激光具有良好的單色性和相干性，它的出現(xiàn)極大地促進了原子（分子）動量操控的實驗研究以及原子（分子）相關(guān)的精密測量。在激光冷卻原子氣體以及原子（分子）相關(guān)的頻率標準、磁強計、重力儀、陀螺儀等前沿基礎(chǔ)和應用研究領(lǐng)域，激光都發(fā)揮了不可替代的作用。這些實驗研究對激光頻率的線寬和穩(wěn)定性有非常高的要求。對于實用化的原子（分子）精密測量設(shè)備，需要激光頻率的穩(wěn)定度在幾小時到幾年內(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。半導體激光器具有體積小、效率高、價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單以及便于調(diào)諧等優(yōu)點，其在上述的領(lǐng)域中得到廣泛應用 。

　　
本文設(shè)計了一套基于半導體激光器的穩(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。相比于現(xiàn)有的商用激光器，除了具備開機即可自動頻率鎖定的功能外，該系統(tǒng)的主要改進在于設(shè)計并實現(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體激光器（DFBLaser），此激光器不需要外腔壓窄線寬，其穩(wěn)定度預期比商用外腔半導體激光器更好。目前國內(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，對于小型化、可長期自動穩(wěn)頻的激光器的研究較少見到相關(guān)報道。我們測量了該系統(tǒng)的體積、功耗、輸出激光頻率的線寬和穩(wěn)定度。和商用外腔半導體激光器相比，此激光器體積同比縮小了約85%，整機功耗降低了約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驗平臺、原子重力儀、陀螺儀和頻率標準等設(shè)備的要求。

　　
2 、半導體穩(wěn)頻激光系統(tǒng)的設(shè)計

　　
本文的穩(wěn)頻激光系統(tǒng)采用的DFBLaser（型號：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100mW；中心波長為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)計圖如圖 1(a)所示。整機尺寸為 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)動電源一般是 19寸 3U的標準機箱，其尺寸為482.6mm×132mm×185mm（體積約為11.8L），功耗一般為150W。本文設(shè)計的激光系統(tǒng)驅(qū)動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，分為如下幾個模塊：電壓源模塊、控溫模塊、控流模塊、光學模塊和主控模塊。（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。（5）為主控模塊，通過單片機整體控制溫度、電流和誤差信號，用于自動穩(wěn)頻。

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

　　
對激光管輸出頻率影響最大的兩個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。我們設(shè)計了小型化、高　　性能的控溫電路提高電流的穩(wěn)定性，降低了溫度對激光頻率的影響；同時，我們還設(shè)計了低功耗、低紋波的控流電路，降低了激光電流對激光頻率的影響。電路分別將溫度和電流采樣信號與各自的高穩(wěn)定度基準源進行比較得到誤差信號，誤差信號再經(jīng)過比例-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)備應用中我們需要頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10的激光器，為了實現(xiàn)這一目標，我們10~-10可以把激光鎖定在一個更穩(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光，一束強光作為泵浦光。一束探測光和一束泵浦光經(jīng)過吸收池后產(chǎn)生帶多普勒本底的飽和吸收譜；另一束探測光只產(chǎn)生多普勒增寬的吸收譜。兩路信號差分后得到無多普勒本底的飽和吸收譜。圖1(d)為實驗得到的  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)計的激光系統(tǒng)適用于110V~220V交流供電的實驗室環(huán)境或者80V~120V高壓直流供電的小型化原子實驗平臺等場合。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?，F(xiàn)有的商用激光器一般使用線性電源供電。它的特點是紋波噪聲低，一般能做到20uV左右，但缺點是效率低、功耗大、體積大。通常線性電源的效率不會超過 45%。本文的設(shè)計滿足了該激光系統(tǒng)對電源提出的紋波指標的要求，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。首先通過高效率的 AC-DC/DC-DC開關(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，再通過高頻變壓器降壓整流濾波后得到直流電壓。通過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，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。但是由開關(guān)電源的工作原理導致引入了高頻紋波，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使輸出頻率產(chǎn)生增寬，因此還需要對電源的紋波進行抑制。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，由兩個尺寸相同、匝數(shù)相同的線圈對稱地繞制在同一磁芯上，超微晶材料對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，從而具有相當大的感量，有效抑制高頻紋波。經(jīng)過此模塊后電壓紋波一般可以降低到1mV左右。為進一步抑制紋波、提高電壓穩(wěn)定度，后級再經(jīng)過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，電源損耗小于10%，輸出電流可達 5A，輸出電壓的溫漂系數(shù)為△V0/△T = 20ppm/℃。經(jīng)過該模塊后，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)生基準電壓，其長期穩(wěn)定度為8ppm/  根號下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熱敏電阻采樣實時溫度。采樣電壓與基準電壓通過差分放大電路得到誤差信號，誤差信號經(jīng)過PID自動控制電路產(chǎn)生控制信號，控制達林頓管構(gòu)成的功率放大電路輸出正負電流驅(qū)動制冷硅（TEC）對激光管的溫度進行調(diào)整，從而實現(xiàn)溫度穩(wěn)定。

　　
控流模塊也是使用 LM399作為基準源，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)過放大之后與基準電壓做比較得到誤差信號，誤差信號經(jīng)過PID電路產(chǎn)生控制信號，控制驅(qū)動MOSFET的電壓來調(diào)整注入到激光管的電流，從而實現(xiàn)電流穩(wěn)定?？販睾涂亓鞣€(wěn)定度的詳細測試結(jié)果見本文第三部分。

　　
激光系統(tǒng)的自動穩(wěn)頻在主控模塊中由軟件實現(xiàn)。光電探測器探測到的光譜信號經(jīng)過低通濾波后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換進入單片機進行一系列計算后得到控制信號，產(chǎn)生的數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后調(diào)整激光器的電流，實現(xiàn)頻率穩(wěn)定。主控模塊負責實現(xiàn)光譜信號的分析和計算、產(chǎn)生誤差信號，并且實時監(jiān)控鎖定狀態(tài)，失鎖后可自動重新鎖定。

　　
3 、實驗結(jié)果

　　
本文測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做測試儀器，測量電源空載和滿載的輸出直流電壓起伏與交流噪聲。測試結(jié)果如下：空載時電源輸出直流值為5.069V；電源噪聲有效值為1.78uV。該電源的電流輸出能力為5A，因此滿載時采用1Ω/100W電阻做負載。測得電源輸出直流值為5.068V，負載調(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量級上，滿足激光系統(tǒng)對電源紋波的要求。同時，測試得到該電源的轉(zhuǎn)換效率為75%，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗。

　　
在自動穩(wěn)頻的過程中，一次掃譜的時間約為1s，在這段時間內(nèi)，激光頻率的漂移量不能超過電路的捕捉帶（約為 20MHz），否則無法實現(xiàn)穩(wěn)頻。根據(jù)該激光管的溫調(diào)率計算可得，工作溫度的秒穩(wěn)定度必須在1mK量級以下，才能實現(xiàn)激光穩(wěn)頻。我們對新型電源激勵的控溫電路進行了測試。利用激光器中集成的10kΩ熱敏電阻測試控溫參數(shù)，測量熱敏電阻兩端分壓獲得其電阻值，繼而通過查表得到溫度參數(shù)。我們持續(xù)測試了六個半小時，每 0.5s采集一個數(shù)據(jù)，溫漂的測試結(jié)果用阿倫方差描述，如圖3(a)所示。秒級穩(wěn)定度為0.08mK，對應頻率為 1.984MHz；測量過程中最大溫度漂移為 7mK，對應頻率漂移為 173.6MHz，此頻率漂移在我們穩(wěn)頻系統(tǒng)的跟蹤帶內(nèi)，可以通過積分電路補償回來。該電路的測試結(jié)果顯示其滿足系統(tǒng)對控溫穩(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光譜的自然線寬，根據(jù)激光管的電調(diào)率計算可得，電流的紋波應該控制在4.9uA以下。同時，根據(jù)上述對激光頻率穩(wěn)定度的要求，注入電流的秒穩(wěn)定度必須在 16.3uA以下，才能實現(xiàn)激光穩(wěn)頻。我們對控流電路進行了測試，使用10Ω/0.01%/5ppm的低溫漂電阻作為電流源負載，在100mA輸出電流情況下測試電流紋波和穩(wěn)定度。實驗測得電流的紋波噪聲有效值為0.53uA，對激光器線寬的增寬為 0.53uA×1.23GHz/mA=0.615MHz，遠小于光譜的自然線寬 6.07MHz。我們對電流的穩(wěn)定度持續(xù)測試了六個半小時，每0.5s采集一個數(shù)據(jù)，測試結(jié)果可以用阿倫方差來描述，如圖 3(a)所示。秒級穩(wěn)定度為0.125uA，對應頻率漂移為 0.153MHz，測量過程中最大電流漂移為5.6uA，對應頻率漂移為6.9MHz，此頻率漂移在我們穩(wěn)頻系統(tǒng)的跟蹤帶內(nèi)，可以通過積分電路補償回來。滿足系統(tǒng)對控流穩(wěn)定度的要求。另外，從圖中可以看到，

　
平均時間超過百秒后，電流的穩(wěn)定度會逐漸變差，千秒穩(wěn)達到 0.3uA，對應頻率漂移為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量時間比較長時，作為電流源負載的電阻受到環(huán)境溫度的影響引起阻值的變化導致電流測量值的漂移。

 

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

我們用兩臺相同的穩(wěn)頻激光器輸出的激光進行拍頻，實驗光路如圖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。兩臺激光器的頻率差約為 133MHz，拍頻信號通過雪崩光電二極管接收。我們用頻譜儀測量拍頻信號的線寬，約為1MHz，如圖4(b)所示。

　　
我們使用頻率計數(shù)器Agilent53132A測量拍頻信號的穩(wěn)定度，以此來評估激光器的頻率穩(wěn)定度。頻率計數(shù)器的單次測量時間為1s，連續(xù)采集43831個數(shù)據(jù)（約12小時）后，拍頻信號的穩(wěn)定度如圖 4(c)所示，秒級穩(wěn)定度為 1.43×10~-10；當平均時間τ = 10s時，穩(wěn)定度為3.90×10~-11；當平均時間τ  = 100s時，穩(wěn)定度為1.28×10~-11；當積分時間τ = 1000s時，穩(wěn)定度為2.25×10~-11。

 

 

　　圖 4(a)頻率穩(wěn)定度測量實驗裝置(b)激光器線寬測量結(jié)果(c)穩(wěn)頻激光器頻率穩(wěn)定度測量結(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行評估

 

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

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

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

　　
影響激光器長期穩(wěn)定度的因素主要有由環(huán)境溫度無規(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；還有外磁場的變化引起的躍遷頻率等的漂移。

　　
如果需要進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；對整個激光頭做進一步的隔熱或者多級控溫。

　　
5 、結(jié)論

　　
本文設(shè)計實現(xiàn)了新型電壓源并使用其實現(xiàn)了低功耗、小型化、高穩(wěn)定度而且可以自動穩(wěn)頻的半導體穩(wěn)頻激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)整機尺寸為150mm×80mm×150mm（體積約為1.8L）,功耗約為 15W，比同指標的商用外腔激光器體積縮小了 85%，功耗降低了近 90%。實現(xiàn)激光頻率線寬約為 1MHz；穩(wěn)定度指標為秒穩(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)制備等物理實驗，為實現(xiàn)穩(wěn)頻半導體激光器的低功耗和小型化提供了一種新的方案。