1、激光器的设计与制作激光器的设计与制作 -半导体激光技术半导体激光技术半导体激光二极管的主要参数半导体激光二极管的主要参数 半导体激光二极管的常用参数主要有：波长、阈值电流Ith、工作电流Iop、垂直发散角、水平发散角、监控电流Im。(1)波长：即激光管工作波长，常见的激光二极管的波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。激光二极管的波长可以由波长计测得。(2)阈值电流Ith：随注入电流增加，激光器首先是渐渐地增加自发辐射，直至它开始发生受激辐射。最感兴趣的参数是开始发生受激辐射时的精确的电流值通常把这个电流值称之为阈值电流，它是一个
2、正向电流，并用符号Ith表示。(3)工作电流Iop：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。(4)垂直发散角：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在 1540左右；水平发散角：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6 10左右。半导体激光二极管的主要参数半导体激光二极管的主要参数半导体激光器的输出特性半导体激光器的输出特性PIIthPI曲线曲线输出功率与注入电流的关系输出功率与注入电流的关系半导体激光二极管的电流特性半导体激光二极管的电流特性 acbo半导体激光器的输出特性半导体激光器的输出特性半导体激光器的输出特性半导体激光器
3、的输出特性半导体激光器的输出特性半导体激光器的输出特性o-a 段，由于激光器只有在被加上足够的电压和足够的电流才会生成激光。在电流较小的时候，结区的电子和空穴较少，吸收大于辐射，增益系数G0 时，就会出现光放大现象，此时激光器发出很亮的荧光。但若增益小于谐振腔自身的损耗，腔内仍不能产生光振荡，这就是“超辐射”现象。b-c段，只有电流增大到使增益足以补偿损耗时，才能产生模式明确、谱线尖锐的光振荡，发出激光。刚好使激光器产生激光的驱动电流称为阈值电流，以Ith表示。功率随电流的增大线性增大 半导体激光器的注入电流的变化导致的载流子浓度的变化不但会引起材料折射率的改变，而且也会改变增益系数。因此半导
4、体激光器的波长会随着注入电流的改变而改变。典型的电流调谐曲线是以阶梯形式变化的。12g 2n kn 为传输常数的变化量为传输常数的变化量 nn为折射率的变化量为折射率的变化量 gg为增益系数的变化量为增益系数的变化量 为线宽增加因子为线宽增加因子 电流特性电流特性-电流对波长的调谐电流对波长的调谐半导体激光二极管的的温度特性半导体激光二极管的的温度特性 半导体激光器的输出特性半导体激光器的输出特性输出功率及阈值电流与温度的关系输出功率及阈值电流与温度的关系输出功率及阈值电流与温度的关系输出功率及阈值电流与温度的关系输出功率及阈值电流与温度的关系输出功率及阈值电流与温度的关系输出功率及阈值电流与
5、温度的关系输出功率及阈值电流与温度的关系输出功率及阈值电流与温度的关系输出功率及阈值电流与温度的关系 因为PN结受温度影响较大，所以，温度的微小变化将影响半导体激光器阈值特性、输出功率以及波长等特性。一，在同一温度条件下，当电流小于某一值时，功率接近零值；当电流超过该值时，功率随电流增长直线上升，这个值称之为LD的阈值；二，阈值电流随温度升高而增大，于是整个激光管的特性曲线基本上随温度的变化而平行移动；三，如果LD在恒定的电流下工作，当环境温度发生变化时，LD输出功率也随之变化。输出功率显著下降，即温度增大会使 P-I 特性发生劣化。半导体激光器的输出特性半导体激光器的输出特性半导体激光器的输
6、出特性半导体激光器的输出特性半导体激光器的输出特性半导体激光器的输出特性输出波长与激光二极管温度的关系输出波长与激光二极管温度的关系温度特性温度特性-温度对波长的调谐温度对波长的调谐产生调谐的主要原因：产生调谐的主要原因：禁带宽度随禁带宽度随温度升高变窄，温度升高变窄，半导体半导体激光器的激光器的波长发生红移。典型的温波长发生红移。典型的温度调谐曲线如图所示，随着温度的度调谐曲线如图所示，随着温度的升高，半导体激光器的发射波长以升高，半导体激光器的发射波长以阶梯形式跳跃变化，跳跃是由温度阶梯形式跳跃变化，跳跃是由温度变化引起的增益曲线的移动导致的变化引起的增益曲线的移动导致的纵模之间的跳变引起
7、的。纵模之间的跳变引起的。半导体激光器的方案设计半导体激光器的方案设计 通过以上分析，可以得出对半导体激光器驱动电源的要求如下：(1)能够对 LD 进行驱动；(2)能够对 LD 驱动电流进行稳恒控制；(3)能够对 LD 工作温度进行控制；半导体激光器的方案设计半导体激光器的方案设计常用的半导体激光器的电流驱动的控制框图 电流驱动部分：用户可以通过工作模式选择电路来确定驱动电路的工作方式，可以是ACC模式，也可以是APC模式。工作时，由设定电路设置驱动电流大小（ACC）或者设置激光器输出光功率的大小（APC）。当用户设置驱动电路工作在 ACC 模式时，采样电阻通过对输入LD的电流采样，然后反馈给
8、比较控制器，从而形成电流负反馈回路；当用户设置驱动电路工作在 APC 模式时，PD（光电二极管）接收LD一小部分输出光功率，并转化成光功率检测电流，该电流通过电流电压转换后，将光功率采样值反馈给比较控制电路，形成闭环负反馈控制回路。半导体激光器的方案设计半导体激光器的方案设计常用的半导体激光器的温度控制框图 温度控制部分：如图所示，半导体激光器的温度经温度传感器（热敏电阻）采集，送入比较器，比较器把采集到的温度信号与设定的控制温度进行比较。经过比例积分微分控制(PID Controller,Proportional-Integral-Differential Controller)处理后通过改
9、变热电制冷器的驱动电流大小及电流方向达到控制激光器工作温度的目的，进而对半导体激光器进行制冷或加热，从而保证了半导体激光器温度的稳定。比较器温度采集控制电流半导体激光器控温系统的核心元件半导体激光器控温系统的核心元件半导体制冷块 半导体制冷器，也称热电制冷器，其英文名称为 Thermo Electric Cooler，简称 TEC。它是一种利用珀耳帖(Peltier)效应工作，能起小型热泵作用的半导体电子器件，可以用于制冷，也可以用于加热。半导体制冷器的基本结构如图所示。半导体制冷器具有如下优点：结构简单，整个制冷器由电热堆和导线组成，无制冷工质，无磨损。寿命长，工作可靠性高，工作环境要求低。
10、制冷温度和冷却速度可以通过工作电流来控制，控制灵活、启动快。工作具有可逆性，将工作电流反向，即成为加热器。控制精度高，控制温度范围大，制冷速度快。（40（一级）和60（二级）半导体制冷器从热负载抽运热量的速度取决于模块所含 TEC 的数量、通过的工作电流大小、模块的平均温度以及两端的温差。半导体激光器控温系统的核心元件半导体激光器控温系统的核心元件珀耳帖(Peltier)效应当有电流通过不同的导体组成的回当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。的不同会分
11、别出现吸热、放热现象。如果电流从自由电子数较高的一端如果电流从自由电子数较高的一端A流向自由电子数较低的一端流向自由电子数较低的一端B，则，则B端的温度就会升高；反之，端的温度就会升高；反之，B端的端的温度就会降低。这是温度就会降低。这是J.C.A.珀耳帖珀耳帖在在1834年发现的。年发现的。半导体激光器控温系统的核心元件半导体激光器控温系统的核心元件半导体制冷块的安装 以导热系数很高的铜为热沉，半导体激光器安放在热沉的一个面上。半导体制冷器置于散热片和铜热沉之间，通过改变热沉的温度去控制半导体激光器的温度。温度传感器在紧贴热沉安装的同时应尽可能的靠近激光管。为了散热片上的热量能迅速的释放，在
12、散热片上加装强制风冷，以保证长时间稳定工作。为了最大限度地减小制冷器端面与散热片、制冷器与热沉端面的热阻，在保证它们的接触面平整的同时，在各端面上均匀涂敷导热硅脂。半导体激光器控温系统的核心元件半导体激光器控温系统的核心元件温度传感器 半导体激光器温度控制系统的控温过程是：比较器将采样温度和设置温度之间的差值作为输入变量，然后采用 PID 控制算法，对其计算产生相应的控制量。控制变量经由驱动电路，产生相应的电流输入 TEC，对安装在 TEC 上的被控器件既半导体激光器进行加热或制冷，同时，其温度有被热敏电阻反馈到数据采样电路，从而改变输出电流大小，直到 LD 的温度稳定在设置温度。温度传感器依
13、据自身材料的特点可以将温度信号转变为电信号，目前常见的温度传感器主要有热电偶、热敏电阻和集成温度传感器。热敏电阻是一种用半导体材料制成的敏感元件，它是电阻随温度变化的热敏器件，因此它又可以分为正温度系数热敏电阻(PTC，电阻值随温度的升高而增大)和负温度系数热敏电阻(NTC，电阻值随温度的升高而减小)，可测温范围-55oC-300oC。外腔式半导体激光器控制电路的设计 恒温控制结构设计温度控制模型温度控制模型外腔式半导体激光器控制电路的设计 恒温控制结构设计高精度转换放大高精度转换放大电路模块电路模块 该模块其主要功能是输出线性的电压：当温度为该模块其主要功能是输出线性的电压：当温度为0 0时
14、输出时输出0V0V电电压，温度为压，温度为2020时输出时输出2V2V电压，即温度升高电压，即温度升高1 1对应的电压输出对应的电压输出就升高就升高0.1V0.1V。外腔式半导体激光器控制电路的设计 恒温控制结构设计基准设置电路基准设置电路模块模块 要控制激光器的温度，必须要有一个设置基准温度的模块，这样要控制激光器的温度，必须要有一个设置基准温度的模块，这样才能使激光器稳定在基准温度上，它为比较转换电路提供基准电才能使激光器稳定在基准温度上，它为比较转换电路提供基准电压，进而是压，进而是PIDPID模块作出准确判断的基础，如果基准本生有扰动，模块作出准确判断的基础，如果基准本生有扰动，那么最
15、后的温度必定也会存在扰动。那么最后的温度必定也会存在扰动。外腔式半导体激光器控制电路的设计 恒温控制结构设计比较放大电路模块比较放大电路模块 Verr=10(Vact-Vset)高精度转换电路的输出电压信号与设置模块的输出信号进入这个高精度转换电路的输出电压信号与设置模块的输出信号进入这个模块进行比较放大，以产生实际温度与设置温度之间的误差信号。模块进行比较放大，以产生实际温度与设置温度之间的误差信号。外腔式半导体激光器控制电路的设计 恒温控制结构设计PID电路模块电路模块 0()()()()tppiiddde tV tn K e tn Ke t dtn KdtPIDPID模块如图模块如图3-
16、93-9，是整个温度控制电路里非常核心的部分，也是，是整个温度控制电路里非常核心的部分，也是相对比较复杂的，调试起来也比较困难。但其对于温度稳定度的相对比较复杂的，调试起来也比较困难。但其对于温度稳定度的提高是毋庸置疑的，目前基于提高是毋庸置疑的，目前基于PIDPID控制理论的温度控制电路一般都控制理论的温度控制电路一般都可以达到可以达到0.010.01的温度稳定度。的温度稳定度。外腔式半导体激光器控制电路的设计 恒温控制结构设计TEC驱动电路模块驱动电路模块 由于由于PIDPID的输出级的带负载能力有限，还不足以提供的输出级的带负载能力有限，还不足以提供1A1A左右的左右的电流、接近电流、接
17、近20W20W的功率来驱动的功率来驱动TECTEC制冷片，所以需要通过互补推制冷片，所以需要通过互补推勉放大电路来驱动勉放大电路来驱动TECTEC制冷片。制冷片。上上图是一种克服交越失真的互图是一种克服交越失真的互补推勉电路。它是通过在两支三极管的发射极上加一定的直流补推勉电路。它是通过在两支三极管的发射极上加一定的直流偏置，使其工作在微导通状态来实现的偏置，使其工作在微导通状态来实现的Hitachi HL7851G Hitachi HL7851G 多量子阱激光二极管多量子阱激光二极管输出光波长：输出光波长：785nm785nm最大输出光功率：最大输出光功率：50mw50mw腔长：腔长：600
18、600微米微米波长的电流调谐率：波长的电流调谐率：0.004nm/mA0.004nm/mA波长的温度调谐率：波长的温度调谐率：0.05nm/0.05nm/C C增益介质增益介质 GaAlAsGaAlAs标称参数：标称参数：工作温度工作温度2525C C时时 半导体激光器的空间模式可以分为空间模和纵模，空间模描述光强在空间几何位置上的的分布,也称为远场分布，纵模表示的是一种频谱,反映了半导体激光器发射光束在不同频率(波长)分量上的功率分布，这两种空间模式都有可能是单模或者是多个模式。半导体激光器发射方式有为面发射和边发射,我们平时所说的半导体激光器都是边发射激光器，边发射半导体激光器不是圆对称的
19、波导结构,并且在垂直于结平面方向(横向)和平行于结平面方向(侧向)具有不同的波导结构，不同的波导结构对于光场就有不同的限制作用，所以,半导体激光器的空间模式又分为横模与侧模。如下图所示。半导体激光器的空间模（横模）半导体激光器的空间模（横模）半导体激光器的有源层厚度很薄,都能保证在单横模工作,而有源区宽度较大,在管芯的发光面上的侧向出现很多侧模,在近场，远场的侧向对应的光强分布如下图所示，这种多侧模的出现以及这些侧模的不稳定性,使半导体激光器的P一I曲线变坏，同时,这种多侧模的出现极大限制了半导体激光器在实际中的应用，这些多侧模的出现影响了半导体激光器发出的光与光纤的耦合效率,同时,这些侧模的
20、不稳定性也影响光纤输出功率的稳定性。半导体激光器的空间模（横模）半导体激光器的空间模（横模）半导体激光器的光束准直系统 有多侧模半导体激光器的近场和远场 由于半导体激光器发光区域几何尺寸的不对称性,使其光波在远场上呈椭圆形分布,在实际应用中，需用通过光学系统对这种椭圆形的光斑进行准直,圆化处理。可以通过外部光学系统来压缩半导体激光器的发散角以实现相对准直的光束,但是这些会损失一部分的光功率。如果将从半导体激光器发出的激光近似为高斯分布的点光源。可以用如图所示的准直光学系统。有多侧模半导体激光器的近场和远场 半导体激光器的光束准直系统 由于半导体激光器发光区域几何尺寸的不对称性,使其光波在远场上
21、呈椭圆形分布,在实际应用中，需用通过光学系统对这种椭圆形的光斑进行准直,圆化处理。可以通过外部光学系统来压缩半导体激光器的发散角以实现相对准直的光束,但是这些会损失一部分的光功率。如果将从半导体激光器发出的激光近似为高斯分布的点光源。可以用如图所示的准直光学系统。半导体激光器的光束准直系统 由于半导体激光器发光区域几何尺寸的不对称性,使其光波在远场上呈椭圆形分布,在实际应用中，需用通过光学系统对这种椭圆形的光斑进行准直,圆化处理。可以通过外部光学系统来压缩半导体激光器的发散角以实现相对准直的光束,但是这些会损失一部分的光功率。如果将从半导体激光器发出的激光近似为高斯分布的点光源。可以用如图所示
22、的准直光学系统。半导体激光器的光束准直系统 半导体材料中原子按一定规律紧密排列,由于原子间构成共价键结构,各原子之间保持一定的距离形成空间的周期性势场，电子在这样的周期性势场中的形成了带状的能量本征态，最外层价电子相对应的能带叫做价带,价带上面的能带称为导带,导带底和价带顶的部分称为禁带,其宽度称为带隙，激光器发出的光是由电子从导带跃迁到价带时辐射出来的,所以输出光的频率首先由带隙大致确定。半导体激光器的频率半导体激光器的频率(纵模纵模)调谐特性调谐特性 激光器可以输出的激光频率还要受到谐振腔的限制，只有频率满足v=kc/2nL,n和L分别为半导体材料的折射率和长度，c为光速，k为大于0的整数
23、。因此：改变腔长因此：改变腔长,或者半导体介质的折射率或者半导体介质的折射率,或者改变增益曲线的位置或者改变增益曲线的位置,就能对激光器波长就能对激光器波长进行调谐，通常通过改变温度和电流来达到这个目的。进行调谐，通常通过改变温度和电流来达到这个目的。结论：半导体激光器二极管输出的激光存在多个纵模。激光二极管内部谐振腔决定的纵模频率为：激光二极管内部谐振腔决定的纵模频率为：v=kc/2nL那相应的纵模间隔为：那相应的纵模间隔为：v=c/2nL每个纵模的半高全宽每个纵模的半高全宽(线宽线宽)为为：半导体激光器输出的激光的线宽半导体激光器输出的激光的线宽(1R)/2LkcnR 结论：结论：反射率越
24、高反射率越高，或者腔长越长或者腔长越长,激光的线宽越窄激光的线宽越窄。现有。现有激光二级管输出的激光的线宽约几十兆到上百兆激光二级管输出的激光的线宽约几十兆到上百兆 首先，尽管激光二极管输出的每个单模的线宽较窄，但输出光束是多纵模的，首先，尽管激光二极管输出的每个单模的线宽较窄，但输出光束是多纵模的，其单色性由激活介质的辐射线宽所决定。激光的单色性好表现在其单模上，因此其单色性由激活介质的辐射线宽所决定。激光的单色性好表现在其单模上，因此要使激光真正表现出很高的单色性来，在技术上还需解决一个问题，就是从多模要使激光真正表现出很高的单色性来，在技术上还需解决一个问题，就是从多模中提取单模。中提取
25、单模。其次，其次，基于光与原子相互作用需要用激光来和原子的超精细能级相作用基于光与原子相互作用需要用激光来和原子的超精细能级相作用,对激光的线宽要求很窄，对激光的线宽要求很窄，87Rb的超精细能级的自然线宽约的超精细能级的自然线宽约6MHz，因此，因此要想激光的线宽低于要想激光的线宽低于MHz量级，需要对其线宽进行压窄。量级，需要对其线宽进行压窄。怎么办？怎么办？问题：问题：发展了多种基于外部光学反馈的技术手段，来解决上述问题。发展了多种基于外部光学反馈的技术手段，来解决上述问题。外部光反馈：外部光反馈：在半导体激光器之外附加了外反馈元件后，将加大各个模式在半导体激光器之外附加了外反馈元件后，
26、将加大各个模式之间的损耗差别，外反馈仅允许一个较窄波长范围内的光能返回到激光二极之间的损耗差别，外反馈仅允许一个较窄波长范围内的光能返回到激光二极管的发光区，相当于在反馈范围内的模式的损耗曲线急剧下降。其增益损耗管的发光区，相当于在反馈范围内的模式的损耗曲线急剧下降。其增益损耗差比中心处的大很多，因此，通过增益饱和模式竞争差比中心处的大很多，因此，通过增益饱和模式竞争,将只允许反馈范围内的将只允许反馈范围内的模式存在，而其他波长处的模式被抑制。模式存在，而其他波长处的模式被抑制。外腔半导体激光器外腔半导体激光器：是在半导体激光器是在半导体激光器(激光二极管激光二极管)的外部引入外反馈元的外部引
27、入外反馈元件构成的。激光二极管件构成的。激光二极管(LD)(LD)的自然解理面构成外腔半导体激光器的内腔，内腔的自然解理面构成外腔半导体激光器的内腔，内腔还可以称为本征腔；外反馈元件与芯片端面构成的谐振腔为外腔，平面反射镜，还可以称为本征腔；外反馈元件与芯片端面构成的谐振腔为外腔，平面反射镜，光栅，光栅，F F一一P P标准具以及这些元件的组合都可以作为外腔半导体激光器的外反馈标准具以及这些元件的组合都可以作为外腔半导体激光器的外反馈元件。在各种外反馈元件中，光栅是目前应用最为普遍的外反馈元件。元件。在各种外反馈元件中，光栅是目前应用最为普遍的外反馈元件。(1 R)/2LkcnRsind光栅光
28、栅1级衍射光满足布拉格条件级衍射光满足布拉格条件二极管线宽二极管线宽影响激光频率及线宽的因素影响激光频率及线宽的因素:有源层的增益曲线有源层的增益曲线,内腔模内腔模,外腔模外腔模,光栅外腔激光器压窄线宽的原理光栅外腔激光器压窄线宽的原理影响激光器频率的因素 有源层的增益曲线有源层的增益曲线-温度和注入电流温度和注入电流 内腔模内腔模-在选购二极管过程中可以选择在选购二极管过程中可以选择 外腔模外腔模-调整外腔的腔长调整外腔的腔长,外腔模就会移动外腔模就会移动,外腔激光外腔激光器的频率也就随着改变器的频率也就随着改变 根据光栅反馈的不同构型又可分为根据光栅反馈的不同构型又可分为LittrowLi
29、ttrow和和LittmanLittman两种方式：两种方式：在在LittrowLittrow方式中，经方式中，经光栅衍射后产生的一级衍光栅衍射后产生的一级衍射光直接沿入射光路反馈射光直接沿入射光路反馈回激光器，零级光作为输回激光器，零级光作为输出光。出光。LittmanLittman方式中，经光栅衍射方式中，经光栅衍射后产生的一级衍射光先投射到一后产生的一级衍射光先投射到一个反射镜上，由反射镜原路反射个反射镜上，由反射镜原路反射回光栅，产生第二次衍射使一级回光栅，产生第二次衍射使一级衍射光反馈回激光器。衍射光反馈回激光器。在在Littrow方式中，经光栅方式中，经光栅衍射后产生的一级衍射光直
30、接沿衍射后产生的一级衍射光直接沿入射光路反馈回激光器，零级光入射光路反馈回激光器，零级光作为输出光。所以我们可以通过作为输出光。所以我们可以通过改变光栅角度来使不同波长的光改变光栅角度来使不同波长的光反馈回激光二极管。反馈回激光二极管。结构简单，调节更容易，可结构简单，调节更容易，可以满足线宽要求，功率输出更大。以满足线宽要求，功率输出更大。缺点：出射光方向会变缺点：出射光方向会变 Littman型外腔半导体激光器通过平动型外腔半导体激光器通过平动平面反射镜来改变外腔的腔长，同时，使平面反射镜来改变外腔的腔长，同时，使平面反射镜绕轴转动来以改变入射到闪耀平面反射镜绕轴转动来以改变入射到闪耀光栅
31、的激光波长。光栅的激光波长。在在Littman型外腔结构中，半导体激光型外腔结构中，半导体激光器发射的光掠入射到到光栅，那么在光栅器发射的光掠入射到到光栅，那么在光栅常数固定的情况下，光束能够覆盖更多的常数固定的情况下，光束能够覆盖更多的光栅刻线，就可以得到比光栅刻线，就可以得到比Littrow结构更窄结构更窄的谱线宽度。的谱线宽度。缺点：功率损耗大。缺点：功率损耗大。LittrowLittrow和和LittmanLittman两种结构半导体激光器的优缺点：两种结构半导体激光器的优缺点：LittmanLittman结构半导体激光器的功率损耗：结构半导体激光器的功率损耗：光束的入射角过大会导致光
32、栅衍射效率的下降，而且，光束的入射角过大会导致光栅衍射效率的下降，而且，Littman结构加结构加大了腔内损耗。故在相同的工作条件下，大了腔内损耗。故在相同的工作条件下，Littman结构输出功率要比结构输出功率要比Littrow结构小很多结构小很多。LittrowLittrow和和LittmanLittman两种结构半导体激光器的参数对比：两种结构半导体激光器的参数对比：由于有两个腔存在,波长要同时满足两个腔的谐振条件很困难,还要满足光栅的衍射条件所以用普通的FP激光二极管+衍射光栅做成的外腔激光器虽然单模线宽很窄，但是能以单模工作的波长小范围只是许多个很窄的小区域，并且十分难寻找，其它区域
33、都是跳模或者多模方式，严重影响了调谐性能,激光器甚至会以脉冲方式工作，其实内腔对线宽压窄没有太大意义，一般的外腔激光器都使用专门的一面镀了增透膜(反射率0.005%)的激光二极管做泵浦，这样相当于只有高反膜和衍射光栅之间的一个谐振腔起作用，使用衍射光栅形成外腔反馈后半导体激光器的线宽被压窄至数百kHz的量级，并且激光器工作非常稳定,能满足大多数包括原子物理在内的科学实验的要求。增透膜并不能完全在所有的波长上消除反射,所以内腔的作用还是存在的，这使得在改变波长的时候容易发生跳模，多模，严重时甚至会出现脉冲光，引起激光器不稳定，为了抵消这种效应,可以提高光栅的衍射效率，使得反馈回来的光强增加，压制
34、内腔模，使激光器稳定，但这样又使得激光器的输出功率减小，在实际情况中，两者往往需要根据需要来折中。实际情况实际情况光栅反馈外腔激光器结构设计光栅反馈外腔激光器结构设计 半导体激光器的整体结构框图光栅反馈外腔激光器结构设计核心元件光栅反馈外腔激光器结构设计核心元件半导体激光二极管温控仪电流源准直透镜准直套筒压电驱动器光栅波长计功率计半导体激光二极管光栅反馈外腔激光器的制作过程光栅反馈外腔激光器的制作过程 粗调：1,二极管的安装二极管的安装：将激光二极管装在一个由半导体制冷器控温的热沉上，其温度由热敏电阻测量，激光器的工作温度由控温电路控制。2，空间整形空间整形：激光二极管出射的是椭圆形发散的光束
35、，因此需要用准直透镜来改善光束的截面形状，减少边缘发散光。激光器输出光经由一个直径为10mm、焦距4.5mm的准直透镜准直，仔细调整，使光斑大小在3米以内基本保持不变形，光斑为一长条形，使光斑长边方向基本位于水平方向，此时激光光束为垂直偏振，并在水平面传播。3，光栅调节光栅调节：二极管输出的光入射到光栅上，使光斑位于光栅的中央部分。光栅安装在光栅架上，同时压电陶瓷安装在光栅架的调节螺丝和光栅架的活动内表面之间，压电陶瓷根据高压直流放大器加在它上面的电压的大小，产生不同大小的形变，从而带动光栅在轴向上转动，改变光栅角度，达到调节输出激光频率的目的。一级衍射和入射光重合：一级衍射和入射光重合：光栅
36、是倾斜着安装的，其刻线方向为竖直方向，经过光栅的零级衍射输出，而一级衍射反馈回激光器内，有效的外腔长度约为40mm。调节光栅反馈的关键是使一级衍射光沿着入射光的路径原路反馈回激光二极管。在激光器工作电流为70mA左右时，在准直透镜与光栅之间靠近准直透镜的地方放一小孔光阑，使用红外View观测光阑确认小孔位置大约在光斑的中心，然后将红外View再放置到光阑的另一面观测由光栅衍射回来的一级衍射光在光阑上呈现的小光点是否与激光束透过小孔呈现的小光点重合。通过调节基板上的两个螺钉来调节光栅的俯仰，使两个小光点重合，也就是光栅反馈的一级衍射和入射光重合。在这个过程中，应保证两个调节螺丝在两个方向上都还有
37、调节余量。当两个小光点重合后，就可以取走小孔光阑。光栅反馈外腔激光器的制作过程光栅反馈外腔激光器的制作过程 细调：一级衍射和入射光重合细调：一级衍射和入射光重合细调：激光器的工作电流降低，探测光的输出光强会降的很低，这表示激光器的注入电流低于阈值(约25mA)。微调光栅的俯仰，使一级衍射光在垂直平面上来回在微小移动。我们可以看到在适当的调节位置时观测屏上的光强突然增大。这表明，一级衍射光已经反馈回激光二极管中了，使激光器的闭值电流降低，在原来不能发射激光的电流下，现在也能发射激光。然后把驱动电流继续降低一些，再次调节光栅的俯仰，使输出光光功率增大，如此反复多次调节，直到达到最佳的反馈，这时，激
38、光器的阈值变得很低。把激光器的工作电流升高，激光器应该在它的自由运转波长附近工作并受到光栅的反馈控制。至此，光栅的反馈己经基本调好。波长的调节：测量激光器的波长，若是没有到想要的波长波长的调节：测量激光器的波长，若是没有到想要的波长，需要对其进行调节，若是波长距离想要波长太远，需要调节温度、电流等参数，若是较近，可以通过外腔来调节，当使入射光与光栅法线的夹角变化时，激光输出波长变化，调节光栅转角，使激光器输出波长向想要波长靠近。在调节过程中，激光输出波长有可能对于光栅转角变化不敏感或者波长只能在较小范围内连续可调然后在继续增大光栅转角时波长值发生跳变，这表明光栅的反馈调节还不够好，光反馈比较弱
39、。也有可能是光栅的俯仰调节和转角调节并不是完全独立的，在调节光栅转角的过程中，使光栅的俯仰有了微小的变化。这样的话光栅的反馈状态己经发生变化，需要重复前面调节光栅反馈的过程继续降低激光器的阂值，改善光栅对二极管的反馈效率，然后继续调节光栅反馈的角度来改变激光器的波长。经过这样不断优化反馈效率并改变反馈角度使激光器输出波长逐步逼近想要波长，并调节压电陶瓷上的偏置电压和微调注入电流，甚至在配合激光器的控制温度微调激光的频率，就可以实现想要的波长。注意：注意：在以后的使用中，常常出现波长不能重现的现象，这主要是温度变化带来机械结构的形变改变了光栅反馈的状态而引起的。但一般都不必改变激光器的工作温度，
40、只需要微调压电陶瓷上的偏置电压以及激光器注入电流就可以找到对应波长。1st Trap low-energy atoms:optical molasses with laser traps.Still not cold enough!http:/www.colorado.edu/physics/2000/bec/index.html1997Chu,Cohen,Phillips2nd Trap those cold atoms in a magnetic trap and do evaporative cooling:T nK!Cornell,Ketterle,Weiman2001 Light s
41、peed reduction Nature publication:17 metres per secondin an ultracold atomic gasLaser cooling Quantum information Information storage and readout,quantum information transformation 考虑到系统的整体稳定性考虑到系统的整体稳定性,将半导体激光器、准直透镜、光栅及其镜架将半导体激光器、准直透镜、光栅及其镜架固定在一块较厚的底板上固定在一块较厚的底板上,并罩在有机玻璃罩内减小空气流动的影响。并罩在有机玻璃罩内减小空气流动的影响。光栅反馈半导体激光器光栅反馈半导体激光器闪耀闪耀光栅光栅PZTLD准直透镜准直透镜
