[發明專利]一種半導體激光器主動波長穩定方法

有效

• 申請號: 202010822463.1
• 申請日: 2020-08-17
• 公開（公告）號: CN111969412B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 蔡引娣;文志祥;謝波;凌四營;范光照
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01S5/0683
• 分類號: H01S5/0683;H01S5/0687;G01J9/00;G01M11/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 陳玲玉

1.一種半導體激光器主動波長穩定方法，其特征在于，包括波長誤差監測和波長穩定兩部分；其中所述波長誤差監測部分用于實時監測半導體激光器輸出波長的變化，所述波長穩定部分用于實現半導體激光器輸出波長的高精度穩定控制；

波長誤差監測部分包括半導體激光器(1)、第一聚焦透鏡(8)、第二聚焦透鏡(10)、第一四象限光電探測器(9)、第二四象限光電探測器(11)、第二溫度傳感器(7)、透射式衍射光柵(6)、數據處理系統；半導體激光器(1)發出的激光通過透射式衍射光柵(6)產生±1級衍射光；-1級衍射光通過第一聚焦透鏡(8)后打在第一四象限光電探測器(9)上，-1級衍射角的變化由第一四象限光電探測器(9)測得；+1級衍射光通過第二聚焦透鏡(10)后打在第二四象限光電探測器(11)上，+1級衍射角的變化由第二四象限光電探測器(11)測得；當環境溫度變化時，透射式衍射光柵基底材料發生熱脹冷縮，導致光柵柵距發生變化；通過第二溫度傳感器(7)探測出透射式衍射光柵基底材料的溫度變化；當半導體激光器輸出波長變化時，會導致±1級衍射光衍射角發生變化，該角度由第一四象限光電探測器(9)和第二四象限光電探測器(11)測得；半導體激光器的波長通過光柵衍射公式計算得到；利用數據處理系統計算出了半導體激光器不同時刻的輸出波長；其中將前后不同時刻輸出波長差值與控制目標波長范圍進行比較，實現半導體激光器輸出波長的變化量Δλ監測；

波長穩定部分包括：電熱絲(3)、銅片(4)、第一溫度傳感器(2)；波長穩定部分是將波長誤差監測部分測得的半導體激光器輸出波長誤差Δλ作為反饋信號，根據波長變化量Δλ、電熱絲驅動電壓和電熱絲溫度的關系，經數據處理系統，對電熱絲驅動電壓進行PID控制；進而通過改變纏繞在半導體激光器外殼上電熱絲的溫度來改變半導體激光器的輸出波長，以實現半導體激光器輸出波長的主動穩定；

所述的方法包括步驟如下：

步驟一：設定好半導體激光器(1)的波長變化量Δλ需要達到的目標波長變化范圍[-Δλ_目標，Δλ_目標]，根據該目標波長變化范圍確定纏繞在半導體激光器(1)外殼上電熱絲溫度的控制范圍；

步驟二：通過第一溫度傳感器(2)測得半導體激光器(1)溫度，改變電熱絲(3)兩邊驅動電壓，使得半導體激光器(1)達到預設溫度為T_預設；將此時電熱絲兩邊驅動電壓設置為初始電壓；

步驟三：半導體激光器(1)發射出激光，經透射式衍射光柵(6)后得到±1級衍射光；-1級衍射光經過第一聚焦透鏡(8)后打在第一四象限光電探測器(9)上，+1級衍射光經過第二聚焦透鏡(10)后打在第二四象限光電探測器(11)上；當-1級衍射光角度發生變化時，打在第一四象限光電探測器(9)上的光斑產生偏移，從而導致第一四象限光電探測器(9)四個象限的輸出電壓V₁、V₂、V₃、V₄的改變，因此，-1級衍射角在X和Y方向的角度變化量由下式得到，

式中，Δθ_-1x和Δθ_-1y分別為-1級衍射角X方向和Y方向的變化量；因此，-1級衍射角變化量Δθ_-1表示為：

同理，+1級衍射光經過第二聚焦透鏡(10)聚焦后打在第二四象限光電探測器(11)上，+1級衍射角變化量Δθ₊₁由式(1)、式(2)和式(3)計算得到；

步驟四：通過第二溫度傳感器(7)測得透射式衍射光柵(6)基底的溫度T；

步驟五：將第一四象限光電探測器(9)、第二四象限光電探測器(11)和第二溫度傳感器(7)的信號傳輸到數據處理系統經波長計算，得到修正后t₁時刻和t₂時刻半導體激光器(1)的實時波長，

式中，d為透射式衍射光柵(6)光柵常數，α為光柵線膨脹系數，T為第二溫度傳感器(7)測得的溫度值，θ₁為1級衍射光衍射角，θ_-1為-1級衍射光衍射角，Δθ_t1和Δθ_t2為不同時刻1級衍射光的角度變化量，Δθ_-t1為和Δθ_-t2為不同時刻-1級衍射角的角度變化量；

因此，半導體激光器1輸出波長的變化率Δλ由下式得到，

Δλ＝λ_t2-λ_t1 (6)

步驟六：根據波長變化量Δλ、電熱絲驅動電壓和電熱絲溫度的關系，經PID控制電熱絲驅動電壓；當半導體激光器(1)波長變化量Δλ小于目標波長范圍±Δλ_目標時，電熱絲驅動電壓增大，半導體激光器(1)溫度增加，進而半導體激光器(1)激光波長則會增大；相反，當半導體激光器(1)波長變化量Δλ大于±Δλ_目標時，電熱絲驅動電壓會減小，半導體激光器(1)溫度減小，進而半導體激光器(1)激光波長會減小；經過PID控制策略，將半導體激光器(1)的輸出波長始終控制在目標波長范圍內。