窄线宽外腔半导体激光器的被动稳频研究

作     者：高启瑞 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱涛

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：窄线宽激光器 稳频技术 单纵模外腔激光器 

摘      要：窄线宽外腔半导体激光器因具有长相干时间,低相位噪声以及高集成度,已广泛应用于相干通信、精密测量和信号合成等科学研究与工业应用等领域。目前常用的外腔半导体激光器在受到外界环境温度和振动产生的热动力学噪声影响时,容易产生频率漂移和跳模等现象,导致激光器的相干性降低以及噪声增加,会破坏激光的稳定运转。本文针对窄线宽外腔半导体激光器稳定化问题,从被动隔振隔声理论分析、模块化结构设计及加工、主被动温度控制方式等多方面入手展开窄线宽外腔半导体激光器频率和强度噪声的抑制研究。论文主要内容如下:(1)在分析窄线宽半导体激光器的应用需求的基础上,总结了现有窄线宽半导体激光器的类型,得出外腔光反馈法是窄线宽半导体激光器线宽进一步窄化的基本方法之一。从激光器线宽窄化与频率稳定层面,阐述了目前窄线宽外腔激光器主被动稳频的主要机制和研究现状。通过对国内外上窄线宽半导体激光器线宽及稳定性指标的深入分析,探讨了1550 nm波段窄线宽激光器稳频技术需要进一步研究的主要内容。(2)分析得出激光频率稳定性主要受到温度、振动及大气压强的影响,进而扰动谐振腔腔长及折射率。基于光与物质的相互作用分析激光器输出频率受弹光和热光效应影响原理,并对应力引起光纤相位变化进行理论推导;分析激光器输出中心频率受温度变化影响的相关机制,推导温度变化与石英光纤频率漂移量的关系。同时分析衡量激光器输出稳定性的指标参数:谱线宽度、频率噪声及强度噪声的测量原理。最后从噪声类型及产生机理角度对噪声抑制原理进行分析总结。(3)从激光器振动和温度控制两方面出发,分析隔声隔振及阻尼改善低频段的隔声及共振问题的相关机理,探讨有效的隔声隔振复合结构及和激光系统封装结构。采用有限元建模仿真的方法,通过对整体激光器模块进行隔声量化分析,对研究设计结构内部的隔声效果进行研究,提出减小和抑制由振动和声音产生误差的封装措施。通过分析不同材料隔绝温度的效果,优化被动隔温材料的选型,同时添加主动温控机制。采用有限元建模仿真方法,通过对整体激光器模块进行温度响应分析,对设计结构内部的隔热效果进行了研究。(4)对弱分布反馈构成的窄线宽半导体激光器进行稳定化实验验证。实现线宽窄化和初步稳频,延时自外差线宽由本身的606.79 k Hz窄化至8.67 k Hz,100Hz频段低频部分频率噪声降低三个数量级,10Hz以上的高频部分由开始的10Hz/Hz量级降至10Hz/Hz量级。施加振动控制,激光器模块的频率噪声在100Hz以下的低频部分由10 Hz/Hz降至10 Hz/Hz,下降两个数量级,隔振隔声效果良好。在振动控制的基础上对模块施加被动温度控制,此时输出的激光频率可有效避免模式跳变的影响。在采用PID控制电路进行主动温控后,温度改变滞后于外界温度变化,且频率漂移随温度缓慢平缓变化。同时激光器输出中心频率的漂移量在MHz/h量级,延时自外差线宽为7.119 k Hz。从长期稳定性来看,五小时的漂移量在100 MHz以内,长时频率稳定性为3.48×10@5 h,短期稳定度为10@50 ms,达到工业应用水平。