[发明专利]一种用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置

说明书

本发明提供了一种用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置，包括金属罩、金属基底、光路系统和电路系统；光路系统和电路系统集成于金属基底上并被金属罩包裹覆盖，光路系统用于使光与原子在光路系统中相互作用以产生饱和吸收现象以及用于向电路系统输出光信号，电路系统用于探测并处理所述光路系统输出的光信号。本申请的饱和吸收光谱装置，作为一种饱和吸收鉴频装置，结构紧凑，体积小，可用电池驱动，无需电源线，在实际的光路搭建中可以方便地加入或者撤离，使用光学元件少，成本低，功耗低。

技术领域

本发明涉及激光鉴频装置，属于非线性光谱技术领域，特别涉及一种用于半导体激光器的饱和吸收光谱的装置。

背景技术

半导体激光器在激光光谱、量子频标、原子传感等基础研究领域越来越发挥重要作用。半导体激光器自由运转时，环境温度、振动、温控仪温度起伏、注入电流的波动以及其他干扰，均会导致半导体激光器的频率发生漂移和跳动，激光频率的长期稳定性较差。为解决激光频率长期漂移的问题，可以利用腔的共振透射峰或者原子、分子的跃迁线作为参考频率对激光器进行稳频。饱和吸收光谱稳频是利用原子跃迁线作为参考频率实现半导体激光频率稳定的方法之一。

原子吸收光谱是一种基于原子或分子的外层电子对紫外光和可见光的共振吸收现象。由于原子在室温下剧烈的热运动，产生多普勒效应，其原子吸收线会产生多普勒展宽，从而使普通的原子吸收光谱无法体现出原子精细分裂的特征，大大限制了该技术的应用。饱和吸收光谱作为一种测量原子吸收光谱的新技术，通过设计原子与多个光场之间的相互作用，使得到的吸收光谱信号没有多普勒展宽，可以方便地观察原子在精细分裂能级间的跃迁，在为超精细光谱学等领域的广泛应用奠定了基础。

饱和吸收光谱技术能有效地消除多普勒增宽对谱线的影响,实现了对原子、分子气体样品的超精细能级吸收谱线的探测。比如通过对铷D2线饱和吸收光谱的测量和分析，并使用锁频装置，可以准确方便地将泵浦激光频率锁在铷D2线的超精细跃迁线上，通过对反馈回路中的电信号进行优化处理，并将反馈信号同时加载到激光电流和反馈光栅的压电陶瓷上，使半导体激光器的频率锁定灵敏度及长期稳定性都得到很大的提高。

图1是传统饱和吸收光路系统示意图，由图1可知，传统饱和吸收光路是由一束强入射光在厚玻璃板产生两束弱反射光，再用两面反射镜将强光与其中一束弱光在碱金属气室中尽量重合，产生饱和吸收效应，另一束弱光则作为参考光。。图2是传统饱和吸收电路系统示意图，由图2可知，传统饱和吸收电路将两个光电二极管首尾相接，将所探测的两束光信号直接转换为光电流差型号，然后通过运算放大器进行发大后将电流差信号转化放大为电压差信号输出，该电路无法从电路原理上平衡两束光的光电信号大小，若两束光强有细微的差别，由于放大倍数很大，输出电压将会很大，并且容易饱和，需要转动光电二极管方向，从物理上控制接收到的光强来平衡光电信号，稍微的转动就会导致平衡被打破。

综上，传统饱和吸收光谱装置大部分都是利用分立元器件搭建而成，光路占用面积大，探测器与光路之间容易受到干扰导致锁频失败，探测器电源噪声大，电路调节能力差且功耗高。

发明内容

为了克服传统饱和吸收光谱装置大部分都是利用分立元器件搭建而成，光路占用面积大，探测器与光路之间容易受到干扰导致锁频失败，探测器电源噪声大，电路调节能力差且功耗高的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种用于半导体激光器的微功耗小型化饱和吸收光谱装置，包括金属罩、金属基底、光路系统和电路系统；光路系统和电路系统集成于金属基底上并被金属罩包裹覆盖，光路系统用于使光与原子在光路系统中相互作用以产生饱和吸收现象以及用于向电路系统输出光信号，电路系统用于探测并处理所述光路系统输出的光信号。

本申请中的“半导体激光器”是指本领域常用的所有类型的半导体激光器，并不限定为某些特定类型。