本文作者貢昊，王宇，白金海，胡棟，來自航空工業北京長城計量測試技術研究所，僅供交流學習之用，感謝分享！
引言
雷射器具有高相干性、高亮度和高方向性的特點，在醫療、工業、航空航天等領域應用廣泛。隨著科技的不斷發展，半導體雷射器被越來越多的實驗所採用。與其他種類的雷射器相比，半導體雷射器具有體積小、衍射效率高、成本較低等優點，目前已廣泛應用於雷射光譜、原子分子物理、量子頻標、原子核物理等研究領域。半導體雷射器通過電子和空穴的複合受激發射出光子產生雷射，當有超過閾值的電流注入雷射二極體時，半導體工作介質中粒子數反轉，在諧振腔中對一定頻段的光產生增益，當增益大於損耗時，半導體雷射器就會輸出雷射。不同溫度下半導體雷射器的能隙寬度不同，而且在不同溫度作用下雷射二極體的等效內腔長度也不同; 注入電流會影響半導體雷射器內部電子和空穴的濃度，進而影響電子和空穴複合時產生的雷射。因此可以通過改變雷射二極體的工作溫度和注入電流情況來控制輸出雷射的頻率。
單模雷射二極體自由運轉時典型線寬約為幾十兆赫，對於冷原子幹涉等精密實驗而言過大，因此通常在雷射二極體外部加一個光學色散元件光柵，光柵把一部分輸出光反饋回雷射器，等效於改變了雷射器的諧振腔長度，對半導體雷射器輸出的雷射進行了重新篩選。採用光柵重新對雷射器輸出頻率進行篩選的外腔式半導體雷射器( External Cavity Diode Laser，ECDL) 主要有 Littrow 和 Littman 兩種結構，將雷射投射到閃耀光柵 上，一級衍射光反饋回雷射二極體進行「模式競爭」，零級衍射光作為輸出光束，可以將雷射器的輸出雷射線寬壓窄到 1 MHz 或者更低，但是 ECDL 輸出的雷射有慢漂和跳模現象，幾個小時之內有可能會漂移幾吉赫，因此必須對外腔式半導體雷射器進行主動穩頻。
ECDL 穩頻的主要思路是: 以原子的特定吸收譜線所提供的穩定性較好的頻率作為參考標準，把輸 出的雷射頻率與參考頻率相對比，產生誤差信號，再 通過伺服電路系統( PID 控制器) 將誤差信號負反饋到雷射器的注入電流和 PZT 上，進而控制雷射器的頻率，最後實現穩頻。主動穩頻不僅可以提高頻率變化的阿 倫方差，還可以使雷射器的線寬變窄。
1、半導體雷射器的內調製穩頻方法
1. 1 飽和吸收光譜穩頻
飽和吸收光譜( Saturated Absorption Spectra，SAS) 穩頻技術利用波長為 780 nm 可調諧雷射照射銣池，由 於銣池中的原子進行布朗運動，不同速度的原子與雷射的相對運動不同，因此運動的原子感受到的雷射頻率會發生變化，即具有一定速度分布的原子會相對雷射產生都卜勒頻移，由於雷射的頻率對應銣池中速度 為零的原子的共振頻率，因此銣池中速度為零的原子會與雷射相互作用，對雷射進行飽和吸收，形成飽和吸收光譜。銣原子飽和吸收光譜曲線如圖 1 所示。
外腔式半導體雷射器產生的雷射經過光隔離器後 通過半波片，再經過 PBS 分束後，透射光作為主要輸 出雷射，反射光經過一個較厚的分束鏡，透射過分束 鏡的雷射功率較大，作為泵浦光，在分束鏡前後表面反射的雷射功率相對較小，作為探測光。泵浦光與其中一路探測光在銣池中對射產生飽和吸收光譜，經過 光電探測器後將光信號轉換成電信號，並且與另外一路探測光做差，可以消除銣池中由於不同速度原子的相對運動所產生的都卜勒本底噪聲。將經減法器處理之後得到的電信號連到示波器上，即可觀測到 Rb 原子的飽和吸收譜信號。飽和吸收譜穩頻光路圖如圖 2 所示。
以銣原子為例，當雷射頻率處於某一對超精細能級共振頻率處，由於蘭姆凹陷效應會產生飽和吸收峰， 當雷射頻率為兩個原子超精細能級中間位置對應的吸收頻率時，由於原子與雷射之間存在相對運動，也會產生飽和吸收譜的交叉峰，因此87Rb 原子的 D2 線躍遷有三個飽和吸收峰和三個交叉共振峰，如圖 3 所示。
1. 2 波長調製鎖頻
波長調製鎖頻( Dither Locking) 與飽和吸收光譜類似，屬於飽和吸收譜穩頻方式的拓展，在 PZT 的基礎上增加了幾千赫的聲頻調製，這樣經過銣池之後的飽 和吸收光譜信號也攜帶著聲頻調製信號的信息，將這 個聲頻調製信號送進鎖相放大器作為參考信號，鎖相 放大器將參考信號與經過銣池的飽和吸收譜信號進行比較，即可獲得雷射器與原子飽和吸收譜線的鎖定位 置之間的誤差信號，將誤差信號輸入 PID 控制器，最 後反饋到雷射器的 PZT 和注入電流上，實現雷射器的穩頻。波長調製鎖頻的飽和吸收信號和誤差信號曲線如圖 4 所示，光路圖如圖 5 所示。
波長調製鎖頻的優點是成本比較低，雷射穩頻效果也能穩定在鎖定點的百千赫量級附近。但是這種穩頻方式屬於內調製穩頻，即將調製信號直接加在雷射器上，會引入額外的頻率噪聲和強度噪聲。
2、半導體雷射器的外調製穩頻方法
2. 1 調製光譜穩頻
調製光譜( Pound Drever Hall Scheme，PHD) 利用高頻射頻源對電光調製器( Electro Optical Modulator， EOM) 進行調製，使得經過銣池的飽和吸收譜信號攜帶高頻射頻源的頻率信息，由於雪崩二極體( APD) 檢測 出的是高頻交流成分，因此用分束器將光路分離出一部分，經過普通的光電二極體( PD) 進入示波器觀測飽 和吸收譜信號。最終高頻射頻源在移相器的作用下調 整相位，與攜帶飽和吸收譜的調製信號一同進入混頻 器解調得到類色散的誤差信號，經 PID 反饋到雷射器的注入電流和 PZT 上，最終實現穩頻。調製光譜光路圖如圖 6 所示。
調製光譜穩頻方式屬於外調製，其優點是調製頻 率未加在雷射器的 PZT 和注入電流上，因此不會將調製頻率本身的噪聲和誤差在雷射器裡進行放大而對雷射器的頻率穩定性產生影響，而且誤差信號斜率很大，可以獲得很好的頻率準確度，對於頻率偏差非常敏感。但是 EOM 和 EOM 的驅動射頻信號源比較昂貴，成本相對較高。PDH 誤差信號圖如圖 7 所示。
2. 2 調製轉移光譜穩頻
調製轉移光譜( MTS) 通過壓控振蕩器( VCO) 驅動 的聲光調製器( Acousto Optical Modulator，AOM) 對泵浦光進行頻率調製，被調製的泵浦光頻率成分中包含泵 浦光的中心頻率 v 和 ± 1 階邊帶( 二階以上不考慮) ，兩個邊帶頻率的泵浦光與相向傳輸的探測光在銣池中銣原子的非線性效應下產生四波混頻過程，因此加載 在泵浦光的調製信號可以轉移到不加調製攜帶飽和吸 收譜信號的探測光上來，最終在鎖相放大器中得到雷射器與原子躍遷譜線之間的類色散誤差信號，通過 PID 反饋到雷射器的 PZT 和注入電流上，最終實現雷射器的穩頻。調製轉移光譜光路圖如圖 8 所示。
VCO頻率穩定性相對較差一些，因此可以將VCO替換成直接數字合成器( Direct Digital Synthesis，DDS) ，例如採用33600A型直接數字合成器來驅動 AOM。另 外如果採用厚玻璃片代替 BS 產生兩束探測光，再分別 用兩個探測器對探測光進行檢測，經差分放大後，送入鎖相放大器即可消除銣池中的都卜勒本底噪聲，雷射器的穩頻效果更好。
調製轉移光譜的穩頻方式也屬於外調製，即並不 對雷射器本身進行頻率調製，減少了直接調製雷射器產生的頻率噪聲和強度噪聲。通常採用 EOM 的正負一級邊帶代替 AOM 衍射光進入銣池發生四波混頻，但是這種方法會提高實驗成本。總的來說，調製轉移光譜有著非常平的零背景信號，誤差信號斜率較大，穩頻效果好，頻率線漂小，很容易將雷射器的頻率鎖定在原子超精細躍遷譜線附近。因此目前大部分實驗室都採用調製轉移光譜來實現穩頻。
3、半導體雷射器的不加調製穩頻方法
3. 1 雙色雷射穩頻
雙色雷射穩頻( Dichroic Atomic Vapour Laser Lock， DAVLL) 利用磁場環境下原子對左旋圓偏振光和右旋圓偏振光吸收效果的不同，將得到的兩種飽和吸收譜線 做差，根據做差後的誤差信號來進行穩頻。
當原子暴露在外界磁場環境中時，由於塞曼分裂導致吸收譜線的左旋光和右旋光頻率產生位移。在銣池外側繞上線圈，給線圈供電時，線圈會產生銣池軸向均勻磁場。線偏振光可以等效為兩個圓偏振光的疊加，當磁場為零時，左旋圓偏振光和右旋圓偏振光不產生頻移，在此條件下吸收光譜是重合的。當磁場不為零時，由於左旋光和右旋光激發態下的原子躍遷方向相反，使左旋和右旋光譜信號位置產生相向偏移，左旋偏振光的吸收譜線向頻率減小的方向移動; 右旋偏振光的吸收譜線與左旋相反。將兩路信號進行差分運算即可得到在指定飽和吸收峰處對應頻率過零的類色散誤差信號。由於左旋光和右旋光產生相向等量的頻率偏移，因此差分放大得到的誤差譜線信號仍然是關於中 心頻率對稱的。消都卜勒雙色譜如圖 9 所示。
得到誤差信號後，利用PID控制器實現雷射器的頻率被鎖定在系統原子超精細譜線所對應的絕對頻率上，達到穩頻的目的。雙色雷射穩頻光路圖如圖 10 所示。
DAVLL 穩頻的優點: ①光路簡單，對雷射的功率 要求低; ②自動捕獲範圍較寬，可達 500 ～ 800 MHz; ③具有很高的穩定性，不易失鎖。④結構易組建，磁場只需要幾十高斯，在銣池外纏繞線圈就可以實現，反饋系統中採用差分放大器即可，不需要額外添加鎖 相放大器。但是 DAVLL 穩頻也存在不足: ①容易受到 外界環境因素幹擾; ②由於誤差信號斜率很小，鎖定點的頻率不是很準確。因此對這種方法進行了改進，在 DAVLL 的基礎上增加一束泵浦光，利用飽和吸收效應消除探測光的都卜勒展寬，可以明顯提高穩頻鎖定點測量的準確度。消都卜勒雙色雷射穩頻光路圖如圖 11 所示。
3. 2 頻率電壓轉換穩頻
半導體雷射器穩頻通常除了將頻率鎖定在穩定的參考頻率( 原子的高穩定性特徵躍遷譜線、高 Q 值的 法-珀腔的透射峰中心) 上之外，也可以鎖定在另外一個已經進行穩頻的參考雷射器上。主要方法是將兩臺雷射器進行拍頻，用光電二極體探測拍頻頻差信號，將光信號轉換成電信號，通過放大器後，與標準參考信號源一同輸入混頻器，得到了與標準參考信號源頻差的頻率信號，之後通過頻率-電壓轉換器( Fre- quency to Votage Converter，FVC) 將頻率信號轉換成電壓信號。通過控制電壓對輸出信號進行主動調整，並 將得到的誤差信號反饋到 PID 板上，最後反饋到雷射器的控制電流和 PZT 上，實現穩頻。頻率-電壓轉換穩頻光路圖如圖 12 所示。
頻率-電壓轉換穩頻的優點是兩臺雷射器的頻差完 全可調，可通過控制電壓信號對兩臺雷射器的頻差進行實時控制。參考雷射器的穩頻效果越好，待鎖雷射器的穩頻效果就會越好。但是這種穩頻方式需要增加一臺參考雷射器，成本昂貴。
4、小結
本文介紹了 6 種冷原子幹涉實驗中常用的穩頻方法，其特點對比如表 1 所示。
這6種方法中，飽和吸收譜穩頻和波長調製穩 頻法屬於半導體雷射器內調製穩頻，光路簡單、實驗成本較低，但是調製信號直接加在半導體雷射器上，會引入額外的頻率噪聲和強度噪聲，穩頻效果能穩定 在鎖定點的百千赫量級附近; 調製光譜穩頻方法和調製轉移光譜穩頻方法屬於外調製穩頻，調製信號不直 接加在半導體雷射器上，不會引入額外的頻率噪聲和強度噪聲，而且誤差信號斜率大，背景信號影響小，穩頻效果能穩定在鎖定點的1 kHz量級附近，穩頻效果最佳，因此被廣泛的用於冷原子幹涉實驗中雷射器的穩頻上; 雙色雷射穩頻利用塞曼效應得到類色散誤差信號，光路電路實現簡單，磁場也只需要幾十高斯，但是容易受到外界因素的影響，而且誤差信號斜率較小，鎖定點頻率不是很準確，容易產生慢漂，穩頻效果能穩定在鎖定點的百千赫量級附近，對於穩頻準確度要求不是很高的實驗可以採用這種方法; 頻率電壓 轉換穩頻將半導體雷射器的頻率鎖定在一個具有穩定頻率的參考半導體雷射器上，由於冷原子幹涉實驗中需要的操縱原子團分束合束的拉曼光是由主、從拉曼光兩束光組成的，這兩束光需要頻率相差6. 834 GHz， 相位差一定，通常採用這種方式實現光學鎖相環的功 能，同時實現穩頻。
5、展望
由於不同類型的實驗對雷射質量和穩頻效果要求不同，還有一些其他的穩頻方法沒有進行詳細介紹，比如塞曼穩頻、聲光調頻等。外腔式半導體雷射器穩頻結果直接影響雷射對原子的作用效果，未來將會對雷射器頻率穩定性提出更高的要求。同時隨著雷射器本身的完善，雷射器的穩頻方法也會繼續向高準確性、高效率、低成本、低功耗的方向發展。為了達到更好的穩頻效果，需要深入開展微加工技術和電路 集成技術的研究，以實現穩頻系統的小型化甚至晶片化; 同時應進一步利用軟硬體結合技術的高穩定性優勢，實現雷射頻率的長時間自動鎖定，匹配相關光學實驗的高可靠性應用要求。
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