一种频率锁定的单频半导体激光器件的制作方法

1.本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种频率锁定的单频半导体激光器件。


背景技术：

2.量子精密测量技术已验证了其高精度敏感测量能力，当前，正朝着提升精度和工程化的方向迈进，这对国家高精度自主导航能力重力场建设、弱磁探测等领域有极为重要的作用。
3.量子精密测量应用依赖单频激光，且单频激光需稳定锁定在在原子的超精细谱线附近。商用单频激光器件基本未集成稳频功能，稳频功能的实现均需外加大体积稳频平台光路。该实施方式十分不利于单频激光器的器件化和工程化，阻碍了量子精密测量应用向传感器级的迈进。
4.量子精密测量用单频激光器主要有光纤和半导体两种。其中，量子精密测量用单频光纤激光器目前只有780nm，主要采用1560nm的高功率单频激光倍频获得，无法实现器件化。半导体激光器体积小、波长覆盖范围广，十分有利用于器件集成，可应用于87rb、137cs的780nm/795nm/852nm等谱线。
5.常用的半导体激光器稳频方案主要饱和吸收、调制转移等技术。饱和吸收采取内调制方案会对输出光引入频率调制，影响原子干涉仪的测量精度；采用外调制方案则会额外增加eom、aom等调制器件，引入了对温度敏感的激光晶体和射频信号的干扰。调制转移技术面临与外调制饱和吸收方案同样的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明实施例提供了一种频率锁定的单频半导体激光器件，用于解决现有半导体激光器稳频方案精度易受影响的问题。
7.在本发明实施例的第一方面，提供了一种频率锁定的单频半导体激光器件，包括半导体光源单元、隔离分光单元、二向色性原子蒸气激光稳频单元、激光管壳；
8.所述二向色性原子蒸气激光稳频单元中至少包括加线圈的气体参比池、1/4波片、偏振分光棱镜、左探测、下探测和信号处理背板；
9.所述加线圈的气体参比池用于提供稳频所需的原子气室，1/4波片与偏振分光棱镜用于分离线偏振光的左旋圆偏振成分及右旋圆偏振成分；
10.其中，将左旋圆偏振成分、右旋圆偏振成分通过原子气室后透射谱的差值形成的类色散谱线作为反馈控制信号，对半导体光源进行稳频控制。
11.在一个实施例中，所述半导体光源单元与所述隔离分光单元、所述隔离分光单元与所述二向色性原子蒸气激光稳频单元之间均相耦合，且所述半导体光源单元、所述隔离分光单元和所述二向色性原子蒸气激光稳频单元均集成于所述激光管壳内。
12.在一个实施例中，所述半导体光源单元包括微型tec1、单频半导体激光芯片、热敏电阻、陶瓷基板、快轴准直镜、慢轴准直镜；其中，单频半导体激光芯片、热敏电阻、快轴准直
镜、慢轴准直镜均通过共晶或者胶粘的方式固定于陶瓷基板上，陶瓷基板通过焊接方式固定于微型tec1上。
13.在一个实施例中，所述单频半导体激光芯片用作光源，快轴准直镜与慢轴准直镜分别用于对光源进行快、慢轴进行准直，热敏电阻用于监测光源附近温度。
14.在一个实施例中，所述分光隔离单元包括光隔离器、1/2波片和第一偏振分光棱镜；所述光隔离器用于隔离后续光路的背向反射光或散射光，1/2波片、第一偏振分光棱镜分别用于偏振分光和偏振提纯；
15.在一个实施例中，在所述第一偏振分光棱镜后添加聚焦透镜、1/2波片、保偏光纤实现保偏光纤输出。
16.在一个实施例中，所述二向色性原子蒸气激光稳频单元中还包括第二偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜和所述第二偏振分光棱镜构成双反结构，提供稳频所需激光。
17.在一个实施例中，第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜之间添加扩束单元提高信号处理背板输出的信噪比。
18.在一个实施例中，左探测和下探测均用于探测通过气室后的光信号，信号处理背板用于对左探测和下探测进行i/v转换并做差，以产生用于稳频的类色散信号。
19.在一个实施例中，所述激光管壳至少包括底板、围框、引脚，用于提供导热、支撑、气密环境和电气接口。
20.本发明实施例中，在保证单频输出的同时还能够实现激光频率的稳定，可以实现单频半导体激光光源与稳频单元的器件级集成，并采用无须调制的稳频技术，大大缩小光路体积和稳定性，降低器件复杂度，避免引入输入光频率调制或增加调制器件等带来的稳频精度影响，可有力支撑量子精密测量应用的小型化和工程化需求。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。
22.图1为本发明一个实施例提供的一种频率锁定的单频半导体激光器件的结构示意图；
23.图2为本发明一个实施例提供的一种频率锁定的单频半导体激光器件的另一结构示意图。
具体实施方式
24.为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
25.应当理解，本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相
近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。此外，“第一”“第二”用于区分不同对象，并非用于描述特定顺序。
26.请参阅图1，本发明实施例提供的一种频率锁定的单频半导体激光器件的结构示意图，包括半导体光源单元110、隔离分光单元120、二向色性原子蒸气激光稳频单元130和激光管壳140。本实施中，所述频率锁定的单频半导体激光器件可输出频率锁定的线偏振激光。
27.所述半导体光源单元110与所述隔离分光单元120、所述隔离分光单元120与所述二向色性原子蒸气激光稳频单元130之间均存在空间耦合，同时，所述半导体光源单元110、隔离分光单元120和二向色性原子蒸气激光稳频单元130均集成于激光管壳140内。
28.具体的，如图2所示，图中示出了半导体光源单元110、隔离分光单元120、二向色性原子蒸气激光稳频单元130和激光管壳140内部结构：
29.其中，所述半导体光源包括：微型tec1、单频半导体激光芯片2、热敏电阻3、陶瓷基板4、快轴准直镜5、慢轴准直镜6；
30.单频半导体激光芯片2、热敏电阻3、快轴准直镜5、慢轴准直镜6均通过共晶或者胶粘的方式固定于陶瓷基板4上，陶瓷基板4通过焊接方式固定于微型tec1上。
31.所述微型tec1用于为半导体光源提供温控，可保障整个半导体光源单元良好的温度稳定性，其通过焊接的方式固定于管壳上。所述陶瓷基板4采用焊接的方式固定于tec(thermo electric cooler)的冷面上。
32.所述单频半导体激光芯片2采用dfb/dbr单频半导体激光芯片，封装采用chip on submount形式，所述热敏电阻3采用贴片的方式固定在单频半导体激光芯片2附近，用于对芯片温度采样。
33.进一步的，所述单频半导体激光芯片用作光源，快轴准直镜5与慢轴准直镜6分别用于对光源进行快、慢轴进行准直，热敏电阻3用于监测光源附近温度。
34.快轴准直镜5和慢轴准直镜6分别对单频半导体激光芯片2输出光进行快慢轴准直和圆化。
35.应理解，所述单频半导体激光芯片2可以是常用的dfb/dbr单频半导体激光种子源，也可以是用于外腔的增益芯片。
36.半导体光源单元110可以扩展为基于vbg的体光栅外腔种子源。
37.其中，所述分光隔离单元120包括：光隔离器7、1/2波片8和第一偏振分光棱镜9；
38.所述光隔离器7用于隔离后续光路的背向反射光或散射光，1/2波片8、第一偏振分光棱镜9分别用于偏振分光和偏振提纯；
39.优选的，在所述第一偏振分光棱镜后添加聚焦透镜、1/2波片、保偏光纤实现保偏光纤输出。
40.为避免半导体光源单元后端回光对半导体光源单元的性能造成不利影响，放入对应波长的空间光隔离器7、1/2波片8和偏振分光棱镜9，通过调整1/2波片8，调节分光比。空间光隔离器7、1/2波片8和第一偏振分光棱镜9均采用胶粘固定。
41.其中，所述二向色性原子蒸气激光稳频单元130中至少包括加线圈的气体参比池11、1/4波片12、左探测13、下探测14、信号处理背板15和偏正分光棱镜16，还可以包括第二
偏正分光棱镜10。
42.所述加线圈的气体参比池11用于提供稳频所需的原子气室，1/4波片12与偏振分光棱镜16用于分离线偏振光的左旋圆偏振成分及右旋圆偏振成分；
43.其中，将左旋圆偏振成分、右旋圆偏振成分通过原子气室后透射谱的差值形成的类色散谱线作为反馈控制信号，对半导体光源进行稳频控制。
44.具体的，左探测和下探测均用于探测通过气室后的光信号，信号处理背板用于对左探测和下探测进行i/v转换并做差，以产生用于稳频的类色散信号。
45.所述第一偏振分光棱镜和所述第二偏振分光棱镜构成双反结构，提供稳频所需激光。
46.优选的，第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜之间添加扩束单元提高信号处理背板输出的信噪比。
47.第一偏振分光棱镜9分出的部分光经第二偏振分光棱镜10反射注入加线圈的气体参比池11中，通过向线宽中提供恒定电流产生恒定磁场进而产生塞曼能级分裂。线偏振光经1/4波片12和偏振分光棱镜16分成两束，并利用左探测pd13和下探测pd14分别探测光信号。信号处理背板15用于对左探测pd13和下探测pd14进行低噪声i/v转换并做差，以产生用于稳频的类色散信号。1/4波片12的快轴和偏振分光棱镜16的夹角为45
°
，在未给线圈通电时，调节左探测pd13和下探测pd14的相对位置，使得信号处理背板15输出的差动信号为零。
48.第二偏振分光棱镜10、1/4波片12、偏振分光棱镜16依次采用胶粘固定于激光管壳17的底板上，信号处理背板15经差动信号调整确定位置后通过胶粘固定。加线圈的气体参比池11可外加采用隔热材料的安装座固定，以提高参比池内温度的稳定性。
49.其中，激光管壳17包含底板、围框、引脚等，用于提供良好的导热、支撑、气密环境和电气接口。激光管壳17采用平行封焊的方式实现气密，保证期间的使用寿命和内部光路的稳定性。
50.本实施例中，增加了稳频功能，在保证单频输出的同时还能够实现激光频率的稳定，实现了单频半导体激光光源与稳频单元的器件级集成，并采用无须调制的稳频技术，大大缩小光路体积和稳定性，降低器件复杂度，可有力支撑量子精密测量应用的小型化和工程化需求。
51.所述领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和模块的具体工作过程可以参考前述实施例中对应的过程，在此不再赘述。
52.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
53.以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。