[發(fā)明專利]一種半導體激光器主動波長穩(wěn)定方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010822463.1
• 申請日: 2020-08-17
• 公開（公告）號: CN111969412B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發(fā)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

本發(fā)明屬于精密測量領域，公開了一種半導體激光器主動波長穩(wěn)定方法。包括波長誤差監(jiān)測和波長穩(wěn)定兩部分；其中所述波長誤差監(jiān)測部分用于實時監(jiān)測半導體激光器輸出波長的變化，所述波長穩(wěn)定部分用于實現(xiàn)半導體激光器輸出波長的高精度穩(wěn)定控制；通過對半導體激光器的輸出波長進行實時測量，把波長變化量作為反饋量對半導體激光器溫度進行實時控制，提高了半導體激光器波長的穩(wěn)定性。本發(fā)明半導體激光器主動波長控制精度高、實現(xiàn)方式簡單、造價低、整體裝置易集成化。

技術領域

本發(fā)明涉及精密測量領域，具體涉及一種小型化、易集成、低成本的半導體激光器主動波長穩(wěn)定方法。

背景技術

激光干涉儀由于其測量精度高、測量速度快等特點，常被用作納米定位平臺的位移反饋裝置。目前市場上商用激光干涉儀都使用氦氖激光器產(chǎn)生激光，整體體積較大，無法集成在納米定位平臺上。半導體激光器由于其體積小、易集成、價格低等特點，常被用作為小型激光干涉儀的光源。例如，用作納米定位平臺位移反饋裝置的光源。激光干涉儀在測量過程以激光器輸出波長為測量基準。由于溫度、機械振動、放電電流、空氣擾動等環(huán)境因素的變化，會導致半導體激光器諧振腔腔長以及空氣折射率的變化。從而使得激光器輸出波長產(chǎn)生波動，引起激光干涉儀的測量誤差。因此，為了提高半導體激光干涉儀的測量精度，必須對半導體激光器輸出波長進行穩(wěn)定。

激光器波長的穩(wěn)定方法分為：被動波長穩(wěn)定方法和主動波長穩(wěn)定方法。被動波長穩(wěn)定方法主要是對引起波長變化的變量進行控制。溫度、機械振動、激光器激勵電流、大氣擾動等變量都會導致激光器波長的變化。所以，常采用恒溫、恒流、隔振等措施實現(xiàn)激光器輸出波長的穩(wěn)定。例如專利“CN 206806731 U一種半導體激光器波長穩(wěn)定系統(tǒng)”中，利用了半導體激光器所在熱沉的溫度和需要加載的直流偏置電路之間的線性關系，通過改變偏置電流實現(xiàn)了半導體激光器輸出波長的穩(wěn)定性。其半導體激光器波長穩(wěn)定方法的控制流程圖，如圖1所示。被動波長穩(wěn)定方法具有方法簡單，易操作等特點，如1所示。但是，波長穩(wěn)定性最多只能達到10^-7。

飽和吸收、塞曼效應和聲光調(diào)制是目前常用的主動波長穩(wěn)定方法?？梢詫崟r、快速、準確的獲得輸出波長的誤差信息。例如專利“CN104767119 B中心頻率可調(diào)諧的半導體激光器穩(wěn)頻裝置和穩(wěn)頻方法”中，結(jié)合電磁誘導透明技術和調(diào)制光譜法穩(wěn)頻技術，實現(xiàn)了中心頻率可調(diào)諧的半導體激光器頻率穩(wěn)定。該發(fā)明的穩(wěn)頻裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。主動波長穩(wěn)定方法精度高。但是，基于這些方法搭建的實現(xiàn)裝置體積較大、造價高、不易小型化和集成化，如圖2所示。

因此，設計一種易于集成化、低成本的半導體激光器主動波長穩(wěn)定方法十分必要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種半導體激光器主動波長穩(wěn)定方法，其目的是在實現(xiàn)半導體激光器輸出波長高精度穩(wěn)定性的同時，還能滿足易集成化、低成本等要求。

具體技術方案為：一種半導體激光器主動波長穩(wěn)定方法，包括波長誤差監(jiān)測和波長穩(wěn)定兩部分；其中所述波長誤差監(jiān)測部分用于實時監(jiān)測半導體激光器輸出波長的變化，所述波長穩(wěn)定部分用于實現(xiàn)半導體激光器輸出波長的高精度穩(wěn)定控制；

波長誤差監(jiān)測部分包括半導體激光器、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡、第一四象限光電探測器、第二四象限光電探測器、第二溫度傳感器、透射式衍射光柵、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；半導體激光器發(fā)出的激光通過透射式衍射光柵產(chǎn)生±1級衍射光；-1級衍射光通過第一聚焦透鏡后打在第一四象限光電探測器上，-1級衍射角的變化由第一四象限光電探測器測得；+1級衍射光通過第二聚焦透鏡后打在第二四象限光電探測器上，+1級衍射角的變化由第二四象限光電探測器測得；當環(huán)境溫度變化時，透射式衍射光柵基底材料發(fā)生熱脹冷縮，導致光柵柵距發(fā)生變化；通過第二溫度傳感器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(fā)生變化，該角度由第一四象限光電探測器和第二四象限光電探測器測得；利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)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(xiàn)半導體激光器輸出波長的變化量Δλ監(jiān)測；