調制與非調制的半導體激光器典型穩頻方法對比分析

孫黎+李慧琴+熊繼軍

摘要： 針對半導體激光器穩頻技術中的飽和吸收法、塞曼調制法、基于原子二向色性的激光器鎖定（DAVLL）法和去除多普勒背景的二向色性鎖定（DFDL）法4種典型穩頻方法進行了穩定性、操作性、抗干擾能力等方面的對比分析，概括了調制和非調制穩頻方法的優缺點，為相關實驗選擇合適的穩頻方法提供依據。

關鍵詞： 半導體激光器； 穩頻； 頻率調制； 非調制

中圖分類號： TN 249文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.007

The comparative analysis of frequency stabilization methods between

modulation and nonmodulation semiconductor laser

SUN Li， LI Huiqin， XIONG Jijun

（School of Instrument and Electronics， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： Frequency stabilization technology of semiconductor laser has developed rapidly in recent years， and it is the basic technology in laser used in the experiment. The comparative analysis of several frequency stabilization methods， which are saturated absorption， Zeeman modulation， dichroicatomicvapor laser lock （DAVLL） and dopplerfree dichroic lock （DFDL）， were proposed for stability， operational， antiinterference ability and so on. Their advantages and disadvantages of the modulation and nonmodulation frequency stabilization methods are also been summarized in order to provide references to select the most suitable frequency stabilization method for the related experiments.

Keywords： semiconductor laser； frequency stabilization； frequency modulation； nonmodulation

引言窄線寬、高穩定度[12]的半導體激光器在原子光譜學、量子計量學、光纖通信以及激光原子冷卻等光電子學領域有日益廣泛的應用。在實驗條件下，穩定度的高低、穩頻系統的繁簡程度以及操作的難易與否等往往是選擇穩頻方法的重要依據。因此，對半導體激光器穩頻技術的研究很有意義和應用價值。1基本原理自由運轉的激光器由于易受外界溫度變化、大氣變化、機械振動以及磁場變化的影響，激光器輸出光頻率是不穩定的。為了改善輸出光頻率的穩定性，必須使用電子穩頻系統對激光器進行控制。穩頻時需要選取一個穩定且不因外界圖1激光器穩頻基本原理

Fig.1Frequency stabilization system干擾而改變外部參考頻率，對于大多數半導體激光器，都能找到一個相應的原子或分子吸收譜線作為參考頻率。當外界干擾使激光輸出頻率偏離參考頻率時，可以通過一定技術手段對激光頻率偏移進行鑒別而得到鑒頻信號，由穩頻系統控制電路輸出控制信號，調節半導體激光器的腔長或電流，使激光器的頻率回復到參考頻率而達到穩頻的目的。激光器穩頻基本原理如圖1所示。光學儀器第37卷

第2期孫黎，等：調制與非調制的半導體激光器典型穩頻方法對比分析

2半導體激光器帶調制的穩頻方法

2.1飽和吸收穩頻圖2為飽和吸收穩頻原理圖[3]，激光經過光隔離器后進行分束，分成三束激光。其中的兩束激光在Rb原子泡中形成泵浦光，另外一束激光直接透過Rb原子泡。用光電探測器PD分別對兩路光信號進行探測，泵浦光的探測信號中包含多普勒吸收信號和飽和吸收信號，透過光的探測信號中只包含多普勒吸收信號。將探測到的兩路信號作差，可以去除信號中的多普勒背景。最后將不含多普勒背景的飽和吸收信號通過鎖相放大電路、穩頻系統控制電路，加到激光器壓電陶瓷上來調節激光器的輸出頻率，使得激光器輸出頻率穩定。

圖2飽和吸收穩頻原理

Fig.2Saturated absorption frequency stabilization system

飽和吸收穩頻法穩定度較高，可達10-11 s-1[3]，系統抗干擾能力較強。但需鎖相環，系統閉環操作較復雜，直接將調制信號加到激光器上（內調制），與三角波掃頻信號和伺服控制系統的電壓信號進行疊加，一起送往激光器兩端的壓電陶瓷（PZT）上，給激光器頻率造成額外擾動。

2.2塞曼調制穩頻圖3為塞曼穩頻光路，從半導體激光器中出射的是線偏振光，經過1/2波片、偏振分光棱鏡（PBS）、1/4波片后，完成激光的分束，并把進入Rb原子泡的光束變成圓偏振光。之后經過一個厚玻璃片，將圓偏振光分成三束光。其中的兩束光對射完成飽和吸收作用，另一束光是探測光。光束在輸出到光電探測器之前，要經過一個分光棱鏡，這里選擇的是消偏振分光棱鏡（BS），因為消偏振分光棱鏡雖然對光能量有一定的吸收，但對光的偏振態不敏感，出射激光的偏振態和入射激光的偏振態相同。如圖4所示，塞曼調制穩頻實驗系統可分為掃頻發生器、輸入放大器、鎖相放大器、信號處理器四部分。其中掃頻發生器主要功能是給激光器加三角波掃描信號，使激光器頻率移動。因為在經過Rb泡得到飽和吸收曲線后，即確定了鎖頻的頻率基準，則需要通過掃頻將激光器頻率移動到該基準頻率附近，在實驗中就是要在示波器上找到飽和吸收譜線。輸入放大器包括信號放大和信號偏置，并且可以濾除多普勒背景信號，通過調節可以將吸收曲線維持在采樣范圍內，不失真。鎖相放大器包括信號發生器、混頻器、低通濾波器。其中信號發生器是給混頻器提供本地參考信號，給線圈提供調制信號；混頻器一般是通過乘法器實現，將帶有調制的飽和吸收信號與本地參考信號進行混頻、解調，這里運用到導數譜技術；低通濾波器是將相乘后信號中的高頻信號濾除。信號處理器采用PID控制，接受鑒頻信號，產生相應的控制信號輸出給激光器的壓電陶瓷。塞曼調制穩頻法將調制信號加載到線圈上，采用外調制穩頻，不會對激光器頻率造成額外擾動，穩定度較高，數量級可達10-12 s-1[4]。但是該方法也需鎖相環，閉環伺服控制較復雜，受外界干擾較大。圖3塞曼調制穩頻光路[4]

Fig.3Zeeman modulation frequency stabilization light path

圖4塞曼調制穩頻原理

Fig.4Zeeman modulation frequency stabilization system

3半導體激光器無調制的穩頻方法

3.1DAVLL（dichroicatomicvapor laser lock）穩頻法該方法利用原子在磁場中的塞曼效應，實驗原理如圖5所示[5]。DAVLL稱呼是由JILA（Joint Institute for Laboratory Astrophysics）[6]創造的。將原子吸收室放入磁場中，線偏振光可視作由強度相同、旋轉方向相反的兩束正交圓偏振光組成，當沿磁場方向傳播時，由于塞曼效應，原子的吸收線分成左旋圓偏振光σ+和右旋圓偏振光σ-，并且在頻率上沿相反方向偏移[7]。通過1/4波片和偏振分光棱鏡后，可把兩束正交圓偏振光分開，由兩個光電探測器分別探測，最后將兩路探測信號相減，得到相應的鑒頻曲線，如圖6所示[5]。

圖5DAVLL穩頻原理

Fig.5DAVLL frequency stabilization system圖6誤差信號

Fig.6Error signal

圖7DFDL穩頻原理

Fig.7DFDL frequency stabilization systemDAVLL穩頻法屬于無調制穩頻[89]，不會對激光頻率造成額外干擾，方案簡單易行，無需鎖相放大器，能獲得無調制擾動的激光輸出，連續可調諧范圍寬于飽和吸收法的可調諧范圍。但DAVLL需要對應特定的吸收譜線，適用范圍有限，沒有消除多普勒展寬，穩定度不高，約為10-9量級[5]。

3.2DFDL（dopplerfree dichroic lock）穩頻方法DFDL[1011]穩頻法是在DAVLL穩頻法的基礎上做了改進。增加一束泵浦光，如圖7所示，能消除多普勒展寬背景，使得吸收信號更加平穩。利用偏振光在磁場作用下發生左旋和右旋現象，將一束線偏振光分成兩束旋向相反的圓偏振光，再通過1/4波片和PBS將這兩束圓偏振光分開。DFDL穩頻法系統結構簡單，不需要鎖相環，操作方便且易于實現。DFDL消除了多普勒展寬，具有相對較寬的信號范圍。然而DFDL也需對應特定的吸收譜線，調諧范圍比DAVLL有所減小[12]；對磁場強度敏感，磁場強度大小對誤差信號斜率影響很大；鎖頻精度不高，約為10-9 s-1。4結論上述穩頻方法均日趨成熟，以某一頻率作為參考來穩頻是目前國內外半導體激光器穩頻的常用方法。從調制方法看，直接對激光器進行頻率調制會引入額外的頻率噪聲，造成激光頻率抖動，但是短期穩定度相對較高；外調制和無調制的穩頻方法不會給激光器帶來頻率擾動，而且實驗系統簡單，容易搭建，雖然穩定度相對較低，但已基本達到激光器相關實驗的要求。對外調制和無調制的穩頻方法進行優化，逐步提高其穩定度是日后研究工作的努力方向。參考文獻：

[1]鄭甜美，袁其平，童崢嶸，等.半導體激光器穩頻技術的研究進展[J].光通信技術，2011，35（4）：3033.

[2]韓順利，仵欣，林強.半導體激光器穩頻技術[J].紅外與激光工程，2014，42（5）：11891193.

[3]薛洪波.半導體激光器穩頻系統研制及其在原子干涉儀中的應用[D].北京：中國地質大學，2009.

[4]陳旭.基于塞曼調制法的半導體激光器穩頻系統研究[D].北京：北京科技大學，2010.

[5]YASHCHUK V V，BUDKER D，DAVIS J R.Laser frequency stabilization using linear magnetooptics[J].Review of Scientific Instruments，2000，71（2）：341.

[6]CORWIN K L，LU Z T，HAND C F，et al.Frequencystabilized diode laser with the Zeeman shift in an atomic vapor[J].Applied Optics，1998，37（15）：32953298.

[7]CHERON B，GILLES H，HAMEL J，et al.Laser frequency stabilization using Zeeman effect[J].Journal of Physics III，1994，4（2）：401406.

[8]PETELSKI T，FATIORI M，LAMPORESI G，et al.Dopplerfree spectroscopy using magnetically induced dichroism of atomic vapor：a new scheme for laser frequency locking[J].The European Physical Journal D，2003，22（2）：279283.

[9]BEVERINI N，MARSILI E，MARSILI P，et al.Frequency stabilization of a diode laser on the Cs D2 resonance line by the Zeeman effect in a vapor cell[J].Journal of Applied Physics B，2001，73（2）：133138.

[10]WASIK G，GAWLIK W，ZACHOROWSKI J，et al.Laser frequency stabilization by Dopplerfree magnetic dichrosic[J].Journal of Applied Physics B，2002，75（6/7）：613619.

[11]TIWARI V B，MISHRA S R，RAWAT H S，et al.Laser frequency stabilitation and large detuning by Dopplerfree dichroic lock technique：Application to atom cooling[J].Pramana，2005，65（3）：403411.

[12]陳長水，王芳，劉頌豪，等.半導體激光器穩頻技術綜述[J].量子電子學報，2010，27（5）：513521.

（編輯：張磊）