中心頻率可調諧的半導體激光器穩頻裝置和穩頻方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體激光器，特別是一種中心頻率可調諧的半導體激光器的穩頻方法，該方法可應用于激光原子冷卻、高分辨率激光光譜、冷原子鐘等領域。
【背景技術】
[0002]隨著近年來半導體激光技術的迅猛發展，它在引力波探測、高精度光譜、合成孔徑激光雷達等領域有著重要應用。這些應用領域不僅要求激光具有高頻率穩定性和高相干性(超窄線寬)，還要求具備激光中心頻率的調諧能力。而傳統的激光穩頻技術是將激光頻率穩定在一個穩定的、窄線寬的頻率參考上，例如原子的吸收線、高精細度法布里-珀羅腔等，只能實現固定頻率點的激光穩頻，不具備中心頻率的調諧性能。因此，探索研宄穩定度好、線寬窄、中心頻率可調諧的新型頻率參考，發展能夠實現中心頻率可調諧的半導體激光器穩頻技術，具有重要的學術意義和應用價值。
[0003]E.D.Vanooijen提出了一種利用聲光調制器實現中心頻率可調諧的半導體激光器調制穩頻技術(參見在先技術[I]:“Laser frequency stabilizat1n usingDoppler-free bichromatic spectroscopy，，，Applied physics b, Vol.79，57-592004)。其基本原理是對激光頻率進行調制，并通過聲光調制器產生零階和I階透射光，這兩束光在原子池內產生交叉共振峰，通過電路計算獲得交流的誤差信號，產生閉環控制進行穩頻，并且其穩頻中心頻率可通過調節AOM的調制頻率進行移動。但是由于受到聲光調制器中所用晶體的限制，其中心頻率調諧范圍有限，只能到100MHz量級。
[0004]另一方面，J.1.Thirpe提出了一種利用光學共振FP腔并且采用移動邊帶的TOH穩頻技術實現中心頻率可調諧的半導體激光器的頻率穩定(參見在先技術[2] Laserfrequency stabilizat1n and control through offset sideband locking to opticalcavities”，Optics Express.Vol 16，N0.20，15980，2004) 0 此方案將移動邊帶穩頻技術與傳統PDH穩頻相結合，優點是可以實現較寬的中心頻率調諧范圍，但主要存在以下缺點:
[0005]1、方案中需要用到高精度的光學FP腔，這大大提高了整個方案的器件成本。
[0006]2、邊帶穩頻技術的加入使整體的頻率穩定精度劣化非常嚴重，難以滿足一些高精度應用的需要。

【發明內容】

[0007]本發明的目的在于克服上述在先技術的不足，提出一種中心頻率可調諧的半導體激光器的穩頻方法，結合電磁誘導透明技術和調制光譜法技術，將半導體激光器的輸出頻率穩定在中心頻率位置可移動的電磁誘導透明窗口上，實現中心頻率可調諧的半導體激光器頻率穩定，具有結構簡單、頻率穩定性高和調諧范圍大的特點。
[0008]本發明的技術解決方案如下:
[0009]一種中心頻率可調諧的半導體激光器的穩頻裝置，包括帶有半導體激光器控制器的半導體激光器、第一偏振分束器、四分之一波片、原子吸收池、第二偏振分束器、螺線管、光電探測器、鎖相放大器、信號發生器、伺服控制器、加法運算器和頻率固定在原子共振能級的光源信號；
[0010]上述元部件的位置關系如下:
[0011]在所述的半導體激光器發出的光束依次通過所述的第一偏振分束器(2)、四分之一波片(3)、原子吸收池(4)和第二偏振分束器(5)，在該第二偏振分束器(5)的反射光方向有光電探測器(7)，該光電探測器(7)的輸出端與所述的鎖相放大器⑶的第一輸入端相連；
[0012]所述的信號發生器(9)的輸出端分別與所述的鎖相放大器(8)的第二輸入端、加法運算器(11)的第一輸入端相連，為鎖相放大器(8)和加法運算器(11)提供電流驅動信號;
[0013]所述的鎖相放大器的輸出端經所述的伺服控制器(10)與所述的加法運算器(11)的第二輸入端相連，該加法運算器(11)的輸出端與控制器(12)的輸入端相連，該半導體激光器控制器(12)的輸出端與半導體激光器(I)的控制端相連；
[0014]所述的原子吸收池(4)放置在所述的螺線管(6)中心。
[0015]上面所述的半導體激光器為半導體激光器，其輸出波長在原子吸收池內的原子的飽和吸收峰附近。
[0016]所述的信號發生器可為鎖相放大器和加法運算器提供所需參考頻率的正弦電流驅動信號。
[0017]所述的頻率固定在原子共振能級的光源信號與半導體激光器的輸出光信號在原子吸收池中在空間上重合，能夠與原子吸收池發生量子相干作用產生電磁誘導透明光信號。
[0018]所述的四分之一波片將頻率固定在原子共振能級的光源信號與半導體激光器的輸出光信號在原子吸收池內的偏振態調整為圓偏振光。
[0019]所述的螺線管用于產生磁場，使原子吸收池內原子的能級產生移動，從而調節電磁誘導透明峰出現的頻率位置。
[0020]本發明與在先技術相比，具有以下優點和積極效果:
[0021]1、與在先技術[I]相比，本發明的中心頻率可調諧的半導體激光器穩頻方法采用電磁感應透明峰作為頻率參考，透射峰的頻率位置取決于相應原子躍迀的頻率失諧。相關的理論和實驗都已表明，在整個原子的近共振范圍，電磁感應透明都可以實現。因此，基于這種電磁感應透明效應的可調諧技術的調諧范圍將是聲光調制技術的5倍左右。
[0022]2、與在先技術[2]相比，本發明采用電磁感應透明峰作為頻率參考，電磁感應透明峰的產生基于量子效應，具有線寬窄、穩定性高等優點，可大幅提高半導體激光器穩頻的精度。
[0023]3、與在先技術[2]相比，本發明只需使用一些常用的光學和電學器件即可實現，不需要用到高精度的光學FP腔等成本較高的裝置，具有結構簡單，實現成本低等優點。
【附圖說明】
[0024]圖1是原子吸收池內原子的作用能級。
[0025]圖2是本發明中心頻率可調諧的半導體激光器的穩頻裝置的結構框圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合實例和附圖對本發明進行進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。
[0027]先請參閱圖1，圖1是在螺線管6產生的磁場作用下，原子吸收池4內原子的作用能級。由圖可見，在螺線管6產生的磁場作用下，原子吸收池4內原子的能級產生移動，當半導體激光器I的輸出光4a與頻率固定在原子共振能級的光源信號13的輸出光4b近共振作用于對應的原子能級時，就會產生電磁誘導透明峰信號。
[0028]再請參閱圖2，圖2是本發明中心頻率可調諧的半導體激光器的穩頻裝置的結構框圖。由圖可見，本發明中心頻率可調諧的半導體激光器的穩頻裝置，包括帶有半導體激光器控制器12的半導體激光器1、第一偏振分束器2，四分之一波片3、原子吸收池4、第二偏振分束器5、螺線管6、光電探測器7、鎖相放大器8、信號發生器9、伺服控制器10、加法運算器11、頻率固定在原