基于塞曼效应的半导体激光器锁频系统设计*

孙 黎(福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000)

0 引言

窄线宽和高稳定度的半导体激光器在原子干涉仪、原子钟、精密测量等领域应用越来越广泛，然而半导体激光器输出光的特性易受外界环境温度、振动等因素影响。塞曼效应是一种重要的物理现象，金属原子谱线能级在环境磁场的作用下会发生能级分裂现象，且能级分裂程度与磁场强度满足一定的运算关系[1-2]，在光、电、磁领域应用广泛。半导体激光器的锁频方法发展日益成熟且种类多样，其中将调制信号加载到激光器上的饱和吸收法应用较普遍，但是会对激光器输出光产生额外干扰[3]。考虑将调制信号加到铯原子气室外的线圈上，实现“间接调制”，同时利用线圈的可变磁场让铯原子能级发生塞曼分裂，得到明显的原子能级吸收峰，将激光频率锁定在铯原子超精细分裂能级F=4→F′=5上。

本文采用Newfocus(TLB-6017，853 nm) 可调谐激光器、铯原子注入气室搭建锁频实验系统，对原子干涉仪激光器进行频率锁定。自主设计铯原子气室的磁场线圈和闭环控制电路，经过多次试验，锁频系统的稳定性和复现性良好，锁频结果能满足原子干涉仪使用需求。

1 塞曼效应原理

如图1所示，当在铯原子气室线圈上加载交流磁场，铯原子能级会发生二级分裂，即塞曼分裂。超精细能级F=4→F′=5的跃迁会呈现更多种可能性，锁频时供选择的基准频率则越多。

图1 原子能级塞曼分裂示意图

能级F′=5和能级F=4的塞曼分裂程度和磁场大小密切相关，将F′=5的能级移动量定义为Δa，F=4的能级移动量定义为Δb，则Δa和Δb和磁场的关系可由公式(1)和(2)表示[4]：

(1)

Δb=gFmFuBB

(2)

当激光器输出的圆偏振光进入原子气室，激发原子跃迁。在原子跃迁过程中，由光的偏振性会产生光抽运现象，如图2所示，δ+的圆偏振光激发原子正极化，集中到正能级；δ-的圆偏振光激发原子负极化，集中到负能级[5]。

图2 光极化示意图

本文搭建的锁频系统选用的激光器输出光为δ+的圆偏振光，达到光极化平衡后，可认为绝大部分原子在能级mF=+2和能级mF=+3上循环跃迁[6]，那么就能在示波器上看到明显吸收峰，将激光器频率锁定到这个吸收峰对应的频率上。

2 锁频系统

基于塞曼效应的锁频实验装置如图3所示。Newfocus(TLB-6017，853 nm) 激光器采用PZT调谐，可调谐范围为60 GHz，细调带宽3.5 kHz，线宽小于300 kHz。激光经过1/2玻片和PBS分束，PBS和1/4玻片结合将激光变成δ+的圆偏振光，此处要求PBS和1/4玻片快轴的夹角为45°[7]。然后分光棱镜将激光分成两束，一束光进入铯原子气室激发原子跃迁，这束光的光强大概为0.5 mW/cm2，同时利用信号发生器输出正弦交流信号加载在原子气室外的线圈上，用于产生磁场，使得铯原子能级发生塞曼分裂，可通过改变电流大小来改变磁场，进而调节塞曼分裂程度；另一束光经过两个反射镜和BS反向入射到原子气室，使原子跃迁达到饱和状态。采用自制的光电探测器PD1和PD2接收两路出射光并转化为电信号，差分去除多普勒背景，送入示波器，在示波器上扫描到明显的吸收锋后，通过锁相放大器和伺服控制器将该频率信号反馈给激光器。

图3 锁频实验系装置图

3 电路设计与测试

在该锁频实验系统中，PD将光信号转化成电信号之后的电路环节很关键，直接影响锁定稳定性。电路包含差分器、扫描和调制信号发生器、锁相放大器、伺服控制器，实现锁频系统的闭环控制。差分器将两个PD输出的电信号进行差分，去除多普勒背景，使吸收峰更清晰；信号发生器一方面提供三角波扫描信号，便于在示波器中观察原子吸收峰，一方面提供正弦交流信号加载至原子气室线圈对塞曼分裂谱线进行调制；锁相放大器检测激光实际频率和基准频率的差别，提供鉴频信号，用于频率锁定；伺服控制器作为闭环控制的最后一个环节，其内部为PID控制，先调节比例P参数，大幅度调节吸收信号和鉴频信号的平衡位置，再调节积分I参数，减少信号的小抖动，然后根据I的调节情况决定是否增加微分D参数的调节，D能够更加精细地调节信号的抖动。

其中锁相放大器和伺服控制器在实验过程中温度会升高，会影响激光光束的温度，从而间接影响激光器的稳定性[8-9]。锁频系统中选用的Newfocus(TLB-6017，853 nm) 激光器温度系数是0.06 nm/℃，需要将环境温度控制在VT=±0.1℃变化范围，才能保证激光器输出光频率波长波动范围小于Vv=±22.4 MHz，才能成功实现锁频。因此，在伺服控制电路中增设温度控制电路，由热敏电阻(调节工作电流)与半导体制冷硅(降低电路结温)串联。如图4所示。

图4 系统电路设计图

4 实验结果

开启三角波扫描信号，激光器输出光频率会产生周期性的变化[10]，可以在示波器上监测到逐个被扫描到原子能级的吸收谱线，如图5所示。调节线圈上磁场的大小，可以改变吸收谱线的宽度和峰值大小，磁场大小与吸收峰值成正比。选择合适的磁场，直到能够在示波器上观察到明显的吸收峰。可见，塞曼分裂后的原子吸收谱线比分裂前的吸收谱线饱和程度更高，且F=4→F′=5跃迁的吸收峰最明显，实验系统将激光器频率锁定在该吸收峰对应的中心频率上。

图5 吸收谱线图

对实验系统闭环锁定后，选取示波器采样时间一小时内的曲线计算稳定度。测得一小时内最大电流噪声幅值大约为14 μA，对应的激光器锁定稳定度为28 MHz。当选取采样时间2 s，最大电流噪声幅值大约为9 μA，对应的激光器锁定稳定度为18 MHz。满足原子干涉仪、原子钟等对半导体激光器频率的稳定度要求。

5 结论

本文分析了利用塞曼效应锁定半导体激光器频率的原理，搭建的锁频实验系统中选用Newfocus(TLB-6017，853 nm) 可调谐激光器、铯原子注入气室。在电路中增设了温度控制电路，提高了激光器的工作可靠性。改变磁场找到适合锁频的铯原子D2线F=4→F′=5吸收峰，以此中心频率作为系统锁定频率基准。经过多次闭环测试，一小时内激光稳定度为28 MHz，短期激光稳定度为18 MHz。上述基于塞曼效应的锁频系统可靠性好，稳定性高，可操作性强，可以用于半导体激光器频率锁定。