基于棱鏡擴(kuò)束的光柵外腔半導(dǎo)體激光器的研究.pdf

1、外腔半導(dǎo)體激光器在縱模模式、激光線寬、調(diào)諧范圍、波長穩(wěn)定度等方面具有突出優(yōu)點(diǎn)，在光頻標(biāo)、高分辨光譜、原子物理學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。激光器的線寬作為一個很重要的指標(biāo)，一直受到了人們的關(guān)注。
　　在本文中，利用棱鏡擴(kuò)束的新方案被提出用于外腔半導(dǎo)體激光器線寬的壓窄。最開始介紹了激光二極管的基本工作原理，分析了半導(dǎo)體二極管外腔對線寬壓窄的作用，同時介紹了光柵作用下連續(xù)可調(diào)等理論，隨后對棱鏡擴(kuò)束原理與色散壓窄線寬進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)和搭

2、建了基于棱鏡擴(kuò)束的光柵外腔半導(dǎo)體激光器，給出了設(shè)計(jì)方案和機(jī)械圖紙，并完成了加工和組裝。建立了激光器一般主動穩(wěn)頻的數(shù)學(xué)模型，對穩(wěn)頻模型進(jìn)行了仿真，通過雙重PID控制改進(jìn)了穩(wěn)頻鎖定方案，實(shí)現(xiàn)了激光器的長時間鎖定。對激光器的一般性能進(jìn)行了數(shù)據(jù)記錄，得到了注入電流、控溫溫度、激光功率、輸出波長四個參量之間的關(guān)系。最后利用拍頻實(shí)驗(yàn)與自外差實(shí)驗(yàn)，對比了改進(jìn)型的激光器與原有激光器之間的輸出激光線寬，進(jìn)一步證實(shí)了棱鏡擴(kuò)束對外腔半導(dǎo)體激光器壓窄線寬的貢獻(xiàn)

3、。具體包括以下幾個方面：
　　1.概述了外腔半導(dǎo)體激光器的工作原理。首先分析了激光二極管激發(fā)激光的機(jī)理，通過對二極管內(nèi)腔與擴(kuò)展外腔的理論分析和計(jì)算，介紹了外腔在調(diào)諧和線寬壓窄中的貢獻(xiàn)，然后通過對光柵基本方程的介紹，分析了其一般的調(diào)諧過程，并給出了機(jī)械設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的方案。其次，介紹了外腔半導(dǎo)體激光器中的濾波方法，主要通過色散濾波器件——棱鏡擴(kuò)束器與光柵的建模分析，深入探討了色散對線寬壓窄的作用，通過對線寬表達(dá)式的深入探討，最后

4、計(jì)算了棱鏡擴(kuò)束的光柵外腔半導(dǎo)體激光器線寬公式。
　　2.介紹了基于棱鏡擴(kuò)束外腔半導(dǎo)體激光器的實(shí)現(xiàn)方案，以及選擇與確定了激光器各個組件的參數(shù)，詳細(xì)地分析了各個部件的安裝方式和機(jī)械結(jié)構(gòu)需求，然后利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了激光器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，完成了機(jī)械加工與組裝。其次分析了激光器控制電路組成，著重介紹了半導(dǎo)體二極管驅(qū)動電路與系統(tǒng)溫度控制電路。最后完成了整個激光器的組裝搭建和波長穩(wěn)定輸出。
　　3.提出了一種新的激光穩(wěn)頻溫度和

5、PZT控制方案。利用雙重比例-積分-微分電路（PID）同時控制激光器中的壓電陶瓷和控溫元件，可以同時克服快速的與緩慢的外界擾動，滿足長期鎖定的要求。理論上建立了激光器主動穩(wěn)頻系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了環(huán)境因素的影響，并在模型中引入了擾動項(xiàng)，得出單調(diào)連續(xù)變化的環(huán)境擾動將帶來穩(wěn)態(tài)誤差。仿真結(jié)果表明雙重控制鎖相環(huán)可以改善這種穩(wěn)態(tài)誤差，并且在調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量等方面也具有明顯的優(yōu)勢。最后通過標(biāo)準(zhǔn)具PDH穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)，將激光器鎖在了標(biāo)準(zhǔn)具穩(wěn)定的腔模上，鎖定