一种半导体激光器主动波长稳定方法与流程

本发明涉及精密测量领域，具体涉及一种小型化、易集成、低成本的半导体激光器主动波长稳定方法。

背景技术：

激光干涉仪由于其测量精度高、测量速度快等特点，常被用作纳米定位平台的位移反馈装置。目前市场上商用激光干涉仪都使用氦氖激光器产生激光，整体体积较大，无法集成在纳米定位平台上。半导体激光器由于其体积小、易集成、价格低等特点，常被用作为小型激光干涉仪的光源。例如，用作纳米定位平台位移反馈装置的光源。激光干涉仪在测量过程以激光器输出波长为测量基准。由于温度、机械振动、放电电流、空气扰动等环境因素的变化，会导致半导体激光器谐振腔腔长以及空气折射率的变化。从而使得激光器输出波长产生波动，引起激光干涉仪的测量误差。因此，为了提高半导体激光干涉仪的测量精度，必须对半导体激光器输出波长进行稳定。

激光器波长的稳定方法分为：被动波长稳定方法和主动波长稳定方法。被动波长稳定方法主要是对引起波长变化的变量进行控制。温度、机械振动、激光器激励电流、大气扰动等变量都会导致激光器波长的变化。所以，常采用恒温、恒流、隔振等措施实现激光器输出波长的稳定。例如专利“cn206806731u一种半导体激光器波长稳定系统”中，利用了半导体激光器所在热沉的温度和需要加载的直流偏置电路之间的线性关系，通过改变偏置电流实现了半导体激光器输出波长的稳定性。其半导体激光器波长稳定方法的控制流程图，如图1所示。被动波长稳定方法具有方法简单，易操作等特点，如1所示。但是，波长稳定性最多只能达到10^-7。

饱和吸收、塞曼效应和声光调制是目前常用的主动波长稳定方法。可以实时、快速、准确的获得输出波长的误差信息。例如专利“cn104767119b中心频率可调谐的半导体激光器稳频装置和稳频方法”中，结合电磁诱导透明技术和调制光谱法稳频技术，实现了中心频率可调谐的半导体激光器频率稳定。该发明的稳频装置的结构框图如图2所示。主动波长稳定方法精度高。但是，基于这些方法搭建的实现装置体积较大、造价高、不易小型化和集成化，如图2所示。

因此，设计一种易于集成化、低成本的半导体激光器主动波长稳定方法十分必要。

技术实现要素：

本发明提出了一种半导体激光器主动波长稳定方法，其目的是在实现半导体激光器输出波长高精度稳定性的同时，还能满足易集成化、低成本等要求。

具体技术方案为：一种半导体激光器主动波长稳定方法，包括波长误差监测和波长稳定两部分；其中所述波长误差监测部分用于实时监测半导体激光器输出波长的变化，所述波长稳定部分用于实现半导体激光器输出波长的高精度稳定控制；

波长误差监测部分包括半导体激光器、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一四象限光电探测器、第二四象限光电探测器、第二温度传感器、透射式衍射光栅、数据处理系统；半导体激光器发出的激光通过透射式衍射光栅产生±1级衍射光；-1级衍射光通过第一聚焦透镜后打在第一四象限光电探测器上，-1级衍射角的变化由第一四象限光电探测器测得；+1级衍射光通过第二聚焦透镜后打在第二四象限光电探测器上，+1级衍射角的变化由第二四象限光电探测器测得；当环境温度变化时，透射式衍射光栅基底材料发生热胀冷缩，导致光栅栅距发生变化；通过第二温度传感器探测出透射式衍射光栅基底材料的温度变化；当半导体激光器输出波长变化时，会导致±1级衍射光衍射角发生变化，该角度由第一四象限光电探测器和第二四象限光电探测器测得；利用数据处理系统计算出了半导体激光器不同时刻的输出波长；其中将前后不同时刻输出波长差值与控制目标波长范围进行比较，实现半导体激光器输出波长的变化量δλ监测；

波长稳定部分包括：电热丝、铜片、第一温度传感器；波长稳定部分是将波长误差监测部分测得的半导体激光器输出波长误差δλ作为反馈信号，根据波长变化量δλ、电热丝驱动电压和电热丝温度的关系，经数据处理系统，对电热丝驱动电压进行pid控制；进而通过改变缠绕在半导体激光器外壳上电热丝的温度来改变半导体激光器的输出波长，以实现半导体激光器输出波长的主动稳定。

本发明的有益效果是实现了半导体激光器的主动波长稳定方法，有效的提高了半导体激光器的波长稳定性。在达到所需波长稳定目标的基础上，与已有技术方法相比其控制实现方式简单、造价低、整体装置易集成化。

附图说明

图1为现有半导体激光器被动波长稳定方法的控制流程图。

图2为现有半导体激光器主动频率稳定方法的结构框图。

图3为半导体激光器主动波长稳定方法的激光器部分结构图。

图4为半导体激光器主动波长稳定方法的原理图。

图5为半导体激光器主动波长稳定方法的控制流程图。

图6为半导体激光器主动波长稳定方法的pid控制原理图。

图中：1半导体激光器；2第一温度传感器(pt100)；3电热丝；4铜片；5激光器部分；6透射式衍射光栅；7第二温度传感器(pt100)；8第一聚焦透镜；9第一四象限探测光电器；10第二聚焦透镜；11第二四象限光电探测器；12数据处理系统；13信号处理电路。

具体实施方式

本发明提供了一种半导体激光器的主动波长稳定方法，为了更清楚的阐述本发明，下面将结合附图及实施例对发明进行详细的分析。具体包括下列步骤：

步骤一：设定好半导体激光器1的波长变化量δλ需要达到的目标波长变化范围[-δλ目标，δλ目标]，根据该目标波长变化范围确定缠绕在半导体激光器1外壳上电热丝温度的控制范围。

步骤二：参照附图3，通过第一温度传感器(pt100)2测得半导体激光器1温度，改变电热丝3两边驱动电压，使得半导体激光器1达到预设温度为t预设。将此时电热丝两边驱动电压设置为初始电压。

步骤三：参照附图4，半导体激光器1发射出激光，经透射式衍射光栅6后得到±1级衍射光。-1级衍射光经过第一聚焦透镜8后打在第一四象限光电探测器9上，+1级衍射光经过第二聚焦透镜10后打在第二四象限光电探测器11上。当-1级衍射光角度发生变化时，打在第一四象限光电探测器9上的光斑会产生偏移，从而导致第一四象限光电探测器9四个象限的输出电压(v1、v2、v3、v4)的改变。因此，-1级衍射角在x和y方向的角度变化量可由下式得到，

式中，δθ-1x和δθ-1y分别为-1级衍射角x方向和y方向的变化量。因此，-1级衍射角变化量(δθ-1)表示为：

同理，+1级衍射光经过第二聚焦透镜10聚焦后打在第二四象限光电探测器11上，+1级衍射角变化量(δθ+1)可由式(1)、式(2)和式(3)计算得到。

步骤四：参照附图4，通过第二温度传感器7可以测得透射式衍射光栅6基底的温度t。

步骤五：将第一四象限光电探测器9、第二四象限光电探测器11和第二温度传感器7的信号传输到数据处理系统，可以得到修正后t1时刻和t2时刻半导体激光器1的实时波长，

式中，d为透射式衍射光栅6光栅常数，α为光栅线膨胀系数，t为第二温度传感器7测得的温度值，θ1为1级衍射光衍射角，θ-1为-1级衍射光衍射角，δθt1和δθt2为不同时刻1级衍射光的角度变化量，δθ-t1为和δθ-t2为不同时刻-1级衍射角的角度变化量。

因此，半导体激光器1输出波长的变化量δλ可由下式得到，

δλ＝λt2-λt1(6)

步骤六：根据波长变化量δλ、电热丝驱动电压和电热丝温度的关系，经pid控制电热丝驱动电压。参照附图5，当半导体激光器1波长变化量δλ小于目标波长范围±δλ目标时，电热丝驱动电压会增大，半导体激光器1温度增加，进而半导体激光器1激光波长则会增大。相反，当半导体激光器1波长变化量δλ大于±δλ目标时，电热丝驱动电压会减小，半导体激光器1温度减小，进而半导体激光器1激光波长则会减小。经过如图6所示的pid控制策略，可以将半导体激光器1的输出波长始终控制在目标波长范围附近。

本发明中的半导体激光器主动波长稳定方法成本低、易集成。通过对半导体激光器的输出波长进行实时测量，把波长变化量作为反馈量对半导体激光器温度进行实时控制，提高了半导体激光器波长的稳定性。该方法可集成在任何对激光器波长稳定性和波长精度有要求的设备中。