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如何搭建激光稳频的闭环控制系统
发布时间:2020-09-17   点击次数:137次

半导体激光器稳频简介

简介

窄线宽连续激光器广泛应用于原子、分子以及物理光学领域,在精密测量设备中有着举足轻重的作用。那些并不带有波长稳频技术的激光器,其短时间稳定性不适合很多应用。本文档将会给您介绍一种简单而强大的主动稳频技术,控制并且稳定连续激光的波长,使其成为高精细光学谐振腔。精密光谱学和原子分子操控技术得益于该稳频技术,并且在过去的几十年发展迅猛。

 

影响激光器频率稳定性的因素有很多:温度变化、机械震动、大气变化、磁场等等。稳频的本质是保持谐振腔光程长度的稳定性。

 

下文中我们会介绍如何搭建激光稳频的闭环控制系统及其特点,和所需要的设备。

 

闭环控制基础

一个基本的反馈控制系统如下图描述。激光器输出的一部分光被探测器采集(鉴频器),输出误差信号,伺服控制器分析采样,并与标准频率对比,自动调节腔长,将激光频率恢复到特定的标准频率上,从而实现稳频的目的。

 

不同的激光器频率固有噪音以及线宽差异很大,主要依赖于谐振腔的设计,增益介质的特性,以及一些其他参数,比如固体激光器的泵浦源的波动,机械振动等等。在半导体激光器系统中,较大的自发辐射速率也会带来频率/相位的噪音。

 

为了探测到激光器的频率的波动,就需要一个非常稳定的参考频率做比较。常用的做法是利用一个高精细结构的法布里珀罗腔,可以提供一定时间内的稳定性。法布里珀罗腔的共振频率(Vm)取决于腔长L,可以表述为:Vm = m(c/2L)。谐振腔的机械结构随着时间会有漂移(长时间稳定不会很好),但是可以提供很好的短期稳定性(~秒)。为了将激光器的频率紧紧地锁在法布里珀罗腔的共振频率上,必须要能快速的探测到该共振信号,并且具有较高的信噪比SNR。这是反馈系统中最ju有挑战的地方,而且会决定整个系统的性能。

 

PDH实验图,EOM是电光调制器,

PBS:偏振分光镜,1/4:四分之一波片

 

激光器的频率和参考共振频率的差异经过鉴频器会转化为电压信号,鉴频器的转换效率D的单位为V/Hz。鉴频器输出的电压,或者称为“误差信号”,可以有好几种方法获得。最hao的办法是用F-P腔的相位特性稳频(Pound-Drever-Hall,PDH)。首先利用电光调制器对激光做相位调制,在激光载波两侧产生两个振幅相等,相位相反的边频(忽略高阶边频)。F-P腔完全与入射激光共振时,两边频被F-P腔反射的强度相等,它们与载频产生拍频后的信号大小相等,相位相反,故完全抵消,输出误差信号为零。如果入射激光与F-P腔不完全共振,两边频被F-P腔反射的强度不等,拍频后的信号相位相反,但强度不等,故输出误差信号不为零。误差信号经过校正电路输出到腔长控制器中,从而调节激光器谐振腔。

PDH稳频控制中需要使用要求比较苛刻的产品,New Focus可以提供绝大部分,包括相位调制器(New Focus 型号4001或者4003),低噪音光电探测器(型号16x1-AC系列)。

 

小结

上述稳频方法可应用于New Focus可调谐半导体激光器TLB-7100TLB-6700TLB-6800系列。根据上述方法,自己搭建稳频系统,可以在一定程度上提高频率稳定性,但是仅仅作为一种稳频的开始。如果您需要让激光器达到更优越的性能,那么您需要考虑更多因素,如更高duan的伺服控制系统,更具稳定性的参考谐振腔结构等。

 

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