采用F-P光學(xué)腔的外腔半導(dǎo)體激光器鎖相穩(wěn)頻方法

步明繁,劉志剛,張為波,張萌,洪軍

(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

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采用F-P光學(xué)腔的外腔半導(dǎo)體激光器鎖相穩(wěn)頻方法

步明繁,劉志剛,張為波,張萌,洪軍

(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

針對(duì)外腔半導(dǎo)體激光器出射光頻不穩(wěn)定的問(wèn)題,提出了一種將Fabry-Perot(F-P)光學(xué)腔與鎖相放大器相結(jié)合的穩(wěn)頻方法,將激光器出射光頻穩(wěn)定在F-P光學(xué)腔的平均腔長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的諧振頻率上。信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)F-P光學(xué)腔的腔長(zhǎng)按照正弦規(guī)律變化,光電探測(cè)器將透過(guò)F-P光學(xué)腔的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),鎖相放大器將這一電信號(hào)與信號(hào)發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行混頻經(jīng)低通濾波后得到光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差。利用這一相位誤差信號(hào),通過(guò)PID控制器對(duì)激光器內(nèi)腔電流和外腔PZT驅(qū)動(dòng)電壓兩種不同的反饋方式進(jìn)行反饋控制,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出光頻。理論推導(dǎo)出光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差與激光器波長(zhǎng)變化關(guān)系,選用F-P光學(xué)腔透射峰值時(shí)間間隔τ的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為評(píng)價(jià)頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,選用外腔PZT驅(qū)動(dòng)電壓的反饋方式,能將外腔半導(dǎo)體激光器的光頻穩(wěn)定性提高約80%,該方法具有簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn),并且可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的頻率穩(wěn)定,也能夠適用于不同波長(zhǎng)的激光器穩(wěn)頻。

穩(wěn)頻;Fabry-Perot光學(xué)腔;鎖相;Littman結(jié)構(gòu)

外腔半導(dǎo)體激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、線寬窄、體積小、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于精密干涉測(cè)量、激光陀螺、大氣和環(huán)境監(jiān)測(cè)、光通信等領(lǐng)域。光頻穩(wěn)定性是激光器的一個(gè)重要的性能指標(biāo),半導(dǎo)體激光器的光頻對(duì)電流、溫度、振動(dòng)等因素極其敏感,如何提高半導(dǎo)體激光器的光頻穩(wěn)定性一直是外腔激光器研究的熱點(diǎn)之一[1-2]。

目前常用的有飽和吸收光譜技術(shù)、Pound-Drever-Hall(PDH)穩(wěn)頻技術(shù)以及F-P光學(xué)腔掃描穩(wěn)頻技術(shù)。飽和吸收光譜技術(shù)[3]是將激光器頻率鎖到吸收室氣體的原子吸收中心頻率上,應(yīng)用多普勒效應(yīng),讓傳播方向相反而路徑基本重合的探測(cè)光和參考光入射于充有氣體的吸收室。當(dāng)調(diào)諧光頻ω≠ω0(吸收室原子吸收中心頻率)時(shí),光束被原子群吸收;當(dāng)ω=ω0時(shí),在探測(cè)光強(qiáng)和頻率的相關(guān)曲線上,于ω0處出現(xiàn)尖峰效應(yīng)。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是復(fù)現(xiàn)性和頻率穩(wěn)定度較高,但由于輸出波長(zhǎng)受制于吸收介質(zhì),譜線覆蓋率和輸出功率較低。

PDH技術(shù)[4-5]利用F-P光學(xué)腔共振頻率作為參考標(biāo)準(zhǔn),把激光器頻率鎖定在光學(xué)諧振腔的諧振頻率上。該方法將激光經(jīng)電光調(diào)制器進(jìn)行相位調(diào)制,利用光外差光譜檢測(cè)技術(shù)和F-P光學(xué)腔的諧振特性,獲得可以鑒頻的色散型譜線以及激光頻率與F-P光學(xué)腔共振頻率的誤差信號(hào),通過(guò)反饋改變激光器的腔長(zhǎng)從而改變光頻率,將光頻鎖定在光學(xué)腔諧振頻率上。雖然PDH法具有很高的穩(wěn)定性和較窄的共振譜線寬度,但是進(jìn)行相位調(diào)制需要電光調(diào)制器(EOM)及射頻信號(hào)源,導(dǎo)致成本提高,且由于電光調(diào)制剩余幅度的存在,會(huì)引起鎖定后頻率的漂移,增加了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜程度,難以普及應(yīng)用。

F-P光學(xué)腔掃描穩(wěn)頻法[6]是將半導(dǎo)體激光器光頻通過(guò)F-P光學(xué)腔鎖到穩(wěn)定性更高的He-Ne穩(wěn)頻激光器光頻上,該方法將激光器和參考激光器的出射光入射到按正弦規(guī)律變化的F-P腔中,提取透射波峰時(shí)間差作為穩(wěn)頻誤差信號(hào)。該方法能實(shí)現(xiàn)多個(gè)半導(dǎo)體激光器同時(shí)穩(wěn)頻,但抗干擾能力差,光頻跳變會(huì)導(dǎo)致失鎖,而且要獲得較為準(zhǔn)確的透射波峰時(shí)刻需要較高的采樣率[7],提高了穩(wěn)頻系統(tǒng)的成本。

本文結(jié)合F-P光學(xué)腔與鎖相放大器的特點(diǎn)[8-9],提出了一種新的激光器穩(wěn)頻方法,并以此方法為基礎(chǔ)進(jìn)行Littman型外腔半導(dǎo)體激光器光頻的反饋控制試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了激光器頻率的穩(wěn)定。該方法將激光器的光頻鎖定在F-P腔的平均腔長(zhǎng)上,適用于寬光譜的激光器頻率穩(wěn)定,對(duì)F-P光學(xué)腔的掃描頻率要求較低,能夠?qū)崿F(xiàn)激光器長(zhǎng)時(shí)間的頻率穩(wěn)定。

1 F-P光學(xué)腔鎖相穩(wěn)頻原理

1.1 穩(wěn)頻原理

F-P光學(xué)腔鎖相穩(wěn)頻技術(shù)是以F-P光學(xué)腔的平均腔長(zhǎng)作為參考,將激光器的光頻鎖定在F-P光學(xué)腔的平均腔長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的諧振頻率上。穩(wěn)頻F-P光學(xué)腔的腔長(zhǎng)在PZT的驅(qū)動(dòng)下按照正弦規(guī)律發(fā)生變化,原理如圖1所示。

圖1 F-P光學(xué)腔鎖相穩(wěn)頻方法原理圖

F-P光學(xué)腔[10]是利用平行平板的多光速干涉原理制成的精密光學(xué)儀器,由兩個(gè)相互平行、平行度達(dá)到λ級(jí)別的平面玻璃組成,內(nèi)表面鍍有高反射膜。本文采用內(nèi)表面是球面并處于共焦位置的共焦光學(xué)腔,根據(jù)多光束干涉原理,F-P腔透射光強(qiáng)為

(1)

式中:R為F-P光學(xué)腔內(nèi)腔反射鏡的反射率;Lx為腔長(zhǎng);n為空氣折射率;I0為入射光強(qiáng)。同時(shí)設(shè)

(2)

PZT是以正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)F-P光學(xué)腔的一面腔鏡,F-P光學(xué)腔腔長(zhǎng)Lx可寫(xiě)成下面的形式

Lx=L0+ksin(2πft)

(3)

式中:L0為平均腔長(zhǎng);f為F-P光學(xué)腔掃描頻率;k為比例系數(shù)。對(duì)It在I0處進(jìn)行泰勒展開(kāi),得

It=G(L0)I0+G′(L0)ksin(2πft)I0+

(4)

從式(4)可以看出,激光器透射光強(qiáng)中的頻率成分為PZT驅(qū)動(dòng)頻率的整數(shù)倍。激光器的透射光強(qiáng)信號(hào)與PZT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)在鎖相放大器中進(jìn)行混頻,輸出信號(hào)為兩者相位差的函數(shù),得到的信號(hào)記作光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差δ。在反饋系統(tǒng)中,用這一誤差信號(hào)補(bǔ)償光頻波動(dòng)[11],表達(dá)式如下

(5)

式中:H為鑒相器放大系數(shù)。δ經(jīng)低通濾波濾去高頻分量,得到

(6)

聯(lián)立式(2)～式(6),可得

(7)

在式(7)中,只有半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)λ是變量,如果激光器穩(wěn)定,光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差δ為常數(shù)。在后續(xù)控制環(huán)節(jié)中,只需保證δ為常數(shù)就能使激光器的頻率鎖定到F-P光學(xué)腔平均腔長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的諧振頻率上。

1.2 穩(wěn)頻控制

以Littman型外腔半導(dǎo)體激光器為研究對(duì)象,Littman型外腔半導(dǎo)體激光器[12]結(jié)構(gòu)如圖2所示。激光二極管內(nèi)腔是帶有增益的F-P諧振腔,R1和R2是激光器內(nèi)腔后端面和前端面的反射系數(shù),激光二極管后端面與反射鏡構(gòu)成激光器的外腔,光柵固定,反射鏡座可以隨壓電陶瓷伸長(zhǎng)調(diào)整一個(gè)微小的角度,φ為入射光與光柵法線的夾角,θ為一級(jí)衍射光與光柵法線的夾角,L為轉(zhuǎn)軸點(diǎn)與衍射點(diǎn)之間的距離。

圖2 Littman型可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖

溫度、激光二極管電流和PZT的電壓都會(huì)影響Littman型外腔半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)。由于溫度調(diào)節(jié)速度較慢,采用調(diào)節(jié)溫度的方式很難快速實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定[13]。

1.2.1 電流反饋 在穩(wěn)態(tài)振蕩下,增益介質(zhì)的折射率和注入電流呈線性關(guān)系。折射率的改變可以等效內(nèi)腔腔長(zhǎng)的改變,從而改變波長(zhǎng),根據(jù)測(cè)試,在保持溫度不變的情況下,波長(zhǎng)隨電流呈線性變化。

理論上激光二極管的電流變化量ΔI與半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)變化量Δλ存在如下關(guān)系

Δλ=γΔI

(8)

式中:γ為電流變化量對(duì)波長(zhǎng)的影響系數(shù),為常數(shù)。由Δλ與諧振信號(hào)相位誤差δ間存在函數(shù)關(guān)系可得

f(δ)=γΔI

(9)

從式(9)可以得出,頻率的波動(dòng)量與電流變化量呈一定的函數(shù)關(guān)系,可以通過(guò)調(diào)節(jié)電流值來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。

1.2.2 外腔PZT電壓反饋 根據(jù)光柵所選擇的波長(zhǎng)為

λ=d(sinθ+sinφ)

(10)

式中:d為光柵常數(shù),即兩條光柵刻線之間距離;θ為光束入射角;φ為一級(jí)衍射角。

PZT驅(qū)動(dòng)反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)角為Δφ時(shí),可以得到

(11)

由于變化角度是很小的,因此式(11)可以簡(jiǎn)化為

(12)

假設(shè)PZT驅(qū)動(dòng)過(guò)程中一直垂直于反射鏡平面,可得關(guān)系式

(13)

式中:Lpzt為PZT與反射鏡轉(zhuǎn)臂接觸點(diǎn)到反射鏡中心的距離;Δx為PZT的驅(qū)動(dòng)輸出位移。

由式(12)、式(13),可得外腔與波長(zhǎng)關(guān)系

(14)

在不考慮滯回特性的情況下,PZT的輸入電壓和輸出位移關(guān)系為

Δx=KΔU

(15)

式中:K為PZT輸入電壓和輸出位移的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

結(jié)合式(14)、式(15),可得波長(zhǎng)改變量與PZT輸入電壓之間的關(guān)系為

(16)

再由Δλ與δ的函數(shù)關(guān)系,可得

(17)

從式(17)可以得出,頻率的波動(dòng)量與電壓變化量呈一定的函數(shù)關(guān)系,可以通過(guò)調(diào)節(jié)PZT的驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻[13]。

1.3 穩(wěn)頻評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

一般評(píng)價(jià)頻率穩(wěn)定性,需要測(cè)得具體的光頻變化,如艾倫方差。在無(wú)法測(cè)得光頻的情況下,為了驗(yàn)證穩(wěn)頻效果,選用F-P光學(xué)腔透射峰值時(shí)間間隔作為穩(wěn)頻的參考標(biāo)準(zhǔn)。已知共焦F-P光學(xué)腔的光強(qiáng)極大值透射公式為

mλ=4nLx

(18)

式中:m為第m階透射極大值;n為透射率。式(18)與式(3)聯(lián)立,可得

(19)

調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸入信號(hào)幅值,使得在一個(gè)腔的掃描周期T中僅有兩個(gè)激光器透射光強(qiáng)極大值,分別為

(20)

(21)

聯(lián)立式(20)、式(21),得到t1、t2時(shí)間間隔τ的表達(dá)式如下

(22)

式(22)中只有波長(zhǎng)λ為變量,可以用τ作為評(píng)價(jià)頻率穩(wěn)定度的指標(biāo)。由于激光器輸出波長(zhǎng)的變動(dòng),導(dǎo)致F-P光學(xué)腔腔長(zhǎng)在掃描過(guò)程中產(chǎn)生透射光強(qiáng)峰值的時(shí)間發(fā)生變化,會(huì)引起相鄰?fù)干涔鈴?qiáng)峰值時(shí)間間隔即圖3中τ1、τ2的改變,當(dāng)光頻穩(wěn)定時(shí),τ1、τ2值保持穩(wěn)定。

圖3 F-P光學(xué)腔腔長(zhǎng)調(diào)制與透射信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)

2.1 穩(wěn)頻控制實(shí)驗(yàn)

采用F-P光學(xué)腔的鎖相穩(wěn)頻技術(shù)原理如圖1所示,實(shí)現(xiàn)對(duì)Littman型外腔半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)頻。銣原子鐘(Stanford FS725)為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(Tektronix AFG3052C)提供外部時(shí)鐘參考。熱敏電阻(Thorlabs TH10K)與半導(dǎo)體制冷器(TEC1.4-6)對(duì)激光二極管進(jìn)行溫度的反饋控制,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的溫度穩(wěn)定。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)F-P光學(xué)腔(Thorlabs SA200-5B)腔內(nèi)的PZT,使腔長(zhǎng)按照正弦規(guī)律變化,激光器的出射光入射到F-P光學(xué)腔中,光電探測(cè)器將透過(guò)F-P光學(xué)腔的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。鎖相放大器(Stanfrod SR830)將這一電信號(hào)與信號(hào)發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行混頻,將混頻后的信號(hào)進(jìn)行低通濾波得到光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差δ,作為PID控制器(Stanfrod SIM960)的測(cè)量輸入對(duì)激光器進(jìn)行反饋控制,實(shí)現(xiàn)激光器的頻率穩(wěn)定。

將Littman型外腔半導(dǎo)體激光器的輸入電流設(shè)置為120 mA的恒流模式,溫度為25 ℃,信號(hào)發(fā)生器以頻率為10 Hz、電壓幅值為1～5 V的正弦波驅(qū)動(dòng)F-P光學(xué)腔,在無(wú)反饋情況下鎖相放大器輸出的光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差δ如圖4所示。由圖可見(jiàn),在3 min內(nèi),δ從2 V漂移到10 V,漂移量約400%,經(jīng)計(jì)算,其標(biāo)準(zhǔn)差為2.467 66 V。透射極大值時(shí)間間隔τ1、τ2如圖5所示,同樣有明顯的漂移趨勢(shì),漂移量約為25%,標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.997 9、3.050 8 ms。

圖4 無(wú)反饋條件下光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差

圖5 無(wú)反饋條件下τ1、τ2曲線圖

(1)在其他條件不變的情況下,PID控制器參考值設(shè)為1 V,對(duì)激光器進(jìn)行電流反饋控制。信號(hào)穩(wěn)定后,3 min的相位誤差如圖6所示,誤差信號(hào)穩(wěn)定在1 V,經(jīng)計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差為0.019 0 V。τ1和τ2的曲線如圖7所示,標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.447 59、2.608 01 ms。

圖6 電流反饋條件下光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差

圖7 電流反饋條件下τ1、τ2曲線圖

在電流反饋情況下,每間隔10 min采集1組數(shù)據(jù),得到光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差δ標(biāo)準(zhǔn)差與τ1、τ2標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。

表1 電流反饋情況下δ及τ1、τ2標(biāo)準(zhǔn)差

測(cè)試結(jié)果表明,電流反饋顯著提高了光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差δ的穩(wěn)定度,也抑制透射極大值時(shí)間間隔的變化。

(2)在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下,采用PID反饋外腔PZT電壓的方法,得到光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差δ如圖8所示,其標(biāo)準(zhǔn)差為0.037 603 V。τ1、τ2曲線如圖9所示,標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.752 547、0.749 241 ms。

圖8 外腔PZT電壓反饋條件下光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差

圖9 外腔PZT電壓反饋條件下τ1和τ2曲線圖

在外腔PZT電壓反饋條件下,每間隔10 min采集1組數(shù)據(jù),得到光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差δ標(biāo)準(zhǔn)差與τ1、τ2標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示。

表2 外腔反饋情況下δ及τ1、τ2標(biāo)準(zhǔn)差

電壓反饋實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于電流反饋,在得到較穩(wěn)定的光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差的同時(shí),通過(guò)分析τ1、τ2標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù),得出頻率穩(wěn)定度比電流反饋時(shí)提升75%。Littman型可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)如圖2所示。零級(jí)衍射光作為輸出光,一級(jí)衍射光通過(guò)反射鏡原路返回到諧振腔,實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。電流反饋穩(wěn)頻的前提是一級(jí)衍射光在這個(gè)過(guò)程中強(qiáng)度不變,然而通過(guò)電流反饋控制穩(wěn)頻時(shí),電流顯著改變導(dǎo)致反饋回的一級(jí)衍射光強(qiáng)度改變,反饋光強(qiáng)也是影響頻率的因素,兩種影響因素耦合在一起影響了實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果。

(3)通過(guò)設(shè)置不同的PID參考電壓實(shí)現(xiàn)設(shè)置不同的光頻,在相同的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差δ見(jiàn)圖10,τ1、τ2值曲線見(jiàn)圖11。

在改變光頻外腔反饋的情況下,每間隔10 min多次采樣,得到光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差δ標(biāo)準(zhǔn)差與τ1、τ2的標(biāo)準(zhǔn)差如表3所示。

表3 改變光頻外腔反饋情況下δ及τ1、τ2標(biāo)準(zhǔn)差

圖10 改變光頻后外腔反饋下諧振信號(hào)相位誤差

圖11 改變光頻后外腔反饋τ1和τ2曲線圖

測(cè)試結(jié)果表明,外腔反饋穩(wěn)頻方式在不同光頻下都能抑制誤差信號(hào)與τ信號(hào)的波動(dòng),穩(wěn)頻效果提高為無(wú)反饋情況下的80%以上。

2.2 穩(wěn)頻He-Ne激光器性能對(duì)比

本文選用透射峰值時(shí)間間隔τ1、τ2作為間接評(píng)價(jià)穩(wěn)頻方法有效性的指標(biāo)。為了進(jìn)一步分析外腔半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)頻效果,用穩(wěn)頻He-Ne激光器(CVI&MG 25-STP-912-230)進(jìn)行一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。該激光器輸出波長(zhǎng)為632.8 nm,8 h內(nèi)頻率穩(wěn)定性小于±1 MHz,實(shí)驗(yàn)裝置如圖12所示。

圖12 He-Ne激光器對(duì)比實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

在相同實(shí)驗(yàn)條件下,穩(wěn)頻He-Ne激光器的誤差信號(hào)如圖13所示,在0.6 V附近發(fā)生微小波動(dòng),其標(biāo)準(zhǔn)差為0.007 03 V。透射極大值時(shí)間間隔τ1、τ2曲線如圖14所示,τ1、τ2標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.104 455、0.145 368 ms。

圖13 He-Ne激光器諧振信號(hào)相位誤差

圖14 He-Ne激光器τ1和τ2曲線圖

穩(wěn)頻He-Ne激光器透射峰值時(shí)間間隔τ穩(wěn)定在0.1 ms,通過(guò)外腔PZT電壓反饋,可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器比較理想的穩(wěn)頻效果,透射峰值時(shí)間間隔τ穩(wěn)定在0.1 ms量級(jí)上。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)外腔半導(dǎo)體激光器出射頻率難以穩(wěn)定的問(wèn)題,提出一種鎖相穩(wěn)頻技術(shù)。該方法將激光器的光頻鎖定在F-P光學(xué)腔的平均腔長(zhǎng)上,系統(tǒng)簡(jiǎn)單,對(duì)腔長(zhǎng)掃描頻率要求較低。通過(guò)理論推導(dǎo),將光學(xué)腔諧振信號(hào)相位誤差穩(wěn)定性和波長(zhǎng)穩(wěn)定性聯(lián)系起來(lái),并提出用F-P光學(xué)腔透射峰值時(shí)間間隔τ標(biāo)準(zhǔn)差間接驗(yàn)證波長(zhǎng)穩(wěn)定性。同時(shí),探討了電流、外腔PZT電壓兩種穩(wěn)頻方式的可行性,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析,并與穩(wěn)頻He-Ne激光器實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)。結(jié)果表明,在外腔反饋的條件下,激光器出射頻率穩(wěn)定性提高80%以上,并且可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的頻率穩(wěn)定。該方法還能夠適用于不同波長(zhǎng)的激光器的穩(wěn)頻。

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(編輯 杜秀杰)

Method of Phase Locking Frequency Stabilization for Diode Lasers by F-P Optical Cavity

BU Mingfan,LIU Zhigang,ZHANG Weibo,ZHANG Meng,HONG Jun

(State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Aiming at the issue of the frequency instability of emergent light from diode lasers in Littman configuration, a stabilization method combined F-P cavity with phase-locked amplifier is proposed. The laser frequency is stabilized to the resonance frequency corresponding to the average cavity length of a F-P cavity. A function generator is used to drive the F-P cavity according to the sinusoidal signal, and a photoelectric detector is used to transform optical signals passing through F-P optical cavity into electrical signals. The electrical signals frequency mix with drive signals from function generator and then pass trough low pass filter in the phase-locked amplifier to get optical cavity resonance signal phase error. The signal is given back to laser by PID controller to stable optical frequency through the feedback selection of internal current and external cavity PZT driving voltage. We theoretically deduce the correlation between optical cavity resonance signal phase error and the laser wavelength, and then choose the standard deviation of the F-P optical cavity transmission peak time interval value τ as a frequency stability evaluation index. Experiments show that the stability of external cavity semiconductor laser frequency is improved by 80% via feedback selection of external cavity PZT driving voltage. This method is simple and efficient to be applied to different wavelengths and longtime laser frequency stabilization.

frequency stabilization; F-P optical cavity; phase locking; Littman configuration

2016-04-27。

步明繁(1992—),男,碩士生;劉志剛(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375376)。

時(shí)間:2016-07-14

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160714.1640.010.html

10.7652/xjtuxb201610019

TB96

A

0253-987X(2016)10-0125-07