半导体激光器稳频

实验报告

实验名称：半导体激光器稳频指导教师：

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一、实验目的

1. 了解光栅外腔反馈半导体激光器的内部结构和基本操作；

2. 理解影响半导体激光器频率稳定性的因素；

3. 熟悉稳频的基本原理、步骤及操作；

4. 掌握标定激光器频率起伏的方法。

二、实验仪器

Toptica 光栅外腔反馈式半导体激光器、饱和吸收光谱、锁频模块、示波器

三、实验原理

稳频的基本思想

影响半导体激光器频率稳定性的因素包括LD 温度、注入电流、外腔机械结构等。因此，对半导体激光器采用恒温、恒流、防震、密封等措施后，其频率稳定度可以提高到一个量级，但再进一步提高，将受温度控制极限的限制。因此必须采用进一步的稳频措施。激光稳频技术通常是采用电子伺服系统控制激光的频率抖动。主要原理是：当激光频率偏离标准频率时，由鉴频器给出误差信号，通过伺服系统和压电元件控制激光器的外腔长，使激光频率自动回到标准频率上。鉴频原理

我们将实验七所得的饱和吸收光谱信号输入到锁频模块中，信号被放大后选择高通滤波，滤去直流部分和电源主频对信

号的干扰。然后锁频模块内置的信号源对激光器的频率进行调制，调制频率记为mod f ，调制幅度记为ω∆。设激光的初始频率为0ω，那么调制后的激光频率为：

)2sin()(mod 0t f t ⨯⨯⨯∆+=πωωω

进入探测器的饱和吸收谱信号近似为：

)2sin()()(mod 00t f S S t S ⨯⨯⨯∆⨯'+=πωω 这样的信号在锁频模块内部被自己的调制信号进行检波 )4cos()()2sin()(2

1)]2sin()[()2sin()2sin()(mod 0mod 002mod 0mod 0mod t f S t f S S t f S t f S t f t S ⨯⨯⨯∆⨯'-⨯⨯+∆⨯'⨯=⨯⨯⨯∆'+⨯⨯⨯=⨯⨯⨯πωωπωωπωωππ

检波后的信号再送入低通滤波器，目的是滤掉所有与时间有关的高频项。锁频模块输出的即为鉴频曲线信号（Lock -in output ）：

()ωωπ∆⨯'⨯=⨯⨯⨯0mod 2

1)]2sin()([S t f t S LowPass 4. 稳频过程

在半导体激光二极管上提供两种工作电流, 一种是驱动电路

提供的直流电流, 用以选择工作点, 另一种是由锁频模块内

f的正弦交流电, 使激光频率产生置信号源产生的频率为m od

f频

调制, 从而引起激光输出功率在吸收中心频率上以m od

ω上, 率变化。如图8.3 示，如激光输出频率恰好在吸收频率0

该点为曲线的极点, 因此相敏检波器没有信号输出。当激光振

ω左侧时, 则激光输出功率调制信号与信号源

荡频率位于0

输出的参考信号同相, 相敏检波器输出正电压, 控制压电陶

ω右侧时, 瓷上电压, 使激光输出频率增大。当振荡频率位于0

则激光输出功率调制信号与信号源输出的参考信号反相, 相

敏检波器输出负电压, 控制压电陶瓷上电压，使激光输出频率

ω上。

减小，最终将激光器输出频率稳定于0

五、实验内容及步骤

1. 调节加在光栅外腔上压电陶瓷的三角波电压的偏置和幅度，对激光器频率进行扫描，得到对应于Cs 原子D2 线超精细跃迁的饱和吸收光谱，如图8.4 中的黑色曲线所示。

2. 将该信号输入锁频模块，对输入信号进行放大滤波，再通过相敏检波得到鉴频信号，如图8.4 中的蓝色曲线所示。其中，对激光电流进行调制所加正弦波的频率、幅度以及低通的截止频率等参数需要精确调节以获得信噪比较高的鉴频曲线。

3. 将鉴频曲线调整到合适的反馈增益和带宽。最后送入激光控制电路，将频率纠正信号负反馈到半导体激光器光栅外腔的PZT。

4. 减小三角波扫描信号幅度并调节偏置电压，直到三角波被彻底关闭，将激光器锁定到我们需要的超精细跃迁线上。

5. 标定锁定前后激光器的频率起伏，如图8.5 所示。

六、数据处理

1. 将饱和吸收光谱和鉴频信号放在一张图中，两条曲线共用一个横坐标，纵坐标采用双坐标显示，如图8.4 所示，并标出激光器锁定的跃迁能级。（横坐标以频率显示，以铯原子某两条超精细谱线之间的频率间隔为参考标准）

得到铯原子饱和吸收光谱与鉴频曲线，实验中将峰锁定在

C4-4,5竞争峰处。有图计算得斜率为

K=272

2. 定量标出激光器在自由运转和锁定时相同时间段内的频率起伏，如图

自由运转的频率起伏：6MHz

锁定后的频率起伏：±450KHz