激光具有良好的單色性和相干性，它的出現極大地促進了原子（分子）動量操控的實驗研究以及原子（分子）相關的精密測量。在激光冷卻原子氣體以及原子（分子）相關的頻率標準、磁強計、重力儀、陀螺儀等前沿基礎和應用研究領域，激光都發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定性有非常高的要求。對于實用化的原子（分子）精密測量設備，需要激光頻率的穩定度在幾小時到幾年內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、結構簡單以及便于調諧等優點，其在上述的領域中得到廣泛應用 。

　　
本文設計了一套基于半導體激光器的穩頻激光系統，系統具有功耗低、體積小和穩定性高的特點。相比于現有的商用激光器，除了具備開機即可自動頻率鎖定的功能外，該系統的主要改進在于設計并實現了高效率、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，其穩定度預期比商用外腔半導體激光器更好。目前國內外穩頻激光器的研究主要集中在超窄線寬和高短穩等方向上，對于小型化、可長期自動穩頻的激光器的研究較少見到相關報道。我們測量了該系統的體積、功耗、輸出激光頻率的線寬和穩定度。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備的要求。

　　
2 、半導體穩頻激光系統的設計

　　
本文的穩頻激光系統采用的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；頻率的溫調率為24.8GHz/K，電調率為1.23GHz/mA。

圖 1(a)激光系統框圖

　　
此激光系統電源的設計圖如圖 1(a)所示。整機尺寸為 150mm×80mm×150mm（體積約為1.8L），功耗約為 15W。現有的商用外腔激光器的驅動電源一般是 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。本文設計的激光系統驅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高壓直流電轉化為穩定直流電為激光系統供電。（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，用于產生飽和吸收光譜(SAS)，為激光頻率鎖定產生誤差信號。（5）為主控模塊，通過單片機整體控制溫度、電流和誤差信號，用于自動穩頻。

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

　　
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，因此要獲得高穩定度的激光頻率，首先需要穩定控制激光管的工作溫度和注入電流。我們設計了小型化、高　　性能的控溫電路提高電流的穩定性，降低了溫度對激光頻率的影響；同時，我們還設計了低功耗、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定度基準源進行比較得到誤差信號，誤差信號再經過比例-積分-微分電路（PID）處理后調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。

在高精密設備應用中我們需要頻率穩定度優于10的激光器，為了實現這一目標，我們10~-10可以把激光鎖定在一個更穩定的參考源上，該系統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)為產生飽和吸收光譜的光路圖。由DFB激光器產生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過吸收池后產生帶多普勒本底的飽和吸收譜；另一束探測光只產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、控流和穩頻電路都需要電壓為5V、低紋波、高穩定度的電源。本文所設計的激光系統適用于110V~220V交流供電的實驗室環境或者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化為低壓直流電。該激光系統要求電源的紋波做到100uV以下。現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%。本文的設計滿足了該激光系統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開關電源模塊將110V-220V交流電或者高壓直流電轉化為低壓直流電。再經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壓器，獲得低紋波、高穩定度的輸出電壓。

　　
電源的功率變換部分采用開關電源，其調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。由于開關電源中的晶體管工作在截止區和飽和區，在晶體管上消耗掉的熱量較低，因此開關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。共模電流在磁環中產生的磁通相互疊加，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、提高電壓穩定度，后級再經過LDO低壓差線性穩壓模塊，可獲得噪聲更低、更加穩定的輸出電壓。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為△V0/△T = 20ppm/℃。經過該模塊后，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精密參考源產生基準電壓，其長期穩定度為8ppm/  根號下khrs，溫度系數為 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，誤差信號經過PID自動控制電路產生控制信號，控制達林頓管構成的功率放大電路輸出正負電流驅動制冷硅（TEC）對激光管的溫度進行調整，從而實現溫度穩定。

　　
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過放大之后與基準電壓做比較得到誤差信號，誤差信號經過PID電路產生控制信號，控制驅動MOSFET的電壓來調整注入到激光管的電流，從而實現電流穩定。控溫和控流穩定度的詳細測試結果見本文第三部分。

　　
激光系統的自動穩頻在主控模塊中由軟件實現。光電探測器探測到的光譜信號經過低通濾波后通過模數轉換進入單片機進行一系列計算后得到控制信號，產生的數字信號經過數模轉換后調整激光器的電流，實現頻率穩定。主控模塊負責實現光譜信號的分析和計算、產生誤差信號，并且實時監控鎖定狀態，失鎖后可自動重新鎖定。

　　
3 、實驗結果

　　
本文測試了電壓源的各種性能。使用六位半多路數據采集器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。可以看到該電源的紋波參數和線性電源基本在一個量級上，滿足激光系統對電源紋波的要求。同時，測試得到該電源的轉換效率為75%，有利于實現系統的低功耗。

　　
在自動穩頻的過程中，一次掃譜的時間約為1s，在這段時間內，激光頻率的漂移量不能超過電路的捕捉帶（約為 20MHz），否則無法實現穩頻。根據該激光管的溫調率計算可得，工作溫度的秒穩定度必須在1mK量級以下，才能實現激光穩頻。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，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。我們持續測試了六個半小時，每 0.5s采集一個數據，溫漂的測試結果用阿倫方差描述，如圖3(a)所示。秒級穩定度為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頻系統的跟蹤帶內，可以通過積分電路補償回來。該電路的測試結果顯示其滿足系統對控溫穩定度的要求。

　　
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，根據激光管的電調率計算可得，電流的紋波應該控制在4.9uA以下。同時，根據上述對激光頻率穩定度的要求，注入電流的秒穩定度必須在 16.3uA以下，才能實現激光穩頻。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。我們對電流的穩定度持續測試了六個半小時，每0.5s采集一個數據，測試結果可以用阿倫方差來描述，如圖 3(a)所示。秒級穩定度為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頻系統的跟蹤帶內，可以通過積分電路補償回來。滿足系統對控流穩定度的要求。另外，從圖中可以看到，

　
平均時間超過百秒后，電流的穩定度會逐漸變差，千秒穩達到 0.3uA，對應頻率漂移為0.369MHz，仍然滿足系統的要求。穩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)溫度穩定度(b)電流穩定度
Fig. 3 (a) Temperature stability (b)Current stability

我們用兩臺相同的穩頻激光器輸出的激光進行拍頻，實驗光路如圖4(a)所示。穩頻激光器 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。

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

 

 

　　圖 4(a)頻率穩定度測量實驗裝置(b)激光器線寬測量結果(c)穩頻激光器頻率穩定度測量結果

　　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

　　
頻率穩定度可以利用以下公式進行評估

 

式中 a,b,c,d為常數，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，第四項為無規行走噪聲。

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

　　
與外腔半導體激光器相比，本文所設計的激光系統優點是功耗低、體積小、可靠性高，時由于沒有外腔的影響，激光頻率的長期穩定性要更好一些。缺點是該激光線寬相對較寬，所以短期穩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常可以做到百kHz以內。

　　
影響激光器長期穩定度的因素主要有由環境溫度無規則漂移引起的各種參數的漂移，如管芯溫度的漂移、電路反饋環路參數的漂移；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定度，還可以考慮從以下方面做優化：用數字電路代替模擬控制環路降低積分的漂移；對整個激光頭做進一步的隔熱或者多級控溫。

　　
5 、結論

　　
本文設計實現了新型電壓源并使用其實現了低功耗、小型化、高穩定度而且可以自動穩頻的半導體穩頻激光系統，該系統整機尺寸為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%。實現激光頻率線寬約為 1MHz；穩定度指標為秒穩定度 1.43×10~-10，十秒穩定度  3.90×10~-11，百秒穩定度1.28×10~-11，千秒穩定度2.25×10~-11。此設備已成功用于激光冷卻與陷俘、原子（分子）內態制備等物理實驗，為實現穩頻半導體激光器的低功耗和小型化提供了一種新的方案。