461 nm半导体激光器系统的稳频研究

赵亚楠

(陕西广播电视大学工程管理系， 陕西 西安 710119)

0 引 言

半导体激光稳频技术是半导体激光的一种重要技术，它不但可用于长度的精密测量，而且在激光通讯、原子钟、纳米计测、三维精密控制以及原子、分子结构的精密测量和能态的标定、物理基本常数的精密测量等方面有着广泛的应用[1].

1 激光稳频原理

在很多冷原子物理实验中，常采用半导体激光器作为冷却与俘获光源以及再泵浦光源,但是半导体激光器在自由运转下频率偏移以及跳动较大，不能满足冷原子实验要求,因此通常需要对半导体激光器进行频率锁定[2].

用于激光冷却与俘获研究系统中的半导体激光器，其频率锁定通常选定原子吸收谱线或荧光谱线的中心频率作为参考频率标准，用饱和吸收谱或荧光谱装置提供参考信号[3].而锁频环路中的反馈则可以通过半导体的注入电流或外部反馈控制元件如控制光栅反馈角度的压电陶瓷施加,还可以利用电流和压电陶瓷不同的响应带宽用滤波器对反馈的信号分频并适当调整,相位相同时把高频信号反馈入电流，低频信号反馈回压电陶瓷.在闭环锁定以后激光器的频率波动都能够小于1 MHz.

设激光频率为υ，加入频率调制后，激光频率的变化量为msin(Ωt)，其中Ω为调制频率，m为调制系数,则加入频率调制后的激光频率可表示为：υ+msin(Ωt).当探测光束通过原子汽室后，被原子样品吸收，输出光强可用IT[υ+msin(Ωt)]表示.在调制较弱且调制频率较低的情况下(m，Ω<τ,τ为吸收谱线线宽)，可将探测光的透射光强表达式作Taylor展开：

(1)

合并Ω的同类项后可得到：

IT[υ+msin(Ωt)]

(2)

若在频率Ω处采用相敏检波技术，如采用锁相放大器Lock-In在调制信号的一次谐波Ω处解调，即可检出(2)式中sin(Ωt)项的系数.由于调制系数m较小，sin(Ωt)的系数中后面的各项均很小可忽略，因此就近似得到了透射信号的一阶微分项.同理，在3次谐波3Ω处进行相敏检波，可以得到透射信号的三阶微分项.由于吸收谱线的奇数阶微分曲线具有类色散型的特点，因此可用作稳频的鉴频曲线.将吸收峰的微分信号反馈回激光器，即可将激光频率锁定到微分信号的电平零点.

2 461 nm半导体激光器稳频实验装置

2.1 461nm激光器

实验中使用的461 nm激光器系统是由德国Toptica Photonics公司研制的TA/DL-SHG110 高功率环形倍频激光器.如图1为TA/DL-SHG110 光学系统的结构示意图，其主要由两部分组成，第一部分是DL100半导体激光器，产生高功率波长为922 nm激光(主激光)；第二部分是SHG110系统，利用环形腔作为倍频腔，以PP-KTP准相位匹配晶体作为倍频晶体，利用二次谐波原理(SHG)对922 nm红外光激光进行倍频，从而获得稳定的461 nm蓝光.

环形倍频腔的跟踪锁定系统由PID110 控制模块、PDD110 模块及快光电探测器、慢光电探测器(固定在环形腔镜RM3上)、压电陶瓷(固定在环形腔镜RM2上)组成.通过这些锁定元素，环形腔的腔长通过Pound-Drever-Hall方法与基波波长相匹配，以实现倍频腔与主激光器之间的跟踪与锁定.

图1 TA/DL-SHG 110 光学系统结构图 图2 激光垂直入射时Sr热原子的荧光光谱

2.2 Sr热原子荧光谱

在461 nm激光器稳频的实验过程中，用于激光稳频的参考频率可以通过选择Sr热原子的饱和吸收光谱信号或荧光光谱信号获得,我们在实验中选择激光诱导激发荧光光谱信号作为参考频率.激光诱导激发荧光光谱方法是激光作用于样品池中的原子，通过扫描激光波长，在样品池中产生的辐射荧光直接由探测器光电倍增管接收(或者先经过特定波长的滤波片选择探测从上态到某个下态的分支荧光)，再进行处理和记录而获得样品光谱，所获得的光谱等效于吸收光谱.荧光光谱非常稳定，可以作为激光稳频的绝对标准，因此荧光光谱技术在激光稳频方面具有重要的应用价值.

在稳频实验中，通过探测到的Sr热原子荧光光谱信号来改善激光频率的稳定性.图2曲线a为入射激光与原子束垂直作用时测得的Sr热原子荧光光谱，曲线峰值强度较大的为88Sr的谱线信号，峰值强度较小的为86Sr的谱线信号，同位素88Sr和86Sr跃迁谱线间的频移量为124.8 MHz.曲线b为自制F-P腔的激光透射峰，F-P腔纵模间隔为750 MHz.利用该F-P腔测量得到Sr原子1S0→1P1能级跃迁的荧光光谱线宽为110 MHz，与理论计算得到的荧光光谱线宽的结果吻合.

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2.3 Lock-In稳频的实验装置

461 nm激光器的锁频系统利用了德国Toptica公司的LIR110稳频模块,它包括调制源、输入信号放大器、相敏检波部分、PID模块,图3为Lock-In稳频的简略框图(虚线框内为LIR110模块的内部电路结构图).光电探测器探测到的荧光光谱信号进入LIR110模块即可进行激光稳频，通过调节LIR110模块的modulation output按钮可观察经过信号放大器放大的荧光光谱信号及相应的一次微分信号.

图3 Lock-In稳频框图 图4 461 nm激光器系统荧光稳频装置

图4为荧光稳频实验装置，实验过程中锶炉加热至630 ℃，系统的真空度维持在1.0×10-6Pa.激光源为TA/DL-SHG 461 nm的倍频半导体激光器，激光功率为240 mW，激光线宽小于2 MHz，扫描范围约为20 GHz.激光依次经过二分之一波片及PBS分束镜、10倍扩束镜、圆形光阑、两个45°高反镜作用于Sr热原子束. 由两个焦距f=5 cm 的凸透镜组合而成的复合透镜系统收集荧光信号，用型号为DET10 A/M的高灵敏度探测器2探测荧光信号.

3 稳频结果及讨论

下面结合Lock-In稳频框图和稳频实验中的荧光光谱稳频装置简单介绍LIR110模块的工作原理及调节步骤.

经过光电探测器1后的荧光信号进入LIR110模块的输入信号放大器，将信号放大30倍并选择DC直流耦合方式,然后由调制源对激光频率υ0进行调制，激光频率变化量为Δυ，我们选用的正弦频率调制信号为4.3 kHz.在把461 nm激光器的频率锁定在Sr原子精细跃迁谱线的过程中，首先要选定适当的调制频率和相位，使得鉴频信号信噪比最高，然后适当调节调制信号的幅度，再调节低通滤波得到较好的鉴频信号.

图5 Sr热原子的荧光光谱(加调制信号) 图6 一阶微分曲线

图5为加调制信号后的Sr原子的荧光光谱，其中同位素88Sr和86Sr跃迁谱线间的频移量为124.8 MHz.图6为稳频实验中得到的典型的经过一次谐波探测，由锁相放大器相敏检波获得的一阶微分曲线(用于稳频的类色散鉴频曲线).

图6的一次微分曲线中出现了两个不同的一次微分信号，较小的一次微分信号对应于Sr原子荧光光谱中峰值强度较小的86Sr的谱线信号，较大的一次微分信号对应于Sr原子荧光谱中峰值强度较大的88Sr的谱线信号.实验中采用的是峰值强度较大的88Sr的谱线信号对应的一次微分信号.已知同位素88Sr和86Sr跃迁谱线间的频移量为124.8 MHz，可以估测出图6中对应的跃迁线中间的曲线形部分的频率跨度为50 MHz，测得其对应纵轴方向的电压幅度为90 mV，斜率为655 kHz/mV.

图7 激光自由运转时的荧光光谱信号 图8 激光器闭环锁定后的荧光光谱信号

图7为激光自由运转时的荧光光谱信号，此时的频率漂移大约7 MHz/min.图8为激光器闭环锁定后20 s内记录到的典型跃迁峰值信号，闭环锁定后激光器的频率起伏得到了显著的抑制，频率起伏约710 kHz/min.激光器可在闭环锁定状态下稳定运转数小时而不失锁，可以满足激光冷却和俘获锶原子的实验要求.

4 结束语

本文利用激光诱导荧光光谱的技术闭环锁定了461 nm激光器，获得了高功率、窄线宽、稳定的蓝光，其频率漂移710 kHz/min，满足实验要求.

在本文的稳频方案中，谱线多普勒背景对一阶微分曲线零点(即频率参考点)的确定有一定的影响.对此，我们可以在荧光稳频装置中引入零度高反镜，通过探测光与反射光信号相减的方法在一定程度上消弱多普勒背景，同时提高荧光信号的强度值[5].另外，人们提出了3次乃至5次谐波探测法以获得3次(或五阶)微分鉴频曲线[4]来有效地降低多普勒背景的影响，并且可以避开系统在低频Ω处比3Ω处高的1/f噪声，原则上可提高系统频率锁定的稳定性[6].

参考文献

[1] 蓝信炬.激光技术[M]. 北京：科学出版社，2008：252-296.

[2] T. Day, F. Luecke,M. Brownell. Continuously tunable diode lasers[J].Lasers and Optronics,1993,(6):15-17.

[3] 陈景标，朱程锦，王凤芝,等.斜入射激光抽运铯束频标中的光频移[J].光电子·激光，2001，(12)：51-54.

[4] C. J. Hawthorn, K. P. Weber, R. E. Scholtena. Littrow configuration tunable external cavity diode laser with fixed direction output beam[J].Rev. Sci. Instrum.，2001,(72):4 477-4 479.

[5] 陈徐宗.半导体激光器稳频原理及技术[D].北京：北京大学信息科学技术学院量子电子学研究所硕士学位论文，2009.

[6] 臧二军，曹建平，钟明琛,等.用单块激光器和环形外腔获得稳定的532 nm激光[J].光学学报，2003，3(23)：335-340.