基于塞曼效應(yīng)的半導(dǎo)體激光器鎖頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

孫 黎(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000)

0 引言

窄線寬和高穩(wěn)定度的半導(dǎo)體激光器在原子干涉儀、原子鐘、精密測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，然而半導(dǎo)體激光器輸出光的特性易受外界環(huán)境溫度、振動(dòng)等因素影響。塞曼效應(yīng)是一種重要的物理現(xiàn)象，金屬原子譜線能級(jí)在環(huán)境磁場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生能級(jí)分裂現(xiàn)象，且能級(jí)分裂程度與磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足一定的運(yùn)算關(guān)系[1-2]，在光、電、磁領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。半導(dǎo)體激光器的鎖頻方法發(fā)展日益成熟且種類多樣，其中將調(diào)制信號(hào)加載到激光器上的飽和吸收法應(yīng)用較普遍，但是會(huì)對(duì)激光器輸出光產(chǎn)生額外干擾[3]。考慮將調(diào)制信號(hào)加到銫原子氣室外的線圈上，實(shí)現(xiàn)“間接調(diào)制”，同時(shí)利用線圈的可變磁場(chǎng)讓銫原子能級(jí)發(fā)生塞曼分裂，得到明顯的原子能級(jí)吸收峰，將激光頻率鎖定在銫原子超精細(xì)分裂能級(jí)F=4→F′=5上。

本文采用Newfocus(TLB-6017，853 nm) 可調(diào)諧激光器、銫原子注入氣室搭建鎖頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)原子干涉儀激光器進(jìn)行頻率鎖定。自主設(shè)計(jì)銫原子氣室的磁場(chǎng)線圈和閉環(huán)控制電路，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，鎖頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性良好，鎖頻結(jié)果能滿足原子干涉儀使用需求。

1 塞曼效應(yīng)原理

如圖1所示，當(dāng)在銫原子氣室線圈上加載交流磁場(chǎng)，銫原子能級(jí)會(huì)發(fā)生二級(jí)分裂，即塞曼分裂。超精細(xì)能級(jí)F=4→F′=5的躍遷會(huì)呈現(xiàn)更多種可能性，鎖頻時(shí)供選擇的基準(zhǔn)頻率則越多。

圖1 原子能級(jí)塞曼分裂示意圖

能級(jí)F′=5和能級(jí)F=4的塞曼分裂程度和磁場(chǎng)大小密切相關(guān)，將F′=5的能級(jí)移動(dòng)量定義為Δa，F(xiàn)=4的能級(jí)移動(dòng)量定義為Δb，則Δa和Δb和磁場(chǎng)的關(guān)系可由公式(1)和(2)表示[4]：

(1)

Δb=gFmFuBB

(2)

當(dāng)激光器輸出的圓偏振光進(jìn)入原子氣室，激發(fā)原子躍遷。在原子躍遷過(guò)程中，由光的偏振性會(huì)產(chǎn)生光抽運(yùn)現(xiàn)象，如圖2所示，δ+的圓偏振光激發(fā)原子正極化，集中到正能級(jí)；δ-的圓偏振光激發(fā)原子負(fù)極化，集中到負(fù)能級(jí)[5]。

圖2 光極化示意圖

本文搭建的鎖頻系統(tǒng)選用的激光器輸出光為δ+的圓偏振光，達(dá)到光極化平衡后，可認(rèn)為絕大部分原子在能級(jí)mF=+2和能級(jí)mF=+3上循環(huán)躍遷[6]，那么就能在示波器上看到明顯吸收峰，將激光器頻率鎖定到這個(gè)吸收峰對(duì)應(yīng)的頻率上。

2 鎖頻系統(tǒng)

基于塞曼效應(yīng)的鎖頻實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。Newfocus(TLB-6017，853 nm) 激光器采用PZT調(diào)諧，可調(diào)諧范圍為60 GHz，細(xì)調(diào)帶寬3.5 kHz，線寬小于300 kHz。激光經(jīng)過(guò)1/2玻片和PBS分束，PBS和1/4玻片結(jié)合將激光變成δ+的圓偏振光，此處要求PBS和1/4玻片快軸的夾角為45°[7]。然后分光棱鏡將激光分成兩束，一束光進(jìn)入銫原子氣室激發(fā)原子躍遷，這束光的光強(qiáng)大概為0.5 mW/cm2，同時(shí)利用信號(hào)發(fā)生器輸出正弦交流信號(hào)加載在原子氣室外的線圈上，用于產(chǎn)生磁場(chǎng)，使得銫原子能級(jí)發(fā)生塞曼分裂，可通過(guò)改變電流大小來(lái)改變磁場(chǎng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)塞曼分裂程度；另一束光經(jīng)過(guò)兩個(gè)反射鏡和BS反向入射到原子氣室，使原子躍遷達(dá)到飽和狀態(tài)。采用自制的光電探測(cè)器PD1和PD2接收兩路出射光并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，差分去除多普勒背景，送入示波器，在示波器上掃描到明顯的吸收鋒后，通過(guò)鎖相放大器和伺服控制器將該頻率信號(hào)反饋給激光器。

圖3 鎖頻實(shí)驗(yàn)系裝置圖

3 電路設(shè)計(jì)與測(cè)試

在該鎖頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，PD將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)之后的電路環(huán)節(jié)很關(guān)鍵，直接影響鎖定穩(wěn)定性。電路包含差分器、掃描和調(diào)制信號(hào)發(fā)生器、鎖相放大器、伺服控制器，實(shí)現(xiàn)鎖頻系統(tǒng)的閉環(huán)控制。差分器將兩個(gè)PD輸出的電信號(hào)進(jìn)行差分，去除多普勒背景，使吸收峰更清晰；信號(hào)發(fā)生器一方面提供三角波掃描信號(hào)，便于在示波器中觀察原子吸收峰，一方面提供正弦交流信號(hào)加載至原子氣室線圈對(duì)塞曼分裂譜線進(jìn)行調(diào)制；鎖相放大器檢測(cè)激光實(shí)際頻率和基準(zhǔn)頻率的差別，提供鑒頻信號(hào)，用于頻率鎖定；伺服控制器作為閉環(huán)控制的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，其內(nèi)部為PID控制，先調(diào)節(jié)比例P參數(shù)，大幅度調(diào)節(jié)吸收信號(hào)和鑒頻信號(hào)的平衡位置，再調(diào)節(jié)積分I參數(shù)，減少信號(hào)的小抖動(dòng)，然后根據(jù)I的調(diào)節(jié)情況決定是否增加微分D參數(shù)的調(diào)節(jié)，D能夠更加精細(xì)地調(diào)節(jié)信號(hào)的抖動(dòng)。

其中鎖相放大器和伺服控制器在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度會(huì)升高，會(huì)影響激光光束的溫度，從而間接影響激光器的穩(wěn)定性[8-9]。鎖頻系統(tǒng)中選用的Newfocus(TLB-6017，853 nm) 激光器溫度系數(shù)是0.06 nm/℃，需要將環(huán)境溫度控制在VT=±0.1℃變化范圍，才能保證激光器輸出光頻率波長(zhǎng)波動(dòng)范圍小于Vv=±22.4 MHz，才能成功實(shí)現(xiàn)鎖頻。因此，在伺服控制電路中增設(shè)溫度控制電路，由熱敏電阻(調(diào)節(jié)工作電流)與半導(dǎo)體制冷硅(降低電路結(jié)溫)串聯(lián)。如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

開(kāi)啟三角波掃描信號(hào)，激光器輸出光頻率會(huì)產(chǎn)生周期性的變化[10]，可以在示波器上監(jiān)測(cè)到逐個(gè)被掃描到原子能級(jí)的吸收譜線，如圖5所示。調(diào)節(jié)線圈上磁場(chǎng)的大小，可以改變吸收譜線的寬度和峰值大小，磁場(chǎng)大小與吸收峰值成正比。選擇合適的磁場(chǎng)，直到能夠在示波器上觀察到明顯的吸收峰。可見(jiàn)，塞曼分裂后的原子吸收譜線比分裂前的吸收譜線飽和程度更高，且F=4→F′=5躍遷的吸收峰最明顯，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將激光器頻率鎖定在該吸收峰對(duì)應(yīng)的中心頻率上。

圖5 吸收譜線圖

對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)閉環(huán)鎖定后，選取示波器采樣時(shí)間一小時(shí)內(nèi)的曲線計(jì)算穩(wěn)定度。測(cè)得一小時(shí)內(nèi)最大電流噪聲幅值大約為14 μA，對(duì)應(yīng)的激光器鎖定穩(wěn)定度為28 MHz。當(dāng)選取采樣時(shí)間2 s，最大電流噪聲幅值大約為9 μA，對(duì)應(yīng)的激光器鎖定穩(wěn)定度為18 MHz。滿足原子干涉儀、原子鐘等對(duì)半導(dǎo)體激光器頻率的穩(wěn)定度要求。

5 結(jié)論

本文分析了利用塞曼效應(yīng)鎖定半導(dǎo)體激光器頻率的原理，搭建的鎖頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中選用Newfocus(TLB-6017，853 nm) 可調(diào)諧激光器、銫原子注入氣室。在電路中增設(shè)了溫度控制電路，提高了激光器的工作可靠性。改變磁場(chǎng)找到適合鎖頻的銫原子D2線F=4→F′=5吸收峰，以此中心頻率作為系統(tǒng)鎖定頻率基準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)多次閉環(huán)測(cè)試，一小時(shí)內(nèi)激光穩(wěn)定度為28 MHz，短期激光穩(wěn)定度為18 MHz。上述基于塞曼效應(yīng)的鎖頻系統(tǒng)可靠性好，穩(wěn)定性高，可操作性強(qiáng)，可以用于半導(dǎo)體激光器頻率鎖定。