如何搭建激光穩(wěn)頻的閉環(huán)控制系統(tǒng)

半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻簡介

簡介

窄線寬連續(xù)激光器廣泛應(yīng)用于原子、分子以及物理光學(xué)領(lǐng)域，在精密測量設(shè)備中有著舉足輕重的作用。那些并不帶有波長穩(wěn)頻技術(shù)的激光器，其短時間穩(wěn)定性不適合很多應(yīng)用。本文檔將會給您介紹一種簡單而強大的主動穩(wěn)頻技術(shù)，控制并且穩(wěn)定連續(xù)激光的波長，使其成為高精細(xì)光學(xué)諧振腔。精密光譜學(xué)和原子分子操控技術(shù)得益于該穩(wěn)頻技術(shù)，并且在過去的幾十年發(fā)展迅猛。

影響激光器頻率穩(wěn)定性的因素有很多：溫度變化、機械震動、大氣變化、磁場等等。穩(wěn)頻的本質(zhì)是保持諧振腔光程長度的穩(wěn)定性。

下文中我們會介紹如何搭建激光穩(wěn)頻的閉環(huán)控制系統(tǒng)及其特點，和所需要的設(shè)備。

閉環(huán)控制基礎(chǔ)

一個基本的反饋控制系統(tǒng)如下圖描述。激光器輸出的一部分光被探測器采集（鑒頻器），輸出誤差信號，伺服控制器分析采樣，并與標(biāo)準(zhǔn)頻率對比，自動調(diào)節(jié)腔長，將激光頻率恢復(fù)到特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率上，從而實現(xiàn)穩(wěn)頻的目的。

不同的激光器頻率固有噪音以及線寬差異很大，主要依賴于諧振腔的設(shè)計，增益介質(zhì)的特性，以及一些其他參數(shù)，比如固體激光器的泵浦源的波動，機械振動等等。在半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)中，較大的自發(fā)輻射速率也會帶來頻率/相位的噪音。

為了探測到激光器的頻率的波動，就需要一個非常穩(wěn)定的參考頻率做比較。常用的做法是利用一個高精細(xì)結(jié)構(gòu)的法布里—珀羅腔，可以提供一定時間內(nèi)的穩(wěn)定性。法布里—珀羅腔的共振頻率（Vm）取決于腔長L，可以表述為：Vm = m(c/2L)。諧振腔的機械結(jié)構(gòu)隨著時間會有漂移（長時間穩(wěn)定不會很好），但是可以提供很好的短期穩(wěn)定性（~秒）。為了將激光器的頻率緊緊地鎖在法布里—珀羅腔的共振頻率上，必須要能快速的探測到該共振信號，并且具有較高的信噪比SNR。這是反饋系統(tǒng)中ju有挑戰(zhàn)的地方，而且會決定整個系統(tǒng)的性能。

PDH實驗圖，EOM是電光調(diào)制器，

PBS：偏振分光鏡，1/4：四分之一波片

激光器的頻率和參考共振頻率的差異經(jīng)過鑒頻器會轉(zhuǎn)化為電壓信號，鑒頻器的轉(zhuǎn)換效率D的單位為V/Hz。鑒頻器輸出的電壓，或者稱為“誤差信號”，可以有好幾種方法獲得。hao的辦法是用F-P腔的相位特性穩(wěn)頻(Pound-Drever-Hall,PDH)。首先利用電光調(diào)制器對激光做相位調(diào)制，在激光載波兩側(cè)產(chǎn)生兩個振幅相等，相位相反的邊頻（忽略高階邊頻）。F-P腔*與入射激光共振時，兩邊頻被F-P腔反射的強度相等，它們與載頻產(chǎn)生拍頻后的信號大小相等，相位相反，故*抵消，輸出誤差信號為零。如果入射激光與F-P腔不*共振，兩邊頻被F-P腔反射的強度不等，拍頻后的信號相位相反，但強度不等，故輸出誤差信號不為零。誤差信號經(jīng)過校正電路輸出到腔長控制器中，從而調(diào)節(jié)激光器諧振腔。

PDH穩(wěn)頻控制中需要使用要求比較苛刻的產(chǎn)品，New Focus可以提供絕大部分，包括相位調(diào)制器(New Focus 型號4001或者4003)，低噪音光電探測器（型號16x1-AC系列）。

小結(jié)

上述穩(wěn)頻方法可應(yīng)用于New Focus可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器TLB-7100，TLB-6700，TLB-6800系列。根據(jù)上述方法，自己搭建穩(wěn)頻系統(tǒng)，可以在一定程度上提高頻率穩(wěn)定性，但是僅僅作為一種穩(wěn)頻的開始。如果您需要讓激光器達到更*的性能，那么您需要考慮更多因素，如更高duan的伺服控制系統(tǒng)，更具穩(wěn)定性的參考諧振腔結(jié)構(gòu)等。

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