一種自適應窄線寬半導體雷射穩頻裝置的製作方法

2023-09-20 17:50:20

本發明主要涉及到雷射器技術領域，特指一種用於鹼金屬雷射泵浦的自適應窄線寬半導體雷射穩頻裝置。

背景技術：

鹼金屬雷射器採用半導體雷射泵浦鹼金屬原子飽和蒸氣，利用鹼金屬原子外層價電子能級躍遷實現雷射輸出。該類雷射器結合了半導體雷射高功率輸出和氣體介質流動散熱優勢，具有全電操作、輕質緊湊、量子效率高和大氣傳輸特性好等特點，具有良好的高功率輸出潛力，在雷射傳能、航空航天以及軍事等領域具有潛在應用價值。

鹼金屬雷射的實現依賴於高品質的半導體泵浦源，對其光譜特徵具有苛刻要求：一方面，由於鹼金屬原子吸收光譜線寬很窄，根據腔壓不同一般在0.02～0.2nm範圍內，而商用半導體雷射器發射光譜線寬通常在2～4nm，因此需要對半導體雷射進行線寬壓縮至與鹼金屬原子吸收譜寬相同的量級；另一方面，半導體泵浦光譜發射中心波長需要與鹼金屬原子吸收中心波長精確對準，只有同時具備上述兩個條件才能實現鹼金屬原子的高效泵浦。鹼金屬雷射泵浦源主要採用基於體光柵的外腔法實現，即通過在半導體雷射器巴條前端耦合具有窄帶光譜反饋特性的體布拉格光柵(後簡稱為「體光柵」)，此時半導體雷射器原先的諧振腔被以體光柵和半導體增益介質後腔面所形成新的雷射諧振腔—即所謂的「外腔」所取代，從而實現窄帶光譜輸出，同時可以實現和雷射器自由運轉時相當的電光轉換效率。

然而，體光柵外腔方案雖然能夠實現光譜的有效壓窄，但無法確保準確的中心波長，其原因有二：一是雷射器輸出波長取決於體光柵自身反饋波長，而反饋波長由於設計和加工誤差等往往與鹼金屬原子吸收波長存在偏差；二是體光柵反饋波長受其材料溫度影響，隨溫度增加而向長波方向偏移(典型的波長溫漂係數為8-10pm/℃)，而在半導體工作過程中雷射本身即會加熱體光柵，使出射雷射波長發生改變。因此，鑑於體光柵加工過程中難以避免的波長偏差和實際半導體對體光柵加熱程度的不確定性，輸出雷射波長往往無法精確對準鹼金屬原子吸收譜線。

為了解決這一問題，現有方案是對體光柵進行主動溫控，即在半導體工作過程中通過對體光柵進行加熱或者製冷人為地改變中心波長，以達到與鹼金屬原子吸收譜線精確對準的目的。這種方法雖然原則上是奏效的，例如美國空軍武器實驗室(opt.lett.,vol.33,no.7,page702,2008)、中國國防科技大學(chin.phys.lett.,vol.28,no.10,104202,2011)、德國dilas半導體公司(proc.ofspie,vol.8962,89620f,2014)等目前均採用該方案，但在實際應用中卻存在局限：一方面，該方案環境適應性較差，環境參數(溫度、溼度等)變化會引起半導體雷射器和體光柵相應參數發生改變，導致已經校準好的系統再次出現波長偏差，因此在不同的環境下使用往往需要重新進行波長校準；另一方面，高功率半導體系統含有數目眾多的巴條和體光柵(一般情況下，每1kw功率包含>10個巴條，每個巴條都對應一個獨立的體光柵)，一旦系統出現波長偏差，人為標校過程將會十分複雜和耗時。截至目前，尚無有效的解決方案。這裡需要指出的是，對於低功率單頻半導體雷射器，目前雖然存在成熟的基於鹼金屬原子氣室飽和吸收穩頻的主動波長控制方案，但該方案要求半導體雷射器工作於單縱模狀態且鹼金屬原子氣室處於不含有其他緩衝氣體從而可以對鹼金屬原子能級進行超精細結構分辨，而鹼金屬雷射器運轉不滿足上述條件，因此無法使用飽和吸收穩頻方法。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題就在於：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種可以有效提升泵浦系統光譜穩定性、使用便捷性、環境適應性的自適應窄線寬半導體雷射穩頻裝置。

為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案：

一種自適應窄線寬半導體雷射穩頻裝置，包括：半導體雷射器、光束準直系統、體光柵、加熱裝置、原子氣室、螢光測量裝置以及信號處理和控制系統，所述半導體雷射器、光束準直系統和體光柵三者形成外腔，在所述體光柵窄帶後向衍射反饋作用下，外腔出射雷射光譜相比自由運轉時的半導體雷射器1得到壓窄；部分出射雷射入射至原子氣室激發鹼金屬原子產生共振螢光，所述螢光測量系統檢測螢光信號並輸入信號處理與控制系統，所述信號處理與控制系統通過調節體光柵中加熱裝置的加熱功率改變光柵溫度進而改變出射雷射中心波長。

作為本發明的進一步改進：所述出射雷射依次經過分光元件、光衰減元件、聚焦透鏡進入原子氣室。

作為本發明的進一步改進：所述半導體雷射器1為單發光源、線陣單巴條或者疊陣多巴條封裝形式。

作為本發明的進一步改進：所述半導體雷射器1的發射波長為766nm或770nm、780nm或795nm、852nm或894nm。

作為本發明的進一步改進：所述光束準直系統包括快軸準直透鏡、慢軸準直透鏡中的一種或者組合。

作為本發明的進一步改進：所述原子氣室包括鹼金屬原子和緩衝氣體，所述鹼金屬原子為鉀、銣或者銫中的一種，所述緩衝氣體是氦氣、氖氣、氬氣、氪氣和氙氣中的一種，或者是氦氣、氖氣、氬氣、氪氣和氙氣中的一種與烴類氣體如甲烷或者乙烷中的一種的混合氣體。

作為本發明的進一步改進：所述原子氣室的窗口為正入射或者布儒斯特角入射。

作為本發明的進一步改進：所述螢光測量系統為光電倍增管、雪崩光電探測器、光電二極體或者其他螢光探測裝置。

作為本發明的進一步改進：所述加熱裝置為電阻加熱、水浴加熱或油浴加熱。

作為本發明的進一步改進：當螢光信號最強時表明出射雷射的中心波長與鹼金屬原子吸收譜線實現精確對準，此時信號處理與控制系統保持恆定的加熱功率和光柵溫度；當由於外界環境改變導致雷射中心波長發生偏移時，所述信號處理與控制系統將自動調節加熱功率直至螢光信號再次達到最強。

與現有技術相比，本發明的優點在於：

1、本發明的自適應窄線寬半導體雷射穩頻裝置，為一種新的光譜自適應窄線寬半導體雷射穩頻裝置。該裝置採用閉環光譜反饋控制方案，自適應實時動態調整體光柵耦合窄線寬半導體雷射系統輸出中心波長，使用過程中無需人工標校，可以有效增強系統的使用便捷性和環境適應性。

2、本發明的自適應窄線寬半導體雷射穩頻裝置，利用鹼金屬原子本身進行波長校準，相比於利用光譜儀等常規方法所存在的儀器自身測量誤差和精度等問題，該裝置能夠可靠實現泵浦波長與鹼金屬原子吸收譜線的精確對準。

3、本發明的自適應窄線寬半導體雷射穩頻裝置，具備光譜自適應調節能力，使用過程無需人為標校，有效增強系統可靠性、使用便捷性和環境適應性。

4、本發明的自適應窄線寬半導體雷射穩頻裝置，結構簡單，易於集成，具有良好的實際應用潛力。

附圖說明

圖1是自適應窄線寬半導體雷射穩頻裝置組成結構示意圖。

圖2是體光柵加熱溫升與入射雷射中心波長之間的關係。

圖3是入射雷射光譜線型與原子吸收光譜線型匹配示意圖。

圖4是螢光強度與入射雷射和原子吸收譜線中心波長偏差之間的關係。

圖例說明：

1、半導體雷射器；2、快軸準直透鏡；3、慢軸準直透鏡；4、半導體發射雷射；5、體光柵；6、第一雷射；7、出射雷射；8、分光元件；9、第二雷射；10、光衰減元件；11、聚焦透鏡；12、原子氣室；13、第三雷射；14、螢光測量裝置；15、信號處理和控制系統。

具體實施方式

以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。

本發明的自適應窄線寬半導體雷射穩頻裝置，包括：半導體雷射器1、光束準直系統、體光柵5、加熱裝置、分光元件8、光衰減元件10、聚焦透鏡11、原子氣室12、螢光測量裝置14、信號處理和控制系統15。半導體雷射器1、光束準直系統和體光柵5三者形成外腔，在體光柵5窄帶後向衍射反饋作用下，外腔出射雷射7的光譜相比自由運轉時的半導體雷射器1得到壓窄；部分出射雷射7入射至原子氣室12激發鹼金屬原子產生共振螢光，利用螢光測量系統14檢測螢光信號並輸入信號處理與控制系統15，信號處理與控制系統15通過調節體光柵5加熱功率改變光柵溫度進而改變出射雷射中心波長，當螢光信號最強時表明出射雷射中心波長與鹼金屬原子吸收譜線實現精確對準，此時保持恆定的加熱功率和光柵溫度；當由於外界環境改變等因素導致雷射中心波長發生偏移，信號處理與控制系統15將自動調節加熱功率直至螢光信號再次達到最強，實時自適應保證出射雷射波長的準確性和穩定性。

如圖1所示，為本發明的一個具體應用實例，主要適用於鹼金屬雷射泵浦，該實例以單巴條銣蒸氣雷射半導體泵浦源為例進行說明，但同樣適用於鉀和銫雷射泵浦，以及其他具有窄帶吸收光譜特性的原子或者分子雷射介質泵浦。它包括：

半導體雷射器1，本實例為單巴條線陣半導體雷射器，通常具有19個發光源，半導體雷射介質前表面通常鍍增透膜(反射率r≤1％)，自由運轉時發射雷射光譜寬度通常在2-4nm(半高全寬)之間；

快軸準直透鏡2和慢軸準直透鏡3，二者共同構成光束準直系統；半導體發射雷射4經過光束準直系統後在快軸和慢軸方向的發散角均控制在8mrad以內；

體光柵5，半導體發射雷射4入射至體光柵後部分雷射(圖中為第一雷射6)被衍射並反饋回半導體雷射器1，衍射效率通常在5-30％之間；

此時半導體雷射器1、快軸準直透鏡2、慢軸準直透鏡3和體光柵5共同構成新的雷射諧振腔以取代半導體雷射器1本身的雷射諧振腔，通常稱之為「外腔」；

由於體光柵5具有窄帶光譜衍射特性，根據使用需求不同其衍射帶寬一般可在0.02nm到0.5nm(半高全寬)之間選取，此時外腔的出射雷射7的光譜寬度與體光柵5的衍射帶寬相當或者略寬，相比半導體自由運轉光譜寬度(2-4nm)得到有效壓縮；出射雷射7的中心波長與體光柵5的衍射中心波長一致，由於體光柵5的衍射中心波長與溫度相關，隨溫度增加而向長波方向漂移(波長溫漂係數在8-10pm/℃)，實際中通常選取體光柵5的衍射中心波長略低於使用波長，然後通過加熱而非製冷的方式對輸出波長進行精調諧(見圖2所示)；

外腔出射雷射7入射至分光元件8，部分被反射(圖中為第二雷射9)依次進入光衰減元件10、聚焦透鏡11和原子氣室12，部分透射(圖中為第三雷射13)作為最終應用泵浦雷射；分光元件8通常為平面鍍膜光學鏡片，其反射率不宜過高否則會導致整體雷射效率下降，一般控制在2％以內；光衰減元件10用於對雷射功率進行衰減將其限制在2w以內，以避免過高的雷射功率對原子氣室12(本實例為鹼金屬原子氣室)造成損傷；聚焦透鏡11用於將雷射聚焦後以一定的強度入射至原子氣室12，通常需要達到不低於100w/cm2的入射強度；原子氣室12內包含有銣金屬和緩衝氣體，其緩衝氣體的成分和氣壓應與實際泵浦銣雷射增益介質的緩衝氣體相同或者相近，通常為惰性氣體(氦氣)或者其與甲烷的混合氣體，原子氣室12可在室溫下使用；

由於入射雷射9發射光譜和銣原子吸收光譜均具有一定的寬度，如圖3所示，圖中選取典型鹼金屬雷射光譜參數(入射雷射光譜為高斯線型寬度為0.05nm，緩衝氣體碰撞加寬條件下銣原子吸收譜線為洛倫茨線型寬度為0.06nm)，當二者的光譜存在重疊時(此例中心波長偏差δ＝0.02nm)銣原子即會吸收部分雷射能量，吸收的能量主要以原子自發輻射—即共振螢光的形式釋放，當雷射的中心波長與銣原子吸收譜線中心精確對準時(δ＝0)，共振螢光達到最強，當二者存在偏差時(δ≠0)，共振螢光將隨偏差δ的增加而不斷減弱，圖4給出隨著δ變化銣原子氣室發射螢光強度的變化(計算中選取入射雷射光譜線寬0.05nm，銣原子氣室處於室溫20℃並充入1atm氦氣和200torr甲烷混合氣體)；

螢光測量裝置14，用於探測共振螢光信號強度並將其轉化為電信號輸入至信號處理和控制系統15；

信號處理和控制系統15，用於根據檢測到的螢光信號強度，對體光柵加熱裝置16的輸入功率進行調節以動態改變體光柵溫度，實時確保螢光測量裝置14檢測的螢光強度為最大值；在具體應用中，信號處理和控制系統15的程序控制邏輯為：在已輸入螢光信號強度基礎上，增加體光柵溫度，如果檢測到螢光信號增強，則繼續增加溫度，如果檢測到螢光信號減弱，則降低溫度，直至檢測到最大螢光信號強度，並始終動態監測和維持最佳輸出波長。

在具體應用實例中，半導體雷射器1可以根據實際需要選擇單發光源、線陣單巴條或者疊陣多巴條封裝形式。

在具體應用實例中，半導體雷射器1的發射波長可以為766nm或770nm(鉀原子d1或d2線泵浦)、780nm或795nm(銣原子d1或d2線泵浦)、852nm或894nm(銫原子d1或d2線泵浦)，以及其他可應用於具有窄吸收譜帶的原子或者分子泵浦波長，這些均應在本發明的保護範圍之內。

在具體應用實例中，光束準直系統包括快軸準直透鏡2、慢軸準直透鏡3或者其他具有光束準直或者整形作用的微透鏡中的一種或者多種的組合，只要能夠滿足實際需要的結構形式均應在本發明的保護範圍之內。

在具體應用實例中，原子氣室12包括鹼金屬原子和緩衝氣體，鹼金屬原子為鉀、銣或者銫中的一種，緩衝氣體是氦氣、氖氣、氬氣、氪氣和氙氣中的一種，或者是氦氣、氖氣、氬氣、氪氣和氙氣中的一種與烴類氣體如甲烷或者乙烷中的一種的混合氣體。

在具體應用實例中，根據實際需要，原子氣室12的窗口可以為正入射或者布儒斯特角入射。

在具體應用實例中，根據實際需要，螢光測量系統14可以為光電倍增管、雪崩光電探測器、光電二極體或者其他螢光探測裝置。

在具體應用實例中，根據實際需要，加熱裝置可以為電阻加熱、水浴加熱、油浴加熱或者其他加熱方式。

以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護範圍。