激光具有良好的單色性和相干性，它的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了原子（分子）動(dòng)量操控的實(shí)驗(yàn)研究以及原子（分子）相關(guān)的精密測(cè)量。在激光冷卻原子氣體以及原子（分子）相關(guān)的頻率標(biāo)準(zhǔn)、磁強(qiáng)計(jì)、重力儀、陀螺儀等前沿基礎(chǔ)和應(yīng)用研究領(lǐng)域，激光都發(fā)揮了不可替代的作用。這些實(shí)驗(yàn)研究對(duì)激光頻率的線寬和穩(wěn)定性有非常高的要求。對(duì)于實(shí)用化的原子（分子）精密測(cè)量設(shè)備，需要激光頻率的穩(wěn)定度在幾小時(shí)到幾年內(nèi)都保持在一定水平以上。在基于原子（分子）的可搬運(yùn)精密儀器中，激光器還需要滿足低功耗、小型化和高可靠性的要求。半導(dǎo)體激光器具有體積小、效率高、價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及便于調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，其在上述的領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用 。

　　
本文設(shè)計(jì)了一套基于半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)頻激光系統(tǒng)，系統(tǒng)具有功耗低、體積小和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。相比于現(xiàn)有的商用激光器，除了具備開(kāi)機(jī)即可自動(dòng)頻率鎖定的功能外，該系統(tǒng)的主要改進(jìn)在于設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了高效率、小型化、低噪聲的新型電源,在保證激光器頻率指標(biāo)的前提下，降低了系統(tǒng)的體積和功耗。我們選用了分布反饋式半導(dǎo)體激光器（DFBLaser），此激光器不需要外腔壓窄線寬，其穩(wěn)定度預(yù)期比商用外腔半導(dǎo)體激光器更好。目前國(guó)內(nèi)外穩(wěn)頻激光器的研究主要集中在超窄線寬和高短穩(wěn)等方向上，對(duì)于小型化、可長(zhǎng)期自動(dòng)穩(wěn)頻的激光器的研究較少見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道。我們測(cè)量了該系統(tǒng)的體積、功耗、輸出激光頻率的線寬和穩(wěn)定度。和商用外腔半導(dǎo)體激光器相比，此激光器體積同比縮小了約85%，整機(jī)功耗降低了約90%，穩(wěn)定度還略有提高。此激光器的性能完全滿足小型化超冷原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、原子重力儀、陀螺儀和頻率標(biāo)準(zhǔn)等設(shè)備的要求。

　　
2 、半導(dǎo)體穩(wěn)頻激光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　
本文的穩(wěn)頻激光系統(tǒng)采用的DFBLaser（型號(hào)：EYP-DFB-0780-00150-1500-TOC03-000x）的特性為：尺寸為38.9mm×25.4mm×9.3mm；輸出激光功率最高可達(dá)100mW；中心波長(zhǎng)為780nm，線寬為2MHz；頻率的溫調(diào)率為24.8GHz/K，電調(diào)率為1.23GHz/mA。

圖 1(a)激光系統(tǒng)框圖

　　
此激光系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)圖如圖 1(a)所示。整機(jī)尺寸為 150mm×80mm×150mm（體積約為1.8L），功耗約為 15W?，F(xiàn)有的商用外腔激光器的驅(qū)動(dòng)電源一般是 19寸 3U的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，其尺寸為482.6mm×132mm×185mm（體積約為11.8L），功耗一般為150W。本文設(shè)計(jì)的激光系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電源與其相比體積縮小了約85%，功耗降低了約90%。
 

 (b)效果圖(c)飽和吸收譜光路圖(d)~87Rb的D2躍遷飽和吸收譜

　　
此激光系統(tǒng)的原理框圖如圖1(b)所示，分為如下幾個(gè)模塊：電壓源模塊、控溫模塊、控流模塊、光學(xué)模塊和主控模塊。（1）為電壓源模塊，用于將110-220V交流電或者80V-120V高壓直流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定直流電為激光系統(tǒng)供電。（2）為控溫模塊，用于控制激光器的溫度。（3）為控流模塊，用于控制激光器的注入電流。（4）為光學(xué)模塊，用于產(chǎn)生飽和吸收光譜(SAS)，為激光頻率鎖定產(chǎn)生誤差信號(hào)。（5）為主控模塊，通過(guò)單片機(jī)整體控制溫度、電流和誤差信號(hào)，用于自動(dòng)穩(wěn)頻。

　　
要獲得高穩(wěn)定度的輸出激光頻率，最關(guān)鍵的三個(gè)部分為：低漂移的控溫、控流和穩(wěn)頻電路。

　　
對(duì)激光管輸出頻率影響最大的兩個(gè)因素是管芯工作溫度和注入電流，因此要獲得高穩(wěn)定度的激光頻率，首先需要穩(wěn)定控制激光管的工作溫度和注入電流。我們?cè)O(shè)計(jì)了小型化、高　　性能的控溫電路提高電流的穩(wěn)定性，降低了溫度對(duì)激光頻率的影響；同時(shí)，我們還設(shè)計(jì)了低功耗、低紋波的控流電路，降低了激光電流對(duì)激光頻率的影響。電路分別將溫度和電流采樣信號(hào)與各自的高穩(wěn)定度基準(zhǔn)源進(jìn)行比較得到誤差信號(hào)，誤差信號(hào)再經(jīng)過(guò)比例-積分-微分電路（PID）處理后調(diào)整激光器的溫度和電流，從而降低輸出的激光的線寬和頻率漂移。

在高精密設(shè)備應(yīng)用中我們需要頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10的激光器，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們10~-10可以把激光鎖定在一個(gè)更穩(wěn)定的參考源上，該系統(tǒng)中使用了堿金屬原子的飽和吸收光譜。通過(guò)消多普勒背景的光路可降低光譜透射峰的多普勒增寬，譜線線寬主要由上能級(jí)壽命決定，由此可以獲得線寬比吸收光譜要窄約 100倍的光譜，有利于激光頻率鎖定。圖 1(c)為產(chǎn)生飽和吸收光譜的光路圖。由DFB激光器產(chǎn)生780nm激光，分出三束光，其中兩束弱光作為探測(cè)光，一束強(qiáng)光作為泵浦光。一束探測(cè)光和一束泵浦光經(jīng)過(guò)吸收池后產(chǎn)生帶多普勒本底的飽和吸收譜；另一束探測(cè)光只產(chǎn)生多普勒增寬的吸收譜。兩路信號(hào)差分后得到無(wú)多普勒本底的飽和吸收譜。圖1(d)為實(shí)驗(yàn)得到的  Rb的D 線的飽和吸收譜。

　　
上述控溫、控流和穩(wěn)頻電路都需要電壓為5V、低紋波、高穩(wěn)定度的電源。本文所設(shè)計(jì)的激光系統(tǒng)適用于110V~220V交流供電的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境或者80V~120V高壓直流供電的小型化原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等場(chǎng)合。因此需要電源模塊將交流電或者高壓直流電高效地轉(zhuǎn)化為低壓直流電。該激光系統(tǒng)要求電源的紋波做到100uV以下。現(xiàn)有的商用激光器一般使用線性電源供電。它的特點(diǎn)是紋波噪聲低，一般能做到20uV左右，但缺點(diǎn)是效率低、功耗大、體積大。通常線性電源的效率不會(huì)超過(guò) 45%。本文的設(shè)計(jì)滿足了該激光系統(tǒng)對(duì)電源提出的紋波指標(biāo)的要求，并且做到了低功耗和小型化，具體方案如下。

 

 

(c)Optical pathway of saturated absorption spectra (d)saturated absorption spectra of ~87  Rb D2 transition

　　該電源的原理框圖如圖 2(a)所示。首先通過(guò)高效率的 AC-DC/DC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊將110V-220V交流電或者高壓直流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電。再經(jīng)過(guò)自制的超微晶功率電感抑制高頻紋波。最后再利用低壓降線性穩(wěn)壓器，獲得低紋波、高穩(wěn)定度的輸出電壓。

　　
電源的功率變換部分采用開(kāi)關(guān)電源，其調(diào)壓原理是用快速通斷的晶體管將輸入電壓斬波得到高頻方波脈沖，再通過(guò)高頻變壓器降壓整流濾波后得到直流電壓。通過(guò)控制晶體管通斷的占空比可以控制輸出直流電壓值。由于開(kāi)關(guān)電源中的晶體管工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，在晶體管上消耗掉的熱量較低，因此開(kāi)關(guān)電源功率變換的效率可以做到很高；并且不需要大體積的散熱模塊，較大幅度縮小了電源的體積。另一方面，開(kāi)關(guān)電源的功率傳遞使用高頻變壓器，其能量密度很高、體積很小，不需要大體積的工頻變壓器。由于此電源具有上述特點(diǎn)，所以可以做到高效率、小型化。此模塊的效率一般可以做到85%以上。但是由開(kāi)關(guān)電源的工作原理導(dǎo)致引入了高頻紋波，此模塊輸出的電壓紋波一般為 50mV~100mV。紋波傳遞到激光器中會(huì)使輸出頻率產(chǎn)生增寬，因此還需要對(duì)電源的紋波進(jìn)行抑制。首先采用共模電感與大電容配合形成低通濾波器抑制高頻紋波，該共模電感以超微晶材料作磁芯，由兩個(gè)尺寸相同、匝數(shù)相同的線圈對(duì)稱地繞制在同一磁芯上，超微晶材料對(duì)高頻紋波有很好的抑制作用。共模電流在磁環(huán)中產(chǎn)生的磁通相互疊加，從而具有相當(dāng)大的感量，有效抑制高頻紋波。經(jīng)過(guò)此模塊后電壓紋波一般可以降低到1mV左右。為進(jìn)一步抑制紋波、提高電壓穩(wěn)定度，后級(jí)再經(jīng)過(guò)LDO低壓差線性穩(wěn)壓模塊，可獲得噪聲更低、更加穩(wěn)定的輸出電壓。該模塊輸入電壓在-20V~60V之間，輸入輸出電壓差小于500mV，在輸出電壓為5V時(shí)，電源損耗小于10%，輸出電流可達(dá) 5A，輸出電壓的溫漂系數(shù)為△V0/△T = 20ppm/℃。經(jīng)過(guò)該模塊后，輸出電壓紋波一般可以降低到約50uV。

 

　圖 2(a)電壓源框圖(b)噪聲測(cè)試結(jié)果
Fig. 2 (a) Diagram of Voltage source(b) Noise test results

　　
控溫模塊使用 LM399精密參考源產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，其長(zhǎng)期穩(wěn)定度為8ppm/  根號(hào)下khrs，溫度系數(shù)為 0.5ppm/K，電壓噪聲有效值最大20uVRMS 。由激光管集成的 10kΩ熱敏電阻采樣實(shí)時(shí)溫度。采樣電壓與基準(zhǔn)電壓通過(guò)差分放大電路得到誤差信號(hào)，誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)PID自動(dòng)控制電路產(chǎn)生控制信號(hào)，控制達(dá)林頓管構(gòu)成的功率放大電路輸出正負(fù)電流驅(qū)動(dòng)制冷硅（TEC）對(duì)激光管的溫度進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定。

　　
控流模塊也是使用 LM399作為基準(zhǔn)源，由 1ppm/K的低溫漂電阻作為采樣電阻。采樣電阻上的電壓經(jīng)過(guò)放大之后與基準(zhǔn)電壓做比較得到誤差信號(hào)，誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)PID電路產(chǎn)生控制信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)MOSFET的電壓來(lái)調(diào)整注入到激光管的電流，從而實(shí)現(xiàn)電流穩(wěn)定?？販睾涂亓鞣€(wěn)定度的詳細(xì)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)本文第三部分。

　　
激光系統(tǒng)的自動(dòng)穩(wěn)頻在主控模塊中由軟件實(shí)現(xiàn)。光電探測(cè)器探測(cè)到的光譜信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行一系列計(jì)算后得到控制信號(hào)，產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后調(diào)整激光器的電流，實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定。主控模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)光譜信號(hào)的分析和計(jì)算、產(chǎn)生誤差信號(hào)，并且實(shí)時(shí)監(jiān)控鎖定狀態(tài)，失鎖后可自動(dòng)重新鎖定。

　　
3 、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　
本文測(cè)試了電壓源的各種性能。使用六位半多路數(shù)據(jù)采集器Agilent34970A做測(cè)試儀器，測(cè)量電源空載和滿載的輸出直流電壓起伏與交流噪聲。測(cè)試結(jié)果如下：空載時(shí)電源輸出直流值為5.069V；電源噪聲有效值為1.78uV。該電源的電流輸出能力為5A，因此滿載時(shí)采用1Ω/100W電阻做負(fù)載。測(cè)得電源輸出直流值為5.068V，負(fù)載調(diào)整率為0.02%；噪聲有效值為32.3uV，輸出直流電壓的起伏如圖2(b)所示，可以看到其起伏在35uV以內(nèi)?？梢钥吹皆撾娫吹募y波參數(shù)和線性電源基本在一個(gè)量級(jí)上，滿足激光系統(tǒng)對(duì)電源紋波的要求。同時(shí)，測(cè)試得到該電源的轉(zhuǎn)換效率為75%，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗。

　　
在自動(dòng)穩(wěn)頻的過(guò)程中，一次掃譜的時(shí)間約為1s，在這段時(shí)間內(nèi)，激光頻率的漂移量不能超過(guò)電路的捕捉帶（約為 20MHz），否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。根據(jù)該激光管的溫調(diào)率計(jì)算可得，工作溫度的秒穩(wěn)定度必須在1mK量級(jí)以下，才能實(shí)現(xiàn)激光穩(wěn)頻。我們對(duì)新型電源激勵(lì)的控溫電路進(jìn)行了測(cè)試。利用激光器中集成的10kΩ熱敏電阻測(cè)試控溫參數(shù)，測(cè)量熱敏電阻兩端分壓獲得其電阻值，繼而通過(guò)查表得到溫度參數(shù)。我們持續(xù)測(cè)試了六個(gè)半小時(shí)，每 0.5s采集一個(gè)數(shù)據(jù)，溫漂的測(cè)試結(jié)果用阿倫方差描述，如圖3(a)所示。秒級(jí)穩(wěn)定度為0.08mK，對(duì)應(yīng)頻率為 1.984MHz；測(cè)量過(guò)程中最大溫度漂移為 7mK，對(duì)應(yīng)頻率漂移為 173.6MHz，此頻率漂移在我們穩(wěn)頻系統(tǒng)的跟蹤帶內(nèi)，可以通過(guò)積分電路補(bǔ)償回來(lái)。該電路的測(cè)試結(jié)果顯示其滿足系統(tǒng)對(duì)控溫穩(wěn)定度的要求。

　　
本文將激光頻率鎖定在87~ Rb的超精細(xì)躍遷譜線上。87RbD2譜線的自然線寬約為6.07MHz，由于飽和增寬，我們測(cè)量的線寬大概在10MHz左右。通常要求電流紋波引入的增寬不能超過(guò)光譜的自然線寬，根據(jù)激光管的電調(diào)率計(jì)算可得，電流的紋波應(yīng)該控制在4.9uA以下。同時(shí)，根據(jù)上述對(duì)激光頻率穩(wěn)定度的要求，注入電流的秒穩(wěn)定度必須在 16.3uA以下，才能實(shí)現(xiàn)激光穩(wěn)頻。我們對(duì)控流電路進(jìn)行了測(cè)試，使用10Ω/0.01%/5ppm的低溫漂電阻作為電流源負(fù)載，在100mA輸出電流情況下測(cè)試電流紋波和穩(wěn)定度。實(shí)驗(yàn)測(cè)得電流的紋波噪聲有效值為0.53uA，對(duì)激光器線寬的增寬為 0.53uA×1.23GHz/mA=0.615MHz，遠(yuǎn)小于光譜的自然線寬 6.07MHz。我們對(duì)電流的穩(wěn)定度持續(xù)測(cè)試了六個(gè)半小時(shí)，每0.5s采集一個(gè)數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果可以用阿倫方差來(lái)描述，如圖 3(a)所示。秒級(jí)穩(wěn)定度為0.125uA，對(duì)應(yīng)頻率漂移為 0.153MHz，測(cè)量過(guò)程中最大電流漂移為5.6uA，對(duì)應(yīng)頻率漂移為6.9MHz，此頻率漂移在我們穩(wěn)頻系統(tǒng)的跟蹤帶內(nèi)，可以通過(guò)積分電路補(bǔ)償回來(lái)。滿足系統(tǒng)對(duì)控流穩(wěn)定度的要求。另外，從圖中可以看到，

　
平均時(shí)間超過(guò)百秒后，電流的穩(wěn)定度會(huì)逐漸變差，千秒穩(wěn)達(dá)到 0.3uA，對(duì)應(yīng)頻率漂移為0.369MHz，仍然滿足系統(tǒng)的要求。穩(wěn)定度變差的原因可能是由于測(cè)量時(shí)間比較長(zhǎng)時(shí)，作為電流源負(fù)載的電阻受到環(huán)境溫度的影響引起阻值的變化導(dǎo)致電流測(cè)量值的漂移。

 

圖 3(a)溫度穩(wěn)定度(b)電流穩(wěn)定度
Fig. 3 (a) Temperature stability (b)Current stability

我們用兩臺(tái)相同的穩(wěn)頻激光器輸出的激光進(jìn)行拍頻，實(shí)驗(yàn)光路如圖4(a)所示。穩(wěn)頻激光器 A鎖定在87Rb原子的F  = 2 → F′ = 2譜線上，激光 B鎖定在87 Rb原子的F  = 2 → F′ = 3和 F' = 2的交叉線上。兩臺(tái)激光器的頻率差約為 133MHz，拍頻信號(hào)通過(guò)雪崩光電二極管接收。我們用頻譜儀測(cè)量拍頻信號(hào)的線寬，約為1MHz，如圖4(b)所示。

　　
我們使用頻率計(jì)數(shù)器Agilent53132A測(cè)量拍頻信號(hào)的穩(wěn)定度，以此來(lái)評(píng)估激光器的頻率穩(wěn)定度。頻率計(jì)數(shù)器的單次測(cè)量時(shí)間為1s，連續(xù)采集43831個(gè)數(shù)據(jù)（約12小時(shí)）后，拍頻信號(hào)的穩(wěn)定度如圖 4(c)所示，秒級(jí)穩(wěn)定度為 1.43×10~-10；當(dāng)平均時(shí)間τ = 10s時(shí)，穩(wěn)定度為3.90×10~-11；當(dāng)平均時(shí)間τ  = 100s時(shí)，穩(wěn)定度為1.28×10~-11；當(dāng)積分時(shí)間τ = 1000s時(shí)，穩(wěn)定度為2.25×10~-11。

 

 

　　圖 4(a)頻率穩(wěn)定度測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置(b)激光器線寬測(cè)量結(jié)果(c)穩(wěn)頻激光器頻率穩(wěn)定度測(cè)量結(jié)果

　　Fig.  4(a)   Beat   frequency  experimental   facility   (b)  Measurement   result  of   linewidth  of   the   laser  (c)

　　Measurement result of frequency stability of the laser

4 、分析與討論

　　
頻率穩(wěn)定度可以利用以下公式進(jìn)行評(píng)估

 

式中 a,b,c,d為常數(shù)，τ為平均時(shí)間。其中各項(xiàng)分別代表了不同類型的噪聲引入的頻率不穩(wěn)定度，第一項(xiàng)為白相位噪聲，第二項(xiàng)為白頻率噪聲，第三項(xiàng)為閃變頻率噪聲，第四項(xiàng)為無(wú)規(guī)行走噪聲。

　　
以上測(cè)得激光頻率的穩(wěn)定度在百秒穩(wěn)定度之前基本符合上式中第二項(xiàng)1/t的規(guī)律，說(shuō)明短期穩(wěn)定度主要由白頻率噪聲決定。在百秒穩(wěn)之后，頻率穩(wěn)定度的曲線會(huì)上翹，這說(shuō)明長(zhǎng)期穩(wěn)定度主要受到無(wú)規(guī)行走噪聲的影響。以上測(cè)得的激光頻率的穩(wěn)定度與估算一致。其頻率穩(wěn)定度和商用外腔半導(dǎo)體激光器基本在一個(gè)量級(jí)上，在百秒穩(wěn)之后還要略好一些。

　　
與外腔半導(dǎo)體激光器相比，本文所設(shè)計(jì)的激光系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是功耗低、體積小、可靠性高，時(shí)由于沒(méi)有外腔的影響，激光頻率的長(zhǎng)期穩(wěn)定性要更好一些。缺點(diǎn)是該激光線寬相對(duì)較寬，所以短期穩(wěn)定度劣于外腔半導(dǎo)體激光器，而外腔的半導(dǎo)體激光器的線寬通?？梢宰龅桨賙Hz以內(nèi)。

　　
影響激光器長(zhǎng)期穩(wěn)定度的因素主要有由環(huán)境溫度無(wú)規(guī)則漂移引起的各種參數(shù)的漂移，如管芯溫度的漂移、電路反饋環(huán)路參數(shù)的漂移；還有外磁場(chǎng)的變化引起的躍遷頻率等的漂移。

　　
如果需要進(jìn)一步提高激光頻率的穩(wěn)定度，還可以考慮從以下方面做優(yōu)化：用數(shù)字電路代替模擬控制環(huán)路降低積分的漂移；對(duì)整個(gè)激光頭做進(jìn)一步的隔熱或者多級(jí)控溫。

　　
5 、結(jié)論

　　
本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了新型電壓源并使用其實(shí)現(xiàn)了低功耗、小型化、高穩(wěn)定度而且可以自動(dòng)穩(wěn)頻的半導(dǎo)體穩(wěn)頻激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)整機(jī)尺寸為150mm×80mm×150mm（體積約為1.8L）,功耗約為 15W，比同指標(biāo)的商用外腔激光器體積縮小了 85%，功耗降低了近 90%。實(shí)現(xiàn)激光頻率線寬約為 1MHz；穩(wěn)定度指標(biāo)為秒穩(wěn)定度 1.43×10~-10，十秒穩(wěn)定度  3.90×10~-11，百秒穩(wěn)定度1.28×10~-11，千秒穩(wěn)定度2.25×10~-11。此設(shè)備已成功用于激光冷卻與陷俘、原子（分子）內(nèi)態(tài)制備等物理實(shí)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器的低功耗和小型化提供了一種新的方案。