[发明专利]外腔半导体激光器的无调制稳频装置

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光器，特别是一种外腔半导体激光器的无调制稳频装置，该装置主要应用于激光原子冷却、高分辨率激光光谱、激光频标、光学测量等领域。

背景技术

近年来半导体激光技术迅猛发展，半导体激光器的性能不断提高，应用越来越广泛。由于其小型化及易操作等多种优点，目前激光冷却、激光频标、高分辨率激光光谱测量、高精度干涉计量等应用中所需要的单频窄线宽激光器也大多采用半导体激光器。激光冷却与激光光谱对激光器的线宽和频率稳定性要求很高。而自由运转的半导体激光器的输出频率对注入电流和工作温度很敏感，即使是单纵模下运转，其光谱线宽也比较大，频率稳定性很差。也就是说它的中心波长的准确值会在一个相当大的范围内波动，这对于激光冷却、原子捕获和高精度光谱的应用，都是必须解决的问题。因此需要采取主动的稳频措施。

激光器的稳频技术通常是将输出激光的中心频率锁定在某个稳定度很高的参考频率上，例如原子、分子的吸收谱线、法布里珀罗标准具等。其中，基于原子吸收线的饱和吸收光谱技术应用最为广泛。它的主要原理是激光器的输出光的频率和原子的饱和吸收峰处的频率相比较，得到误差信号并反馈到激光器中的频率调谐机构中，完成闭环控制，从而使激光器的频率锁定到参考频率上，完成稳频。比如，铷(Rb)原子的吸收谱线可以用于780nm波段激光器的稳频；铯(Cs)原子的吸收谱线可以用于852nm波段激光器的稳频。反过来，利用这种原子吸收线的稳频激光器，可以用于对相应的原子的操控。从饱和吸收光谱中获取误差信号的方法有很多种。一种基本的方法是对激光频率进行调制，再与参考谱线做比较，获得交流的误差信号，进行选频放大以至锁相放大，以降低噪声提高灵敏度。或者对参考谱线进行调制，将激光频率与调制的参考谱线做比较，获得交流的误差信号。比如采用法布里珀罗标准具作为鉴频器时，可以采用这样的技术方案。

但是调制技术会带来一系列的问题：

1.对激光光源调制时，会造成激光线宽的展宽；对作为鉴频器的参考谱线做调制时，会带来鉴频基准的展宽和偏差。

2.对激光器波长进行调制的时候，往往其输出功率也会被调制。不仅影响稳频激光的应用，而且造成虚假的误差信号，必须采用其他技术加以校正。

3.需要复杂的处理电路如锁相放大，以及各种调制元件等。这些都限制了激光器频率稳定度的进一步提高，给应用带来不便。

因此，近年来，无调制稳频技术的研究得到了广泛重视，成为半导体激光器稳频技术的发展趋势。

为了克服调制光谱技术带来的问题，人们在无调制稳频技术方面进行了研究。在先技术之一，是利用塞曼效应，见《美国专利，专利号为：6009111》。在这一技术中用外加磁场将作为鉴频器的原子谱线分裂为一对，将激光的输出频率稳定在其中间点上。这一方法要增加外置磁场，增加了系统的复杂性。在先技术之二，是偏振光谱技术，见《文献：Optics Communications，2003年第228卷133-138页》。这一技术是利用强泵浦光造成的光致双折射效应，基于克喇末-克朗尼格(Kramas-Kronig)色散关系的原理，在原子吸收线附近必然有折射率的变化，通过检测这种折射率的变化可以得到误差信号从而来稳定激光器的输出频率。这种方法的缺点就是光路结构复杂，因此对于外界环境的影响敏感，影响频率的稳定性。

发明内容

本发明为了解决上述在先技术在常用的单频窄线宽外腔半导体激光器的无调制稳频结构中，需要强磁场、结构复杂、并且对外界影响敏感的缺点，提出一种外腔半导体激光器的无调制稳频装置，此装置具有结构简单、稳频效果好、受外界影响小等特点。

本发明的技术解决方案如下：