1 、引言

　　激光具有良好的單色性和相干性，它的出現極大地促進了原子（分子）動量操控的實驗研究以及原子（分子）相關的精密測量。在激光冷卻原子氣體以及原子（分子）相關的頻率標準、磁強計、重力儀、陀螺儀等前沿基礎和應用研究領域，激光都發揮了不可替代的作用。這些實驗研究對激光頻率的線寬和穩定性有非常高的要求。對于實用化的原子（分子）精密測量設備，需要激光頻率的穩定度在幾小時到幾年內都保持在一定水平以上。在基于原子（分子）的可搬運精密儀器中，激光器還需要滿足低功耗、小型化和高可靠性的要求。半導體激光器具有體積小、效率高、價格便宜、結構簡單以及便于調諧等優點，其在上述的領域中得到廣泛應用 。

　　本文設計了一套基于半導體激光器的穩頻激光系統，系統具有功耗低、體積小和穩定性高的特點。相比于現有的商用激光器，除了具備開機即可自動頻率鎖定的功能外，該系統的主要改進在于設計并實現了高效率、小型化、低噪聲的新型電源,在保證激光器頻率指標的前提下，降低了系統的體積和功耗。我們選用了分布反饋式半導體激光器（DFBLaser），此激光器不需要外腔壓窄線寬，其穩定度預期比商用外腔半導體激光器更好。目前國內外穩頻激光器的研究主要集中在超窄線寬和高短穩等方向上，對于小型化、可長期自動穩頻的激光器的研究較少見到相關報道。我們測量了該系統的體積、功耗、輸出激光頻率的線寬和穩定度。和商用外腔半導體激光器相比，此激光器體積同比縮小了約85%，整機功耗降低了約90%，穩定度還略有提高。此激光器的性能完全滿足小型化超冷原子實驗平臺、原子重力儀、陀螺儀和頻率標準等設備的要求。

　　2 、半導體穩頻激光系統的設計

　　本文的穩頻激光系統采用的DFBLaser（型號：EYP-DFB-0780-00150-1500-TOC03-000x）的特性為：尺寸為38.9mm×25.4mm×9.3mm；輸出激光功率可達100mW；中心波長為780nm，線寬為2MHz；頻率的溫調率為24.8GHz/K，電調率為1.23GHz/mA。

圖 1(a)激光系統框圖

　　此激光系統電源的設計圖如圖 1(a)所示。整機尺寸為 150mm×80mm×150mm（體積約為1.8L），功耗約為 15W。現有的商用外腔激光器的驅動電源一般是 19寸 3U的標準機箱，其尺寸為482.6mm×132mm×185mm（體積約為11.8L），功耗一般為150W。本文設計的激光系統驅動電源與其相比體積縮小了約85%，功耗降低了約90%。

 (b)效果圖(c)飽和吸收譜光路圖(d)~87Rb的D2躍遷飽和吸收譜

　　此激光系統的原理框圖如圖1(b)所示，分為如下幾個模塊：電壓源模塊、控溫模塊、控流模塊、光學模塊和主控模塊。（1）為電壓源模塊，用于將110-220V交流電或者80V-120V高壓直流電轉化為穩定直流電為激光系統供電。（2）為控溫模塊，用于控制激光器的溫度。（3）為控流模塊，用于控制激光器的注入電流。（4）為光學模塊，用于產生飽和吸收光譜(SAS)，為激光頻率鎖定產生誤差信號。（5）為主控模塊，通過單片機整體控制溫度、電流和誤差信號，用于自動穩頻。

　　要獲得高穩定度的輸出激光頻率，最關鍵的三個部分為：低漂移的控溫、控流和穩頻電路。

　　對激光管輸出頻率影響的兩個因素是管芯工作溫度和注入電流，因此要獲得高穩定度的激光頻率，首先需要穩定控制激光管的工作溫度和注入電流。我們設計了小型化、高　　性能的控溫電路提高電流的穩定性，降低了溫度對激光頻率的影響；同時，我們還設計了低功耗、低紋波的控流電路，降低了激光電流對激光頻率的影響。電路分別將溫度和電流采樣信號與各自的高穩定度基準源進行比較得到誤差信號，誤差信號再經過比例-積分-微分電路（PID）處理后調整激光器的溫度和電流，從而降低輸出的激光的線寬和頻率漂移。