的基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器，其特征在 于:所述的第一凹透镜4的曲率半径为6?12mm，第一凸透镜(23)、第二凸透镜(27)以及第三 凸透镜3的曲率半径为25?35mm，第一凹透镜(4)、第一凸透镜(23)、第二凸透镜(27)、第三 凸透镜(3)的镜面上真空蒸镀增透膜，增透膜透光的波长为700?900nm，第三半波片(18)的 波长为700?900nm〇4.根据权利要求2所述的基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器，其特征在 于:所述的第一凸透镜(23)、第二凸透镜(27)以及第三凸透镜(3)的曲率半径相同，第一凹 透镜(4)、第一凸透镜(23)、第二凸透镜(27)、第三凸透镜(3)的镜面上真空蒸镀增透膜，增 透膜透光的波长与第三半波片(18)的波长相同。5.根据权利要求2所述的基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器，其特征在 于:所述的声光调制器(26)的型号为MT250。6.根据权利要求1所述的基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器，其特征在于:所述的V4波片(6)的波长为700?900nm，第二半波片(15)的波长为700?900nm〇7.根据权利要求1所述的基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器，其特征在 于:所述的V4波片(6)的波长与第二半波片(15)的波长相同。8.根据权利要求1所述的基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器，其特征在 于:所述的第二凹透镜(19)的曲率半径为6?12mm、第四凸透镜(21)的曲率半径为25? 35mm〇
【文档编号】H01S5/068GK105958316SQ201610459243
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】张首刚, 马杰, 李孝峰, 刘杰, 石浩
【申请人】中国科学院国家授时中心