894nm外腔半导体激光器

收稿日期：2011-03-07；修订日期：2011-04-19

基金项目：国家自然科学基金(10874012，10974177)；国际科技合作计划(2010DFA04690)

作者简介：黄凯凯(1971-)，男，讲师，博士，主要从事激光与物质相互作用方面的研究。Email:huangkaikai@

894nm 外腔半导体激光器

黄凯凯，李

楠，陆璇辉

(浙江大学物理系光学研究所，浙江杭州310027)

摘

要：介绍了一种基于Littrow 结构的894nm 外腔半导体激光器的设计原理，给出了光栅转轴的

优化点计算，分析了无跳模范围和实际转轴位置的关系，指出了实际光栅转轴点的合理位置。针对铯原子激光抽运磁力仪的应用要求，通过外腔的选频功能，以及低噪声激光电流源、低温漂温控器和低噪声压电陶瓷驱动器，实现了自由运转波长为904nm 的激光管调谐到894nm 的单模运转，连续无跳模范围在3GHz 以上。共焦FP 腔的观测表明，外腔半导体激光器对自由运转激光管的线宽进行了有效压窄。搭建了饱和吸收谱装置，成功观测到了Cs 原子D 1线的F =3->F ′=3,4和F =4->F ′=3,4两套饱和吸收谱线。

关键词：外腔半导体激光器；铯D 1线；饱和吸收谱中图分类号：TN248.4

文献标志码：A

文章编号：1007-2276(2011)11-2129-05

894nm external cavity diode laser

Huang Kaikai,Li Nan,Lu Xuanhui

(Institute of Optics,Physics Department,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

Abstract:The design principle of 894nm external cavity laser diode with Littrow configuration was introduced.The calculation on optimized grating mount pivot point position was given.Analysis of the mode -hop -free range versus practical pivot point position as well as the reasonable pivot point position were pointed.By frequency selection of external cavity and application of low noise current driver,low temperature drift controller and low noise piezo driver,single mode operation of the laser at 894nm was realized on a laser diode with a free running wavelength of 904nm,which was to be applied in laser pumped Cesium magnetometer.The mode -hop -free range was above 3GHz.It could be seen from the confocal FP cavity that the laser linewidth was effectively narrowed in the external cavity.In order to obtain Cs D 1spectrum,a saturation absorption spectroscopy layout was built and the hyperfine lines spectrum of F =3->F ′=3,4and F =4->F ′=3,4transition were successfully obtained.Key words:external cavity diode laser;

cesium D 1lines;

saturation absorption spectroscopy

第40卷第11期

红外与激光工程

2011年11月Vol.40No.11

Infrared and Laser Engineering

Nov.2011

红外与激光工程第40卷

0引言

自半导体激光器问世以来，由于体积小、效率高、便于调谐、易于维护等优点，已经在光通讯、光测距[1-2]和民用领域广泛应用。比如CD播放器里的780nm激光管、DVD播放器里的650nm激光管、以及光通讯用的1550nm激光管。这些激光管的出现都伴随着巨大的商业市场。而在基础研究领域，比如原子分子精密光谱、光学频率标准、冷原子操控、玻色-爱因斯坦凝聚、原子干涉仪、激光抽运原子磁力仪等研究中，只要波长和功率达到要求，半导体激光器同样也会成为首选。但是，普通FP腔结构的半导体激光管腔长一般在几百微米，后反射面的反射率接近全反射，出射端面的反射率一般在百分之几十以内。由于谐振腔的精细度不够高，而自由光谱范围又很宽，造成普通FP腔半导体激光器的Schalow-Townes线宽比较宽，甚至会出现多模运转，所以，通常不能直接用在上述基础研究领域。针对这种情况，有些公司和研究小组提供了侧面布拉格反射的DBR激光管和光栅反馈分布在整个谐振腔的DFB激光管，但是价格非常昂贵，而且谱线远没有普通FP腔结构的激光管丰富，线宽也不尽理想。所以在很多情况下，研究人员通过在激光管外再增加一些光反馈元件，使得激光管的后反射面和光反馈元件之间形成一个外腔，这样的激光器称为外腔半导体激光器(ECDL)。由于外腔对激光器的模式选择作用，可以大幅度压窄半导体激光器的Schalow-Townes线宽，同时通过外腔光学元件的调谐作用，使得激光波长可以精确调谐。由于外腔半导体激光器具有易于调谐、谱线宽度窄、维护简单等特点,成为精密光谱研究中一个重要的工具[3-6]。

在原子光谱中,铯的D2线已经有过大量研究,比如铯的激光冷却和光抽运铯钟都使用这条谱线,国内已经有文章报导过相应的外腔半导体激光器[7]。而对铯的D1线的研究并不多,国内还未见相关文献报导。D1线是6S1/2和6P1/2能级之间的跃迁线，波长在894nm附近,包含了F=3,4到F′=3,4这几条谱线。由于894nm涉及到的应用不多,所以这个波长的激光管市场上几乎没有。文中运用一种标称波长为904nm的激光管,经过外腔的选频功能,以及电路的控制实现了在894nm的稳定单模稳定运行,并获得了铯原子的D1线饱和吸收谱数据。该激光器将被用于铯原子激光抽运磁力仪的研究中[8-9]。

1Littrow外腔激光器原理和优化光栅转轴点设计

目前在各种外腔结构中，用得最广泛的是两种，Littrow结构和Littman结构。Littman结构[10]由于腔内多次选频，线宽可以做的更低，出射方向不会变化，但是出射功率相对较低，而且由于结构复杂，激光准直比较困难。Littrow结构外腔中只有一个光栅，准直简单，输出效率高，机械稳定性比较好,应用更为广泛。

如图1所示,在Littrow结构的ECDL中,激光管

出射的激光,经光栅衍射后,0级光作为输出激光,1级光反射回激光管中。为了使1级光形成外腔反馈,激光入射角θ必须满足：

λ0=2d sinθ(1)式中：λ为激光波长；d为光栅常数,即光栅刻槽间距。

除了要满足外腔反馈条件以外,外腔半导体激光器还应当具有较大的连续调谐范围。这是需要谨慎考虑的一个问题。

为了便于理解，简化外腔结构，如图2所示,激光管位于O点，出射的激光方向沿x轴正向。光栅面初图1Littrow结构半导体外腔激光器

Fig.1External cavity diode laser with Littrow

configuration

图2Littrow型ECDL简化结构

Fig.2Simplified geometry of ECDL with Littrow

configuration

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