F—P腔的激光稳频技术探讨

摘要：光电子半导体的发展。半导体激光器凭借着工作效率高，整体结构简单，工作寿命长，机械强度高，光谱范围宽，可与常用探测器相匹配，成本低的特点被大量的应用在通信领域，航天领域，谱线分析领域。频率的稳定度的成为了衡量半导体激光器发展的层次。基于F-P腔的半导体激光器能够拥有较强的稳定性和精度，在一定条件下还具有较强的抗干扰能力，使它具有更广阔的发展空间和发展前景。在此基础上，运用了PDH技术建立了PDH模型，特别的时针对F-P腔的一系列问题进行研究，充分了解到了激光器的主要是受温度和电流的影响很大，并且分析了在不同的条件下，在稳频的状态的时候，半导体激光器的影响和反应。

关键词：F-P腔；半导体激光器；PDH稳频技术

一、绪论

（一）稳频技术研究状况

稳频技术的原理是为了维持穿过谐振腔光程长度的稳定性，稳频技术主要分为被动稳频和主动稳频。

通过调节F-P腔的腔长长度，使激光重新恢复到稳定的频率上去，从而达到稳频的目的。

稳频技术有饱和吸收法；原子光谱Zeeman效应吸收法；相位调制光外差稳频。

（二）F-P腔的优点及研究现状

外腔光反馈元件主要有光栅和F-P腔。光栅光稳定性较差。而F-P标准具光反馈稳定性能好，結构简单，可以保证激光器的输出波长始终稳定在系统的中心频率上，并且不会出现频率漂移问题。

F-P腔的优点也不是十全十美的，短期稳定性较低。所以，要采用一些方法抑制其他因素的扰动诱发的频率漂移，才能尽可能的使激光器得到稳定。

因此半导体激光器的频率是关键，有一种是基于光学元件的稳频，这种电子元件的名字叫做F-P腔，它可以不受波段的限制，成为半导体激光器稳频的主要措施，结合F-P腔的这种特点用来把半导体激光器的稳频恰到好处。

（三）半导体激光器的基本特性

半导体激光器主要分为三个部分一部分是激光管，一部分是驱动电源，最后一部分是准直支架三大部分构成

半导体激光器产生激光需要适应基本的三个条件：

（1）粒子数反转。

（2）激励和阈值条件。

（3）谐振腔。

（四）国内外的研究进展

稳频激光器的波长向长波长移动稳频方式多样化；主动稳频与被动稳频相结合将得到更高的稳定度。

二、F-P腔稳频的基础理论

（一）F-P腔的原理

F-P腔就是法布里-珀罗，利用多光束干涉原理制成的一种光学元件。F-P腔的参数主要考虑几个主要方面，在稳频中的作用影响很大，分别是自由光谱区，精细常数，腔的线宽，Q值的大小。

稳定性好的半导体激光器，需要用窄线宽和精确度高的F-P腔作为参考频率标准，使中心斜率变大，从而增大鉴频的灵敏度。

（二）F-P腔的腔长选取

为了获得激光与参考腔之间的模式匹配，应该尽可能的要求参考腔的低阶横模和纵模的间隔大，与此同时，还应该减少谱线的增加，因为它会使得谐振腔的线宽增加并且引起了中心频率的漂移。

入射光的频率稳定度与腔长的长度深受其影响，入射光的频率越稳定，腔长就会越稳定。

（三）稳频的原理

激光，受激辐射的光放大，具有单色性、高亮度、相干性等优点，已被广泛地应用到精密测量、光谱学等研究领域。激光器频率稳定性在正常工作的时候很容易受到外界环境的影响，像流入的电流，自身温度以及一些其他的外界条件都会影响稳频的效果。半导体激光器在工作的时候容易发生频率漂移，为了抑制频率漂移，采用稳频，频率的稳定性和复现性是衡量稳定的程度。

频率的稳定性是在半导体激光器能稳定的工作，时间内的频率变化量越少，稳定性也就越高。

频率的稳定性主要分为长期稳定性和短期稳定，当测试的取样时间大于探测器的响应时间，测出来的稳定书就成为长期稳定性，当测试的取样时间小于探测器的响应时间就叫做短期稳定性。

影响半导体稳定性的主要是因素是工作温度的偏移，另一个因素是驱动电流的变化。

1.注入电流变化激光器对输出的影响

在激光器工作稳定在一定的温度时候，对其注入不同的电流，输出的光强和中心波长都会变化。当输入电流的增加，使反转的粒子数也随之增多，进一步输出光强，中心波长、线宽也随之变大，禁带变窄。

2.激光器自身温度变化对其输出波长的影响

当注入电流一定时，改变激光器的工作温度，半导体激光器自身温度升高会使得减小禁带宽度，使得光腔腔长变大，在一定的驻波下，输出波长也会发生偏移，其输出中心波长计线宽都会增大，速度比电流变化缓慢。

3.外界因素对稳频的影响

半导体激光器在工作的时候容易受到外界因素影响，大致上分为几部分：温度变化的影响；大气变化的影响；机械振动的影响；内部的光反馈；磁场的影响。因此，最稳定最简单的稳频技术就是温度恒定，防止谐振腔发生震动，密闭的空间。

三、PDH的建模和误差线性分析

（一）PDH的稳频基本原理

PDH稳频技术就是在一个较高的频率上实现误差信号的检测。受到外界因素的干扰使得激光器不能达到预期的标准。采用动态系统反馈原理是实现激光频率稳定的有效办法。

（二）PDH的误差信号线性动态范围和灵敏度分析

增加调制信号可以增强线性动态范围，与此正好相反的是，F-P腔镜的反射率和腔长越大，线性动态范围越是窄的话，提高频率的灵活性。

四、总结与展望

本篇论文基于F-P腔的半导体激光器能够拥有较强的稳定性和精度，在一定条件下具有较强的抗干扰能力，使它具有更广阔的发展空间和发展前景。

参考文献：

[1]韩顺利.稳频半导体激光器线宽测量[J].宇航计测技术，2013（2）.

[2]白文峰，周亮，李征燕等.基于DSP芯片的半导体激光器稳频控制方法研究[J].自动化技术与应用，2009（1）.

[3]黄伟.基于双纵模同轴差动原理用于超精密加工在线检测的轮廓测量技术研究[D].成都：四川大学，2006.

[4]程峰钰，孟增明，张靖等.利用微波锁相频率计数器实现激光相位锁定的实验研究[J].山西大学学报（自然科学版），2012（1）.

作者简介：

史国庆，天津市邮电设计院有限责任公司。

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