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低功耗、小型化的稳频激光系统设计与实现

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人气:-发表时间:2016-08-15 09:46【

导读: 设计并实现了一种低功耗、小型化、可长期稳定运行的自动稳频激光系统。通过设计并实现高效率、低纹波的电压源,较大幅度地降低了整个系统的功耗和体积;通过设计并实现高性能的温度控制、电流控制和稳频电路,得到了较窄线宽和较高频率稳定度的输出激光。该系统能够自动长期稳频,输出激光线宽约为1MHz

  1 、引言

  具有良好的单色性和相干性,它的出现极大地促进了原子(分子)动量操控的实验研究以及原子(分子)相关的精密测量。在激光冷却原子气体以及原子(分子)相关的频率标准、磁强计、重力仪、陀螺仪等前沿基础和应用研究领域,激光都发挥了不可替代的作用。这些实验研究对激光频率的线宽和稳定性有非常高的要求。对于实用化的原子(分子)精密测量设备,需要激光频率的稳定度在几小时到几年内都保持在一定水平以上。在基于原子(分子)的可搬运精密仪器中,还需要满足低功耗、小型化和高可靠性的要求。具有体积小、效率高、价格便宜、结构简单以及便于调谐等优点,其在上述的领域中得到广泛应用 。

  本文设计了一套基于半导体激光器的稳频激光系统,系统具有功耗低、体积小和稳定性高的特点。相比于现有的商用激光器,除了具备开机即可自动频率锁定的功能外,该系统的主要改进在于设计并实现了高效率、小型化、低噪声的新型电源,在保证激光器频率指标的前提下,降低了系统的体积和功耗。我们选用了分布反馈式半导体激光器(DFBLaser),此激光器不需要外腔压窄线宽,其稳定度预期比商用外腔半导体激光器更好。目前国内外稳频激光器的研究主要集中在超窄线宽和高短稳等方向上,对于小型化、可长期自动稳频的激光器的研究较少见到相关报道。我们测量了该系统的体积、功耗、输出激光频率的线宽和稳定度。和商用外腔半导体激光器相比,此激光器体积同比缩小了约85%,整机功耗降低了约90%,稳定度还略有提高。此激光器的性能完全满足小型化超冷原子实验平台、原子重力仪、陀螺仪和频率标准等设备的要求。

  2 、半导体稳频激光系统的设计

  本文的稳频激光系统采用的DFBLaser(型号:EYP-DFB-0780-00150-1500-TOC03-000x)的特性为:尺寸为38.9mm×25.4mm×9.3mm;输出激光功率最高可达100mW;中心波长为780nm,线宽为2MHz;频率的温调率为24.8GHz/K,电调率为1.23GHz/mA。

图 1(a)激光系统框图

  此激光系统电源的设计图如图 1(a)所示。整机尺寸为 150mm×80mm×150mm(体积约为1.8L),功耗约为 15W。现有的商用外腔激光器的驱动电源一般是 19寸 3U的标准机箱,其尺寸为482.6mm×132mm×185mm(体积约为11.8L),功耗一般为150W。本文设计的激光系统驱动电源与其相比体积缩小了约85%,功耗降低了约90%。

 (b)效果图(c)饱和吸收谱光路图(d)~87Rb的D2跃迁饱和吸收谱

  此激光系统的原理框图如图1(b)所示,分为如下几个模块:电压源模块、控温模块、控流模块、光学模块和主控模块。(1)为电压源模块,用于将110-220V交流电或者80V-120V高压直流电转化为稳定直流电为激光系统供电。(2)为控温模块,用于控制激光器的温度。(3)为控流模块,用于控制激光器的注入电流。(4)为光学模块,用于产生饱和吸收光谱(SAS),为激光频率锁定产生误差信号。(5)为主控模块,通过单片机整体控制温度、电流和误差信号,用于自动稳频。

  要获得高稳定度的输出激光频率,最关键的三个部分为:低漂移的控温、控流和稳频电路。

  对激光管输出频率影响最大的两个因素是管芯工作温度和注入电流,因此要获得高稳定度的激光频率,首先需要稳定控制激光管的工作温度和注入电流。我们设计了小型化、高  性能的控温电路提高电流的稳定性,降低了温度对激光频率的影响;同时,我们还设计了低功耗、低纹波的控流电路,降低了激光电流对激光频率的影响。电路分别将温度和电流采样信号与各自的高稳定度基准源进行比较得到误差信号,误差信号再经过比例-积分-微分电路(PID)处理后调整激光器的温度和电流,从而降低输出的激光的线宽和频率漂移。

        

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