外腔半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

外腔半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

外腔檢測器具有超窄線寬的優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域的研究中得到了廣泛應(yīng)用。例如，精密原子、相干光通信和原子鐘縮還應(yīng)研究其他領(lǐng)域。新型原子鐘裝置中，半導(dǎo)體激光器用于冷卻原子、抽運(yùn)原子態(tài)與激發(fā)原子熒光等環(huán)節(jié)，是原子鐘的關(guān)鍵器件。外腔半導(dǎo)體激光器即給激光二極管（semiconductorlaserdiode,LD）加上外部腔鏡以獲得超窄線寬的激光輸出。外腔半導(dǎo)體激光器除了要對LD的溫度和電流進(jìn)行控制外，還要對外腔的長度進(jìn)行控制。外腔半導(dǎo)體激光器的頻率漂移一般較大，一個(gè)重要原因是外腔溫度變化造成的腔內(nèi)空氣介質(zhì)折射率與腔體幾何尺寸的改變。一般商用的外腔半導(dǎo)體激光器頻率漂移為250MHz/h(Newfocus7000系列），國外實(shí)驗(yàn)室的自制激光器一般為2MHz/min或150MHz/8h。為降低實(shí)驗(yàn)室自制的852nm外腔半導(dǎo)體激光器的頻率漂移，我們研制了相應(yīng)的電路。漂移較小的半導(dǎo)體激光器在研究光與物質(zhì)相互作用方面具有良好的應(yīng)用前景，尤其是在不需要對激光進(jìn)行頻率鎖定的場合，例如電磁感應(yīng)透明、光減速實(shí)驗(yàn)等。另外，頻率漂移較小也有利于實(shí)現(xiàn)對激光頻率的長時(shí)間鎖定等。1半反半透鏡上的壓電陶瓷調(diào)節(jié)圖1為自制外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)圖。激光器光學(xué)部分由激光管、準(zhǔn)直透鏡、濾光片、聚焦透鏡與半反半透鏡等構(gòu)成，其中激光管與半反半透鏡構(gòu)成了外腔。外腔長度即激光管端面與半反半透鏡反射面間的距離，可通過粘貼在半反半透鏡上的壓電陶瓷調(diào)節(jié)。激光管集成包括LD、光電探測二極管、熱敏電阻和微型熱電制冷片（thermo-electriccooler,TEC）。其中，LD接高穩(wěn)恒流源，用以控制LD的注入電流；熱敏電阻與微型TEC接入LD溫控系統(tǒng)，控制LD的工作溫度；壓電陶瓷（Pb-Zr-Ti,PZT）接高壓恒壓源，設(shè)定壓電陶瓷電壓以調(diào)節(jié)外腔的長度；另外，熱敏電阻與外腔腔體下表面與散熱片之間貼著的TEC接外腔溫控系統(tǒng)，控制外腔的溫度。外腔溫控也給LD提供了一個(gè)相對穩(wěn)定的外部溫度環(huán)境，有助于LD的溫度控制。表1給出經(jīng)過測量與計(jì)算得到的上述幾個(gè)因素對一臺腔長10cm的852nm外腔半導(dǎo)體激光器頻率的影響。2電路系統(tǒng)2.1驅(qū)動電流和溫度控制2.1.1不同溫度對輸出電流質(zhì)量的影響高穩(wěn)恒流源的基本原理是將從參考電阻Rref上獲得的與輸出電流成正比的采樣電壓，經(jīng)過反饋穩(wěn)定在設(shè)定好的參考電壓上，獲得穩(wěn)定的電流輸出，如圖2所示。對高穩(wěn)恒流源穩(wěn)定性影響較大的是各個(gè)器件（包括基準(zhǔn)電壓源、設(shè)定電位器、采樣電阻和反饋回路等）的溫度敏感性。為了降低輸出電流漂移，我們選用了溫度系數(shù)為0.3ppm/℃的基準(zhǔn)電壓源LM299作為參考電壓源，溫度系數(shù)分別為20ppm/℃和2ppm/℃的10圈電位器和低溫漂電阻分別作為設(shè)定電位器與采樣電阻，運(yùn)放等其他一些元件的選擇也考慮了溫度的影響。檢測高穩(wěn)恒流源的穩(wěn)定性時(shí)，我們給高穩(wěn)恒流源接上50Ω（精度為0.02%），溫漂為2ppm/℃的低溫漂電阻作為負(fù)載，用六位半的數(shù)字萬用表（Agilent34401A）測量并記錄負(fù)載電壓值，然后計(jì)算得到輸出電流的變化，如圖3所示，其中虛線是線性擬合的結(jié)果。高穩(wěn)恒流源在工作穩(wěn)定后輸出的電流在短期內(nèi)呈現(xiàn)波動，長期內(nèi)則呈現(xiàn)正向漂移，電流值最大波動為0.15μA，在1h內(nèi)漂移小于+0.1μA，理論上會使外腔半導(dǎo)體激光器的輸出頻率發(fā)生-92kHz的漂移。2.1.2ld測溫測量LD溫控的對象是激光管。圖4是LD溫控部分電路結(jié)構(gòu)框圖。由激光管內(nèi)部熱敏電阻Rt與外接固定電阻構(gòu)成溫度電橋，將實(shí)際溫度與設(shè)定溫度之間的溫度差轉(zhuǎn)換成為誤差電壓，經(jīng)過差分放大和PID運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成為LD內(nèi)部微型TEC的控制電流，達(dá)到控溫的目的。熱敏電阻與微型TEC都是直接封裝在激光管內(nèi)部的，與激光管熱接觸良好，且有外腔溫控提供的恒溫外界環(huán)境，LD溫控系統(tǒng)的控溫效果主要取決于溫度電橋的靈敏度與PID參數(shù)的選擇。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況合理選擇PID參數(shù)可以大大改善溫控的效果。同時(shí)為了提高溫度電橋的靈敏度，我們選擇了精度0.02%，溫度系數(shù)2ppm/℃的高精度低溫漂電阻與20ppm/℃的10圈電位器作為電橋的臂。測量時(shí)溫度設(shè)定在19.6℃附近，認(rèn)為電橋中熱敏電阻上的電流恒定，用數(shù)字萬用表讀取并記錄熱敏電阻Rt上的電壓。熱敏電阻的溫度系數(shù)在小于0.5m℃的相對溫度范圍內(nèi)是線性的，數(shù)值為559.1Ω/℃，據(jù)此可計(jì)算得到LD溫度變化曲線，如圖5所示，其中虛線是測量數(shù)據(jù)的線性擬合結(jié)果。由圖5可見，LD溫控工作穩(wěn)定后溫度的波動與漂移均較大，LD溫度1h內(nèi)的線性漂移是-0.4m℃，理論上會使激光器輸出光頻率漂移+12MHz，最大的短期溫度波動為0.3m℃。2.2腔長度的控制2.2.1高可以耗壓板放大電路PZT需高壓（0～200V左右）驅(qū)動，用一般的基準(zhǔn)源及運(yùn)算放大電路不能實(shí)現(xiàn)高壓輸出。我們設(shè)計(jì)的高壓恒壓源結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。使用一般的基準(zhǔn)電壓源及放大電路預(yù)先得到1個(gè)精確的參考電壓，再用高耐壓場效應(yīng)管高壓放大電路放大成為高壓。此處同樣選用低溫漂的基準(zhǔn)電壓源LT1027以降低輸出電壓的溫漂。高壓恒壓源輸出電壓隨時(shí)間的變化如圖7所示，虛線為線性擬合的結(jié)果。所得到的PZT驅(qū)動電壓在1h內(nèi)漂移較小，波動達(dá)到1mV，理論上會使外腔腔長改變，使輸出激光的頻率在8kHz范圍內(nèi)變化。2.2.2外腔半導(dǎo)體激光器外腔結(jié)構(gòu)外腔溫控結(jié)構(gòu)如圖8所示，外腔溫控電路的原理與LD溫控基本一致，不同的是外腔溫控需要對激光器外腔腔體進(jìn)行控溫，使用的熱敏電阻嵌入盒子刻槽中，熱敏電阻與刻槽之間通過導(dǎo)熱硅脂增強(qiáng)熱傳導(dǎo)，TEC上下表面也涂有導(dǎo)熱硅脂，緊貼在激光器外腔底部與散熱片之間。另外，為了降低外界環(huán)境溫度對溫控的影響，整個(gè)外腔半導(dǎo)體激光器在結(jié)構(gòu)上密閉。用數(shù)字萬用表記錄與被控溫外腔接觸良好的鉑電阻Pt100的阻值，參照Pt100的溫度系數(shù)0.385Ω/℃，計(jì)算得到了外腔的溫度變化曲線，如圖9所示。圖9中的曲線表明了1h內(nèi)外腔溫度隨時(shí)間的變化，圖9中的虛線是外腔溫度變化的線性擬合結(jié)果。由圖9可見，外腔的溫度起伏較小，僅為0.5m℃，1h內(nèi)溫度漂移為+2m℃，由理論計(jì)算可得外腔半導(dǎo)體激光器的輸出激光頻率漂移為-16MHz/h。3外腔溫度和溫度對半導(dǎo)體激光器頻率的影響為了檢驗(yàn)驅(qū)動電路系統(tǒng)引起的外腔半導(dǎo)體激光頻率漂移結(jié)果，我們進(jìn)行了拍頻實(shí)驗(yàn)。使用兩臺自制的外腔半導(dǎo)體激光器，一臺采用飽和吸收法鎖定頻率，另一臺自由運(yùn)轉(zhuǎn)，將兩束激光進(jìn)行拍頻。拍頻信號的頻率變化，就是自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的頻率漂移。如圖10所示，拍頻信號的頻率在1h內(nèi)的變化為15MHz，該結(jié)果不僅遠(yuǎn)小于目前國內(nèi)外商用半導(dǎo)體激光器的漂移（如Newfocus7000系列的半導(dǎo)體激光器的漂移為250MHz/h），也優(yōu)于其他某些實(shí)驗(yàn)室的自制激光器的漂移（120MHz/h,18.75MHz/h）。測量和計(jì)算表明，1h內(nèi)LD溫度與外腔溫度漂移引起的頻率漂移量分別為12MHz與16MHz，與拍頻實(shí)驗(yàn)測得的頻率漂移比較接近。實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生驟變時(shí)，頻率漂移會變大，說明外腔半導(dǎo)體激光器的頻率漂移主要是由溫度漂移引起的。因此，要進(jìn)一步降低漂移，需要進(jìn)一步提高外腔半導(dǎo)體激光器的溫控模塊的性能，做好激光器的熱隔離等，以降低LD與外腔的溫度漂移。4半導(dǎo)體激光器頻率漂移使用高穩(wěn)恒流源與精密LD溫控，再通過高壓