外腔半導體激光器因其體積小用狱、壽命長运怖、效率高等諸多優(yōu)點得到了廣泛的應用，特別是在冷原子領域夏伊，要求激光器有窄線寬以及高頻率
的輸出穩(wěn)定性摇展。本文主要對半導體激光器中幾種常見的調(diào)制穩(wěn)頻方法進行簡單介紹。
半導體激光器的穩(wěn)頻方法簡介（調(diào)制穩(wěn)頻）
由于在冷原子方面應用溺忧，對外腔半導體激光器的線寬，頻率穩(wěn)定性鲁森，相位等性能有很高的要求祟滴。非調(diào)制穩(wěn)頻技術對于激光功率的波動較
為敏感，穩(wěn)定度相對較低歌溉，并且由于鎖定在目標吸收峰的邊峰上垄懂，而無法鎖定在峰頂骑晶，容易發(fā)生頻偏。而調(diào)制穩(wěn)頻簡單來說就是在實驗
系統(tǒng)中加入調(diào)制信號來獲取鑒頻曲線草慧，一般為正弦信號桶蛔。可以在飽和吸收峰附近范圍內(nèi)產(chǎn)生一個單調(diào)的誤差信號漫谷，將激光器頻率鎖定在
飽和吸收峰處仔雷。激光調(diào)制又分為內(nèi)調(diào)制以及外調(diào)制舔示，顧名思義內(nèi)調(diào)制是將調(diào)制信號直接加載到激光器本身的輸出頻率上碟婆，而外調(diào)制穩(wěn)頻
可以使用聲光、電光器件或者將調(diào)制信號加載到原子的躍遷頻率上斩郎。
內(nèi)調(diào)制穩(wěn)頻
內(nèi)穩(wěn)頻調(diào)制一般是在飽和吸收光譜( Saturated Absorption Spectra脑融，SAS)穩(wěn)頻技術的基礎上進行，在冷原子實驗上所用的光基本上都
是和原子躍遷線共振或者近共振的所以基于原子躍遷線的飽和吸收穩(wěn)頻法成為選擇肘迎。飽和吸收穩(wěn)頻法是利用原子吸收室對激光頻率吸收
產(chǎn)生吸收凹陷，光電探測器接收后進行光電轉(zhuǎn)換锻煌，示波器則顯示出功率吸收峰妓布，然后將吸收峰對應的原子頻率作為參考頻率，之后將激
光器頻率穩(wěn)定到參考頻率上的穩(wěn)頻方法宋梧。
而施加調(diào)制信號匣沼，通過人為地讓激光頻率以己知的規(guī)律在吸收峰附近變化，從而檢測出吸收峰的一階微分（或奇數(shù)階微分）信號捂龄，由此
可以得到激光中心頻率和基準頻率的偏差释涛，如此一來便可以鎖定在吸收峰的峰頂處，得到穩(wěn)定的頻率基準倦沧。對于內(nèi)調(diào)制而言唇撬，可以將調(diào)
制信號添加到半導體激光器的注入電流或控制腔長的壓電陶瓷處展融，從而使得激光輸出頻率發(fā)生變化窖认。其中電流調(diào)制可以實現(xiàn)非常高的頻
率調(diào)制，這是半導體激光器的優(yōu)點所在告希，使用方便扑浸，經(jīng)常運用于穩(wěn)頻與鎖頻中。
圖1：帶調(diào)制的飽和吸收穩(wěn)頻法實驗原理圖
外調(diào)制穩(wěn)頻
由于內(nèi)調(diào)制穩(wěn)頻的調(diào)制信號是加載在激光器本身燕偶，即使已經(jīng)頻率鎖定的情況下，輸出的激光頻率也會難免帶有調(diào)制信號指么，引入額外噪聲
造成一定抖動仙逻，而外調(diào)制的穩(wěn)頻的方法正是針對這個問題而提出的驰吓。其中通過電光調(diào)制器以及聲光調(diào)制器可以實現(xiàn)基于頻率調(diào)制光譜的
PDH（Pound-Drever-Hall）、調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜技術（MTS, modulation transfer spectroscopy）等調(diào)制方法系奉，但由于會增加光路的復
雜性, 并且損失了一部分可觀的光功率，這里不做詳細的介紹姑廉。而塞曼 (Zeeman) 調(diào)制穩(wěn)頻不但對于激光器的鎖定頻率輸出沒有調(diào)制缺亮，
并且光路也較為簡單，實驗效率較高桥言。
塞曼調(diào)制穩(wěn)頻簡單來說是需要給 Rb 原子池施加調(diào)制萌踱，通過纏繞在原子池周圍的線圈來調(diào)制磁場來改變 Rb 的原子能級，從而實現(xiàn)對激
光器輸出頻率的調(diào)制号阿。在磁場的作用下，原子磁子能級塞曼分裂扔涧，上园担、下能級發(fā)生移動。當磁場較弱時枯夜，可以通過塞曼效應定量計算移
動量：△E=MgμBB弯汰，其中M為磁量子數(shù)，μB為玻爾磁子湖雹，B為磁感應強度咏闪，g為朗德因子。激光在進入Rb原子池前先通過λ/4波片摔吏，將
線偏振光變?yōu)?mark class="span_mark" data-type="1">圓偏振光鸽嫂，做為探測光。由于光抽運效應的存在征讲，幾乎可以認為原子在某兩個能級上發(fā)生循環(huán)躍遷（以87Rb的
F=2→F’=3超精細躍遷為例，經(jīng)過光抽運后稳诚，可以認為原子都布居在mF=+2和mF'=+3兩個能級上進行循環(huán)躍遷）哗脖，就可以求出躍
遷過程中上下能級的相對移動量。
圖2：87Rb 原子光抽運后的能級結(jié)構(gòu)圖
因此如果我們將調(diào)制的正弦信號加載到原子所處的外磁場中扳还，就相當于對原子的兩能級之間的躍遷頻率進行調(diào)制才避，因此對于頻率穩(wěn)定的
圓偏振光來說，原子對它的吸收就是帶有調(diào)制的氨距，這是塞曼調(diào)制穩(wěn)頻的基本原理桑逝。
圖3：MOGLabs CEL激光器塞曼調(diào)制穩(wěn)頻的典型配置
以MOGLabs所生產(chǎn)的CEL貓眼外腔半導體激光器為例，該款激光器所配備的控制器可以實現(xiàn)非調(diào)制穩(wěn)頻以及調(diào)制穩(wěn)頻俏让。在使用塞曼穩(wěn)
頻調(diào)制時楞遏，MOGLabs控制器內(nèi)存在的250kHZ振蕩器將調(diào)制信號施加于塞曼線圈茬暇，激光通過Rb原子池后被光電探測器接收寡喝，經(jīng)過鎖相
鑒相得到誤差信號糙俗，再反饋給激光器的壓電陶瓷或二極管電流，如此調(diào)節(jié)激光器頻率预鬓，使其穩(wěn)定在所需的頻率上巧骚。
穩(wěn)頻效果的對比
在孫黎的《半導體激光器穩(wěn)頻方法的對比研究》一文中，對非調(diào)制穩(wěn)頻以及調(diào)制穩(wěn)頻的幾種方法分別搭建實驗平臺格二，對穩(wěn)頻性能進行了
評估。同樣將激光器鎖定在Rb：5S1/2F=3→5P1/2F’=2 co 3 吸收峰上顶猜，其中塞曼調(diào)制穩(wěn)頻效果好沧奴，而非調(diào)制穩(wěn)頻中DFDL穩(wěn)頻法
也表現(xiàn)優(yōu)異。而將調(diào)制信號加載在激光器上的飽和吸收穩(wěn)頻法长窄，一開始就因為調(diào)制信號的影響帶有抖動滔吠，從示波器上的顯示也可看出曲
線的不穩(wěn)定，在鎖相環(huán)節(jié)因為光的抖動造成一些不便抄淑，因此穩(wěn)頻效果稍遜屠凶。
相關文獻：
[1]孫黎. 半導體激光器穩(wěn)頻方法的對比研究[D].中北大學,2015.
[2]馬修泉,陳文蘭,陳帥,劉新元,陳徐宗.半導體激光器塞曼調(diào)制穩(wěn)頻的實驗對比研究[J].量子光學學報,2005(04):171-175.
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