外腔半导体激光器的设计与高次谐波稳频

首先讨论了半导体激光器外腔结构参量对激光连续可调范围影响的理论计算方法,给出了Littrow结构外腔半导体激光器调谐范围的计算结果。然后介绍了半导体激光器外腔结构参量的具体设计,利用该设计得到了出射激光线宽小于1 MHz、连续可调谐范围可达3 GHz的780 nm波段外腔半导体激光器。接着讨论了利用腔外饱和吸收谱的三次谐波稳频方法对半导体激光器进行稳频,优化激光频率短期稳定度的方法。最后根据该优化方法设计出稳频系统对半导体激光器进行稳频,得到了稳定度达到10-12量级的半导体激光输出。     

1.53μm光纤光栅外腔半导体激光器乙炔吸收稳频

报道了1.53μm波段光纤光栅外腔半导体激光器的乙炔吸收稳频.通过理论分析参数选择,设计了光纤光栅外腔半导体激光器和光纤光栅调谐与调制结构.利用锁定放大器闭环控制布拉格波长,将激光器输出波长锁定在乙炔气体1530.37 nm的吸收峰上,频率稳定度达10-8.     

自动稳频半导体激光器研究

实现了一种新的稳频方案。通过对饱和吸收信号进行检测,得到半导体激光器频率的变化量,利用温度粗调、电流细调的方法对半导体激光器进行稳频,根据此思路设计了基于单片机控制的稳频系统的硬件电路及软件辅助锁频程序。经实验验证,该系统实现了开机自动稳频,已经连续稳定工作超过180天,得到秒级稳定度4.57×10-11,千秒级稳定度3×10-12,近万秒级稳定度2.78×10-12的稳定度指标。为实现稳频半导体激光器的小型化和模块化提供了一种途径。     

低功耗、小型化稳频激光系统的设计与实现

设计并实现了一种低功耗、小型化、可长期稳定运行的自动稳频激光系统。通过设计并实现高效率、低纹波的电压源,较大幅度地降低了整个系统的功耗和体积;通过设计并实现高性能温度控制电路、电流控制电路和稳频电路,得到了线宽较窄、频率稳定度较高的输出激光。该系统能够自动长期稳频,输出激光线宽约为1 MHz,稳定度指标为秒稳定度1.43×10~(-10),十秒稳定度3.90×10~(-11),百秒稳定度1.28×10~(-11),千秒稳定度2.25×10~(-11)。在稳定度略优于商用外腔半导体激光器的前提下,该激光系统电源体积缩小了约85%,整机功耗降低了约90%,为实现半导体稳频激光系统的低功耗和小型化提供了一种新的方案。     

1.5μm波段乙炔气体稳频光纤光栅外腔半导体激光器

为了提高1.5μm波段激光器的频率稳定性,利用乙炔分子饱和吸收稳频,设计了一种稳频的光纤光栅外腔半导体激光器。其通过步进电机对光纤光栅进行拉伸调节波长,实现了激光频率调谐。结果表明,所研制的激光器拥有较高的频率稳定度。     

高稳定度窄线宽激光器的研究

介绍了3种不同类型的高稳定度窄线宽激光器的研究进展.基于Littman结构和饱和吸收光谱稳频技术,研制了稳频外腔半导体激光器系统,输出波长为780.2 nm,频率稳定度1 MHz,不失锁时间大于12 h.利用边带稳频技术将分布反馈(DFB)激光器的输出波长稳定在Cs原子的吸收谱线的边带处,引入数字信号处理器(DSP)全数字稳频控制技术,实现了自动找频和稳频,获得波长为852.3 nm的稳频激光输出,24 h内频率漂移为±2 MHz.利用国产磷酸盐玻璃光纤作为增益介质,实现了一台高功率单纵模光纤激光器,制作的厘米级激光器实现了最大输出功率100 mW,利用外部光反馈实现单偏振运转,测得输出线宽为2 kHz,偏振消光比优于35 dB.     

采用射频调制实现对单频激光器频率噪声的抑制

在使用铷原子饱和吸收谱线作为激光频率参考进行稳频的激光稳频系统中,环路带宽是影响激光输出频率噪声的重要因素之一。对激光稳频系统中限制环路带宽的主要因素进行分析,使用射频调制信号直接调制商用外腔半导体激光器的高速电流调制端来对激光稳频系统的环路带宽进行拓展。根据对稳频环路的分析,合理设置反馈电路,实现激光稳频。使用低频谱分析仪对稳频后的鉴频信号进行分析,发现带宽拓展后,在傅里叶频率为5kHz处对频率噪声的抑制度达到了20dB以上。通过将该稳频激光器输出的激光与锁定在极稳恒温晶振上的飞秒光学频率梳进行拍频,测量了该稳频激光相对光梳的频率噪声,测量结果与直接分析鉴频信号的结果吻合。经过测量,通过拓展带宽抑制频率噪声,稳频激光器的短期频率稳定度得到改善。最后,测量了稳频激光相对于锁定在恒温晶振上的飞秒光学频率梳的频率稳定度,Allan方差在平均时间1s时达到4.52×10~(-12),在平均时间20s时达到1.65×10~(-12)。     

半导体激光器的原子法拉第反常色散光学滤波器光反馈稳频

为提高半导体激光器的频率稳定性，利用原子法拉第反常色散光学滤波器（FADOF）超窄带的选频透射特性，将其置于半导体激光器的外腔中作选频元件，采用光反馈的方法，使得透射率低的激光频率分量被抑制，透射率高的激光频率分量被加强，有效地实现了光反馈激光稳频。利用Cs原子法拉第反常色散光学滤波器工作于D2线852nm的4峰窄带透射状态。通过调节半导体激光器的温度和电流，调谐半导体激光器的输出波长，将激光器锁定在任何一个透射峰上，用26％的光反馈量，使稳频后的激光频率长期稳定性保持在75MHz／2h以内，而且采用这种稳频方法的输出激光中心波长一直稳定在频率基准上，没有单方向漂移。同时，还实现了Cs原子法拉第反常色散光学滤波器稳频半导体激光器结构的一体化，使其具有实用性。     

半导体激光器高精度稳频输出控制系统

为了在光纤干涉仪中得到光源高精度稳频输出,采用高稳定度的恒温控制以及功率稳恒控制方法,通过高信噪比的运算放大器、半导体制冷器,设计了一种激光电源驱动系统,并进行了理论分析和实验验证。其能为半导体激光器提供温度控制精度在±0.01℃,制冷驱动电流可达800mA,同时使得半导体激光器输出波长控制精度在±0.1nm,驱动电流最大输出可达180mA,输出电流的稳定度为10-4~10-5。结果表明,该系统不仅结构简单,而且温度控制稳定、准确度高,可使半导体激光器的输出波长保持稳定,保证了干涉型光纤传感器的测量准确度以及在通信领域中的应用。     

DFB激光器饱和吸收稳频的精密温控系统设计

相对于外腔半导体激光器,分布式反馈(Distributed Feedback Laser,DFB)激光器的温调率较高,为实现饱和吸收稳频,需要对激光器温度进行精密控制。分析了饱和吸收稳频系统的控温需求,基于MAX1978芯片设计了精密温控系统；利用恒流源对测温电桥电路进行了线性优化,利用遗传算法对模拟PID电路参数进行快速整定,系统最终实现0.2mK的控温稳定度,比同类设计的稳定度高1~2个数量级,解决了饱和吸收谱线明显晃动的问题,具有广阔的应用前景。     

外腔半导体激光器动态模稳定性的研究

为了研究调谐过程中外腔半导体激光器的模稳定性,采用多光束干涉理论推导Littrow结构外腔半导体激光器的腔增益,并模拟其模结构。分析了光栅面和转臂不在同一平面的情形下,在光栅转动调谐时,通过匹配光栅的反馈波长变化率与外腔波长变化率,推导出最佳的初始外腔长度,并研究了动态模稳定（无跳模调谐）的范围;采用严格的耦合理论和光线变换矩阵分析了准直（耦合）透镜的位置对系统后向耦合效率的影响。结果表明,系统后向耦合效率最大可达99%,极大地压窄了中心波长为780nm半导体激光器的线宽,外腔半导体激光器的理论线宽为未加外腔时的0.96%,动态模稳定范围可达6.8nm。     

外腔半导体激光器宽带调谐特性

本文分析了强反馈外腔半导体激光器的宽带频率调谐特性,得到了最大频率调谐范围公式,利用1.5μm外腔半导体激光器实现了1.45μm至1.57μm范围内的波长宽带调谐(120nm调谐范围)。     

实现外腔半导体激光器连续调谐的两个基本要求

定量讨论了实现外腔式半导体激光器连续调谐的两个基本要求:同时改变外腔长度及光栅反射波长,半导体激光器(LD)端面镀减反膜。分析表明:前人给出外腔的可调整范围并非是实现最大调谐范围的必要条件,而是实现调谐连续性的一种可行选择。针对具体的减反射膜,对在ECLD上可能实现的连续调谐范围进行了研究。     

电控宽带连续调谐外腔半导体激光器

介绍了一种电控调谐的外腔半导体激光器，并对其连续调谐特性进行了理论和实验分析。压电陶瓷（ＰＺＴ）（双晶片）的电扫描角度可达１°，采用适当的外腔结构，靠ＰＺＴ可同时改变外腔腔长和光栅衍射角，实现输出波长的调谐。该器件调谐范围最大可达１５ｎｍ，连续调谐范围（无跳模）为５０ＧＨｚ     

基于精密波长计的外腔半导体激光长期稳频系统

为抑制连续激光器的长期频率漂移,以精密波长计为参考频率标准,由计算机控制可实现连续激光无调制稳频.此方法从计算机获取波长计数据,利用数字比例积分微分(PID)计算出输出给激光器的反馈电压值,从而修正激光器腔长、实现激光器频率的锁定.此方法可用于目前商业激光器光谱范围内的任意波长,能在激光器频率可调节范围内任意频率点进行锁定.用此方法实现了对631 nm外腔半导体激光器的锁定,获得了1h频率不确定度为7.4 MHz、长期频率漂移率为±1.1 MHz/h的稳定锁定.     

可调谐单频掺镱光纤DBR激光器

对分布布拉格反射(DBR)的透射特性进行了分析,制作了一个单频窄线宽掺镱光纤DBR激光器.在977 nm半导体激光器泵浦下,在1052.5 nm波长处输出功率可达4 mW,线宽小于8 MHz(受测量仪器分辨率限制).采用弧形梁调谐光纤光栅,实现了DBR光纤激光器在单纵模工作状态下的连续调谐,调谐范围可达20.4 nm(1036.1～1056.5 nm),并研究了调谐对激光器的泵浦阈值和斜率效率的影响.     

External-cavity semiconductor laser with 1000 GHz continuouspiezoelectric tuning range

A 1000-GHz continuous tuning range is achieved using a single piezoelectric transducer to orient a diffraction grating in an external-cavity semiconductor laser. The laser output power ripple versus wavelength is 15%, and the linewidth is less than 500 kHz. Large-amplitude piezoelectrically controlled wavelength modulation can be done at modulation frequencies on the order of 100 Hz. The maximum modulation frequency, continuous electrical tuning range, and linewidth are limited by the mechanical design of the external cavity. This device should have wide application in spectroscopy, metrology, and remote sensing     

基于半导体光放大器交叉增益调制效应的主动锁模光纤激光器

提出一种腔内损耗小的基于半导体光放大器(SOA)交叉增益调制效应(XGM)的主动锁模光纤激光器结构。使用光环行器成功减小了激光器的腔内损耗,提高了激光器的输出功率。从理论上对有理数谐波锁模过程中腔内脉冲复合的物理机制进行了详细分析。利用有理数谐波锁模技术,在调制频率为10 GHz下,得到了重复频率为30 GHz的皮秒级光脉冲序列输出,其峰值功率约0.5 mW。由于半导体光放大器的宽增益谱与滤波器的较大可调谐范围,使得激光器输出可以在较大的波长可调谐范围内保持较大功率输出。成功实现了调制频率为20 GHz的谐波锁模短光脉冲输出,可调谐范围达40 nm,峰值功率大于0.65 mW。半导体光放大器和激光器的短腔长保证了激光器的长期稳定性。     

光纤光栅外腔半导体激光器频率调谐技术研究

在分析了光纤光栅外腔半导体激光器(FBG-ECL)基本特性的基础上,调研了适用于该类型激光器的频率调谐方法,包括温度调谐法和应力调谐法,选取轴向应力调谐法改变光纤光栅的布拉格中心波长,进而实现频率调谐。利用压电陶瓷(PZT)来对光纤光栅施加轴向应力,通过调整PZT驱动电压值的大小来控制光纤光栅布拉格中心波长的变化量。实验结果表明,对于波长1550 nm的光纤光栅激光器,当PZT的驱动电压增加到126 V时,可实现 0.8 nm,即100 GHz的调谐范围以及每周期2 ms的调谐速度。