小功率半導(dǎo)體激光二極管的穩(wěn)定控制及其在原子實驗中的應(yīng)用

1、 10激光器件與元件激光雜志2003年第24卷第5期LASER JOURNA L (V ol. 24. N o. 5. 2003小功率半導(dǎo)體激光二極管的穩(wěn)定控制及其在原子實驗中的應(yīng)用孫番典楊世琪劉瓊發(fā)(華南師范大學(xué)物理系, 廣州510631提要:介紹一種高穩(wěn)定的半導(dǎo)體激光二極管恒溫、穩(wěn)流控制方式。使用該方式電路, 10-5, 溫度波動優(yōu)于10-4。并介紹高穩(wěn)定半導(dǎo)體二極管激光在原子超精細(xì)躍遷線形吸收譜和塞曼相干共振譜觀測中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體激光二極管, 恒溫穩(wěn)流, 線性吸收譜線, 塞曼相干共振譜線A stabilite control method for low pow er semic

2、onductor laser it s experimentsSun Fandian Yang Shiqi (S outh China N ormal ,G Abstract :Introduceda set of high stable control circuits for case of iconductor laser diode. Using the circuits ,the fluctu 2ation of injection current is 10-5and the fluctuation of perature better 10the room tem peratur

3、e. An application of the diode laser in atom ic experiments als o be introduced.K ey w ords :sem,tem ,linear abs orb spectrum line ,Z eeman coherent res onance spectrum line1引言值, 可置半導(dǎo)體激光二極管工作于不同的注入電流值。將可調(diào)基準(zhǔn)電壓與流經(jīng)半導(dǎo)體激光二極管的注入電流回路的取樣放大信號電壓一起輸入比例放大器, 由比例放大器的輸出控制場效應(yīng)調(diào)整管的門電極(柵極 。這個門調(diào)整流過激光管及取樣電阻上的注入電流, 由此達(dá)到恒

4、定激光管注入電流的目的。電路的電源濾波穩(wěn)壓與軟啟動保護(hù)電路部分主要為:在電源變壓器初級加設(shè)通用噪聲濾波器NF 對超快速的脈沖干擾起吸收作用避免浪涌沖擊。在變壓器的初、次級分別加設(shè)壓敏電阻, 使當(dāng)出現(xiàn)高于限定的峰值浪涌時呈短路狀態(tài)使浪涌被吸收。由達(dá)林頓管TIP142與電阻、電容組成電壓緩升電路, 使電源開啟時到激光管上的電壓為一緩升過程。而兩個濾波電路及大電容, 使當(dāng)電源關(guān)閉時, 激光管上的注入電流維持較長時間才降為零, 起電流緩降的作用。本電路可使注入電流在0-150mA 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)(小功率激光二極管的注入電流一般為50mA 左右 , 注入電流的波動為1A 。半導(dǎo)體激光二極管工作時, 其自

5、身發(fā)熱和環(huán)境溫度的變化會促使管溫變化而影響半導(dǎo)體激光輸出波長和功率的穩(wěn)定。以常用的小功率近紅外半導(dǎo)體激光二極管為例。其工6作溫度引起工作頻率的變化約1030G H z 。因此, 需從(LD 在原子分子波譜學(xué), 高分辨光譜學(xué), 量子計量學(xué), 光纖通信, 激光致冷實驗, 量子頻率標(biāo)準(zhǔn)等一系列基礎(chǔ)研究和高科技產(chǎn)品開發(fā)方面已經(jīng)得到了125廣泛的應(yīng)用。在半導(dǎo)體激光二極管的應(yīng)用中, 通常遇到的問題是半導(dǎo)體激光二極管的輸出波長對其自身的工作溫度和注入電流的變化極為敏感。尤其在原子能級探測、量子頻標(biāo)及精密穩(wěn)頻等應(yīng)用中, 高穩(wěn)定的注入電流與工作溫度控制更成為必不可少。因此, 需要通過外設(shè)恒溫、穩(wěn)流電路加以控制,

6、 以達(dá)到激光輸出波長穩(wěn)定和在小范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的目的。本文介紹一種半導(dǎo)體激光二極管高穩(wěn)定恒溫、穩(wěn)流控制電路結(jié)構(gòu), 以及高穩(wěn)定半導(dǎo)體二極管激光在原子能級躍遷觀測中的應(yīng)用。2電路結(jié)構(gòu)及其工作原理為半導(dǎo)體激光二極管提供注入電流的穩(wěn)流電路, 應(yīng)具有很高的電流穩(wěn)定度; 接近從零起調(diào)的精密可調(diào)性和較寬的調(diào)節(jié)范圍; 并能抑制、消除瞬態(tài)浪涌電流對激光管的沖擊損傷。本電路結(jié)構(gòu)通過采用高精度可調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓設(shè)置注入電流工作點, 并與流經(jīng)半導(dǎo)體激光二極管的注入電流上的取樣反饋電壓相比較, 來實現(xiàn)注入電流的穩(wěn)定。此外, 通過設(shè)置電源濾波穩(wěn)壓與軟啟動保護(hù)電路來消除浪涌電流沖擊, 確保半導(dǎo)體激光二極管安全工作。注入電流穩(wěn)定電

7、路結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中的電壓基準(zhǔn)由高精度基準(zhǔn)電壓IC 塊LM399及其外圍電路組成; 注入電流工作點設(shè)置調(diào)節(jié)由精密線繞多圈電位器及射極跟隨器組成。為避免精密線繞多圈電位器使用過程可能產(chǎn)生的尖刺干擾, 在其輸入端串接RC 濾波電路。注入電流穩(wěn)定部分的主要工作原理為:由電壓基準(zhǔn)提供高精度的固定基準(zhǔn)電壓, 經(jīng)隔離與注入電流工作點設(shè)置調(diào)節(jié)的粗, 細(xì)調(diào)構(gòu)成可調(diào)基準(zhǔn)電壓(這是由于不同型號的半導(dǎo)體激光二極管或同型號不同的管所需的工作電流都有所不同 。通過改變這個電壓基準(zhǔn)外部控制管溫, 保證半導(dǎo)體激光二極管不因自身發(fā)熱和環(huán)境溫度的變化而出現(xiàn)較大的溫度波動。此外, 半導(dǎo)體激光二極管的工作波長與溫度有關(guān)。因此,

8、實用的半導(dǎo)體激光二極管控溫電路應(yīng)能夠在一定范圍內(nèi)任意設(shè)置半導(dǎo)體激光二極管的工作溫度點; 并且能夠隨時檢測半導(dǎo)體激光二極管工作溫度的微小波動, 加以校正。圖2為一種激光二極管溫度控制電路結(jié)構(gòu):其輸出電流隨外界環(huán)境的絕對溫度的變化作線性變化。為了提高輸出的靈敏度。將LM334與晶體管組合放大器, 改組后的放大電路也是一輸出電流與絕對溫度成正比的恒流源。溫度工作2003年3月10日收稿廣東省科技攻關(guān)項目資助課題廣東省高教廳自然科學(xué)重點項目資助課題 激光雜志2003年第24卷第5期LASER JOURNA L (V ol. 24. N o. 5. 2003點設(shè)置部分則由LM399、其外圍電路和溫度點設(shè)

9、置電位器組成。控溫電路工作時, 溫度傳感器將探測到的溫度轉(zhuǎn)化成與絕對溫度成正比的電流, 經(jīng)過放大器放大后, 與溫度設(shè)置參考電流相比較(參考電流與所需控制的溫度有關(guān) , 比較后的電流經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)化, 完成溫差-電壓變換, 其電壓的波動值與溫度傳感器探測到的溫度波動成正比。經(jīng)低通濾波,11濾除非溫度波動干擾信號后, 饋送到比例-微分-積分電子自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)并進(jìn)行比較。然后由驅(qū)動電路控制半導(dǎo)體致冷器工作(加熱或制冷 , 來校正溫差, 達(dá)到溫度控制的目的。配合與外界良好熱絕緣的激光管座(與半導(dǎo)體致冷器的一個面, 通常為致冷面, 良好的熱接觸 , 采用本電路結(jié)構(gòu)控溫可達(dá)到1024的溫度穩(wěn)定度 。能量返回

10、基態(tài)。通過檢測吸收泡光強(qiáng)的變化可觀測銣原子D 2線的吸收。實驗中通過掃描半導(dǎo)體二極管激光的工作溫3在銣原子能級躍遷譜線觀測中的應(yīng)用高穩(wěn)定的半導(dǎo)體激光二極管控制電路在加上適當(dāng)?shù)膾呙韬驼{(diào)制信號后, 可用于觀測原子的能級躍遷。銣原子線性超精細(xì)能級躍遷的線性吸收譜和塞曼能級躍遷的觀測就是其中的例子。由于用于原子能級躍遷激勵和信號觀測的原子汽泡室室溫對信號的強(qiáng)弱具有一定影響, 實驗時, 對作為樣品室的原子汽泡室也需要進(jìn)行恒溫控制。一般認(rèn)為原子泡室溫度過高, 蒸汽原子密度增加, 原子間或與器壁之間的碰撞增加, 加強(qiáng)了弛豫作用。使原子偏極化減少, 信號較弱; 泡溫太低, 原子數(shù)量減少也使信號減弱, 例如,

11、銣原子溫度在40-50左右時7度來觀察D 2線的線性吸收譜。也可通過掃描注入電流的方式來觀察D 2線的線性吸收譜。在采用掃描半導(dǎo)體二極管激光注入電流的方式時, 由于注入電流的改變會引起激光功率的改變, 在使用單一光電管接受信號時, 所觀察到的譜線會迭加在一傾斜的功率背景上。為消除這一背景可采用差分放大技術(shù):即在激光管激光輸出處加一分束鏡分出另一束光, 該光不經(jīng)吸收泡直接由另一光電管接收, 兩光電管接收的信號經(jīng)差動放大后輸出。圖4為一組通過掃描半導(dǎo)體激光二極管的工作溫度得到的銣原子D 2線的線性吸收譜。圖5所示為利用半導(dǎo)體二極管激光產(chǎn)生與探測銣原子塞曼相干的實驗裝置; 將半導(dǎo)體激光二極管輸出的激

12、光分為兩束。一束較強(qiáng)的為泵浦光, 用于激勵原子系統(tǒng); 另一束較弱的為探測光(線偏振光 , 利用其通過已激勵的原子系統(tǒng)時產(chǎn)生的偏振方向的改變, 來檢測相干信號。探測光束與泵浦光束成一較小的夾角, 探測光通過樣品后經(jīng)正交檢偏器進(jìn)入光電檢測器, 由連接光電檢測管的顯示器和繪圖儀反映相干信號。實驗中, 銣原子塞曼相干譜線可通過掃描脈沖調(diào)制或掃描磁場的方式得到。在觀察m =1的塞曼相干時, 光路, 信號較強(qiáng)。實際的最佳溫度需通過實驗確定。由于泡室溫控要求不高, 可采用一般的恒溫電路。利用半導(dǎo)體激光二極管激勵、探測銣原子D 2線的線性吸收譜線的實驗裝置如圖3所示。實驗中調(diào)節(jié)半導(dǎo)體二極管激光的輸出波長至78

13、0nm 以激勵氣泡室吸收泡中的銣原子, 使銣原子從基態(tài)5S 12躍遷到激發(fā)態(tài)5P 32而產(chǎn)生D 2線吸收。處于激發(fā)態(tài)的原子經(jīng)約10-8秒的弛豫時間后自發(fā)輻射22 12激光雜志2003年第24卷第5期LASER JOURNA L (V ol. 24. N o. 5. 2003strum. ,1992,62(1 :1-20中置一4波片以獲得園偏振泵浦光。在觀察m =2的塞曼相干時將4波片去掉。本文介紹了一種小功率半導(dǎo)體激光二極管的穩(wěn)定控制方式。利用該方式電路, 通過更換不同工作波長的單縱模小功率半導(dǎo)體激光二極管, 能得到多種波長、并可以在小范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的高穩(wěn)定泵浦光, 可方便地在普通實驗室進(jìn)行原

14、子能級的探測實驗研究。作為例子, 本文介紹了其中的一種應(yīng)用。作為一種經(jīng)濟(jì)而方便的精密可控、可調(diào)制的光激勵源, 高穩(wěn)定的半導(dǎo)體二極管激光在精密頻率控制, 原子能級探測, 高精度的時間計量等領(lǐng)域正獲得廣泛的應(yīng)用, 進(jìn)一步的工作仍在進(jìn)行中。參考文獻(xiàn)1W eiman C E ,H ollberg I. Using lasers for atom ic physics. Rev. Sci. In 22F ox R W. ,W eimer C S. ,H ollberg et al. The diode laser as a spedtro 2scopic tool. S pectro. A fcta.

15、Rev. ,1993,15:291-2993馬樹元, 梁晉文, 章恩耀. 以半導(dǎo)體激光器為光源的準(zhǔn)直研究.計量學(xué)報,1993,14(3 :173-1764王力列, 易璽林, 謝麟振. 用于頻分復(fù)用相干光纖通信的半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻系統(tǒng). 中國激光,1991,18(11 :811-8155白家?guī)X等. 半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用與市場. 激光與紅外,1995,25(3 :13-176謝毅. 將1500. 計量學(xué)報,1991,12(2 :150-1527, . ,1986:-激光醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)2黨誠一(錫山人民醫(yī)院激光科, 無錫2140001臨床資料2001年2月2002年12月我院激光科用CO 2激光器和微波治微

16、波組宮頸糜爛°°合計例數(shù)88140228治愈例數(shù)88%100有效例%無效例%療儀共治療438例慢性宮頸炎, 其中重度糜爛282例, 中度糜爛156例, 按隨機(jī)配對的原則分成微波組228例, 激光組210例。微波組年齡2150歲, 激光組年齡2448歲。所有病例均作以下檢查:血常規(guī)加血型, 白帶常規(guī), 宮頸涂片。經(jīng)后37天內(nèi)治療。12891. 41221694. 7128. 55. 2激光組宮頸糜爛°°合計例數(shù)681422102儀器與方法儀器a :微波治療儀, 輸出功率0150W 可調(diào)。b :激光器采用上海光機(jī)所LT L25C 激光器, 輸出功率125W治

17、愈例數(shù)5372125%785160有效例157085%224940無效例%可調(diào), 光斑直徑0. 4mm 。治療方法:手術(shù)時病人取膀胱截石位, 清潔外陰后置入陰道窺鏡, 暴露宮頸, 用洗必泰消毒宮頸,5%冰醋酸涂擦宮頸外口, 充分暴露宮頸糜爛面。激光組:將CO 2激光功率調(diào)至25W , 連續(xù)輸出檔光斑直徑0. 4-2毫米。光束對宮頸表面進(jìn)行照射碳化, 先下唇后上唇, 頸管處汽化成錐形。微波組:打開微波電源, 將功率調(diào)至46W 左右, 根據(jù)糜爛程度調(diào)正微波輸出時間34秒, 腳踏起動定時器控制微波輸出時間。先用頸管電極治療頸管外口一圈, 再凝固宮頸表面變白至微黃。術(shù)畢宮頸局部用云南白藥粉。術(shù)后略有水腫,10天左右脫痂出血。持續(xù)約為15天。術(shù)后1、2、3月隨訪。采用X 2檢驗法進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理, 兩組療效比較, 微波組明顯優(yōu)于激光組, 有顯著差異性(P <0. 01 。4討論激光和微波為治療慢性宮頸炎的二種常用物理方法。CO 2激光主要是通過熱效應(yīng), 使組織在幾毫秒時間內(nèi)引起2001000左右的溫升, 或使組織中溫度達(dá)到4550并持續(xù)1分鐘左右, 從而引起蛋白質(zhì)變性凝固, 細(xì)胞受損, 組織壞死, 由于CO 2激光波長為10600納米, 易被病變組織中較多水份吸收或被治療出血時的血液吸收, 或CO 2激光在組織表面引成焦痂, 影響了熱能向深部滲入, 所以造成治3