低功耗和小型化频率稳定激光系统的设计与实现

1.简介激光具有良好的单色性和连贯性。它的出现极大地促进了原子（分子）动量操纵的实验研究和原子（分子）相关性的精确测量。激光在激光冷却原子气体和原子（分子）相关频率标准，磁力计，重力仪，陀螺仪和其他前沿研究和应用领域中发挥着不可替代的作用。这些实验研究对激光频率的线宽和稳定性有很高的要求。对于实际的原子（分子）精密测量设备，激光频率的稳定性需要保持在一定水平以上数小时至数年。在基于原子（分子）的可移动精密仪器中，激光器还需要满足低功耗，小型化和高可靠性的要求。半导体激光器具有体积小，效率高，成本低，结构简单，调谐方便等优点，在上述领域得到广泛应用。本文设计了一套基于半导体激光器的频率稳定激光系统。该系统具有功耗低，体积小，稳定性高的特点。与现有的商用激光器相比，除了启动时自动锁频功能外，该系统的主要改进是设计并实现了一种高效，小型化，低噪声的新型电源，保证了激光频率指标。向下，减小系统的尺寸和功耗。我们选择了分布式反馈半导体激光器（DFBLaser），它不需要外腔来缩小线宽，并且其稳定性有望优于商用外腔半导体激光器。目前，国内外对频率稳定激光器的研究主要集中在超窄线宽和高短路的方向上。对于具有长期自动频率稳定的小型化激光器的研究，报道的报道较少。我们测量了系统的输出激光频率的体积，功耗，线宽和稳定性。与商用外腔半导体激光器相比，激光器体积同比减少约85％，整机功耗降低约90％，稳定性略有提高。该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，陀螺仪和频率标准的要求。 2.半导体频率稳定激光系统的设计本文频率稳定激光系统中使用的DFBLaser（型号：EYP-DFB-0780-00150-1500-TOC03-000x）的特性为：38.9mm，25.4mm， 9.3mm，输出激光功率可达100mW，中心波长为780nm，线宽为2MHz，频率温度调节率为24.8GHz / K，电调速率为1.23GHz / mA。图1（a）激光系统框图激光系统电源的设计如图1（a）所示。整体尺寸为150mm×80mm×150mm（约1.8L），功耗约为15W。现有商用外腔激光器的驱动电源一般为19英寸3U标准机箱，尺寸为482.6 mm，132 mm×185 mm（体积约为11.8 L），功耗一般为150 W.本文设计的激光系统驱动电源比电源小约85％，功耗降低了约90％。 （b）效果图（c）饱和吸收光谱光路图（d）~87Rb D2跃迁饱和吸收光谱该激光系统的原理框图如图1（b）所示，分为以下模块：电压源模块，温控模块，流量控制模块，光模块和主控模块。 （1）是一个电压源模块，用于将110-220V交流电或80V-120V高压直流电转换成稳定的直流电，为激光系统供电。 （2）是用于控制激光器温度的温度控制模块。 （3）是用于控制激光器的注入电流的电流控制模块。 （4）是用于产生饱和吸收光谱（SAS）并产生激光f的误差信号的光学模块频率锁定。 （5）作为主控制模块，温度，电流和误差信号由整个单片机控制，用于自动稳频。为实现高稳定性输出激光频率，三个最关键的部分是：低漂移温度控制，电流控制和频率稳定电路。对激光管输出频率影响最大的两个因素是模具工作温度和注入电流。因此，为了获得高稳定性的激光频率，首先需要稳定地控制激光管的工作温度和注入电流。我们设计了一个小型高性能温度控制电路，以改善电流稳定性并降低温度对激光频率的影响。同时，我们还设计了一种低功耗，低纹波电流控制电路，以降低激光电流对激光频率的影响。该电路将温度和电流采样信号与它们各自的高稳定性参考源进行比较，以获得误差信号。然后通过比例 - 积分 - 微分电路（PID）处理误差信号，以调节激光器的温度和电流，从而减小输出激光器。线宽和频率漂移。