本發(fā)明屬于光源，具體涉及一種用于原子測量的半導體激光光源。

背景技術(shù)：

隨著半導體激光器技術(shù)的快速發(fā)展，半導體激光器的性能不斷提高，并在高分辨光譜、激光冷卻與囚禁原子、量子傳感等原子測量研究方面得到廣泛的應用。在這些應用領(lǐng)域中，通常需要將輸出激光的中心頻率鎖定在某個特定的參考頻率上，因此對激光頻率的穩(wěn)定性提出了極高的要求，達到MHz量級。

為了實現(xiàn)上述要求的激光頻率穩(wěn)定性，目前常用的方法是去多普勒飽和吸收法，如中國專利CN101593933A、CN204346911U所采用的方法。該方法將一束激光分解為參考光、檢測光和泵浦光，其中檢測光和泵浦光光路重合、方向相反地穿過飽和吸收池，參考光和檢測光經(jīng)光電探測器探測和差動放大后，將其輸出作為激光頻率穩(wěn)定性控制的反饋信號。

此外，也有利用激光通過原子氣室時產(chǎn)生的熒光強弱來進行激光頻率穩(wěn)定性控制的設(shè)計方法，如中國專利CN102111154A所采用的方法。該方法將一束激光穿過原子氣室，通過掃描激光頻率，使激光穿過原子氣室時產(chǎn)生的熒光信號發(fā)生變化，光電探測器探測熒光信號的變化，并反饋控制激光頻率使熒光信號保持最大值。

采用上述兩種方法均能實現(xiàn)激光頻率的高穩(wěn)定性，但兩者都需要在輸出激光之后進行相應的光路設(shè)計和光電轉(zhuǎn)換，并對前級驅(qū)動進行反饋控制，因此都存在體積龐大、結(jié)構(gòu)復雜、對溫度和力學環(huán)境適應能力差等問題，僅能在實驗室環(huán)境條件下使用，難以在移動和便攜產(chǎn)品上應用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種用于原子測量的半導體激光光源。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：一種用于原子測量的半導體激光光源，包括激光器 組件、驅(qū)動控制模塊和光學組件，其中驅(qū)動控制模塊驅(qū)動激光器組件產(chǎn)生激光，產(chǎn)生的激光通過光學組件的調(diào)整形成光源。

如上所述的一種用于原子測量的半導體激光光源，其中，所述的激光器組件包括半導體激光器、外溫度傳感器、外熱電致冷器、熱沉和散熱器；

半導體激光器為內(nèi)置溫度傳感器和熱電致冷器的DBR半導體激光器，其內(nèi)置溫度傳感器和熱電致冷器與溫度控制模塊構(gòu)成溫度控制內(nèi)環(huán)，直接對半導體激光器工作溫度進行精確控制，

外溫度傳感器、外熱電致冷器與溫度控制模塊構(gòu)成溫度控制外環(huán)，用于對熱沉的溫度進行控制，間接實現(xiàn)對半導體激光器工作溫度進行初級控制，

熱沉為導熱系數(shù)高的結(jié)構(gòu)體，既作為半導體激光器的安裝載體，又作為溫度控制內(nèi)環(huán)和溫度控制外環(huán)之間的熱傳遞通道，

散熱器為導熱系數(shù)高的結(jié)構(gòu)體，安裝在外熱電致冷器的熱端，用于實現(xiàn)溫度控制外環(huán)與外界環(huán)境之間進行熱量交換。

如上所述的一種用于原子測量的半導體激光光源，其中，所述的驅(qū)動控制模塊包括電流驅(qū)動模塊和溫度控制模塊；

電流驅(qū)動模塊是一個可控精密恒流源，用于產(chǎn)生驅(qū)動半導體激光器的高精度恒定電流，

溫度控制模塊與半導體激光器內(nèi)置的溫度傳感器和熱電致冷器構(gòu)成溫度控制內(nèi)環(huán)，與外溫度傳感器和外熱電致冷器構(gòu)成溫度控制外環(huán)，分別對半導體激光器和熱沉進行溫度閉環(huán)控制。

如上所述的一種用于原子測量的半導體激光光源，其中，所述的光學組件包括準直透鏡、變形棱鏡、光隔離器、光纖耦合器；

準直透鏡用于將半導體激光器輸出的橢圓形發(fā)散光束準直為橢圓形平行光束，

變形棱鏡由兩個楔形棱鏡組成，用于將準直透鏡產(chǎn)生的橢圓形平行光束轉(zhuǎn)變成圓形平行光束，

光隔離器實現(xiàn)激光單向傳播，避免激光反向傳播導致激光頻率擾動，

光纖耦合器用于將激光耦合進光纖內(nèi)傳輸和使用。

本發(fā)明的效果是：在半導體激光器前端采取溫度閉環(huán)控制和電流閉環(huán)控制，取代后端的光學設(shè)計和光電探測，在確保激光頻率穩(wěn)定性的同時，減小光源的體積，降低光源的復雜程度，提高光源的環(huán)境適應能力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的激光器組件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的電流驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明的溫度控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明的光學組件結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標記說明：A1.激光器組件；A11.半導體激光器；A12.外溫度傳感器；A13.外熱電致冷器；A14.熱沉；A15.散熱器；A2.驅(qū)動控制組件；A21.電流驅(qū)動模塊；A22.溫度控制模塊；A3.光學組件；A31.準直透鏡；A32.變形棱鏡；A33.光隔離器；A34.光纖耦合器。

具體實施方式

一種用于原子測量的半導體激光光源，至少包括：半導體激光器、外溫度傳感器、外熱電致冷器、熱沉、散熱器、電流驅(qū)動模塊、溫度控制模塊、準直透鏡、變形棱鏡、光隔離器、光纖耦合器。其中半導體激光器、外溫度傳感器、 外熱電致冷器、熱沉、散熱器通過結(jié)構(gòu)件裝配后形成激光器組件；電流驅(qū)動模塊、溫度控制模塊通過結(jié)構(gòu)件裝配后形成驅(qū)動控制模塊；準直透鏡、變形棱鏡、光隔離器、光纖耦合器通過結(jié)構(gòu)件裝配后形成光學組件。

其中：

半導體激光器為內(nèi)置溫度傳感器和熱電致冷器的DBR半導體激光器，其內(nèi)置溫度傳感器和熱電致冷器與溫度控制模塊構(gòu)成溫度控制內(nèi)環(huán)，直接對半導體激光器工作溫度進行精確控制。

外溫度傳感器、外熱電致冷器與溫度控制模塊構(gòu)成溫度控制外環(huán)，用于對熱沉的溫度進行控制，間接實現(xiàn)對半導體激光器工作溫度進行初級控制。

熱沉為導熱系數(shù)高的結(jié)構(gòu)體，既作為半導體激光器的安裝載體，又作為溫度控制內(nèi)環(huán)和溫度控制外環(huán)之間的熱傳遞通道。

散熱器為導熱系數(shù)高的結(jié)構(gòu)體，安裝在外熱電致冷器的熱端，用于實現(xiàn)溫度控制外環(huán)與外界環(huán)境之間進行熱量交換。

電流驅(qū)動模塊是一個可控精密恒流源，包括電壓基準、輸入控制、電流驅(qū)動、電流檢測、反饋控制等環(huán)節(jié)，用于產(chǎn)生驅(qū)動半導體激光器的高精度恒定電流。

溫度控制模塊包括輸入控制、溫度拾取、PID控制、電流驅(qū)動等環(huán)節(jié)，與半導體激光器內(nèi)置的溫度傳感器和熱電致冷器構(gòu)成溫度控制內(nèi)環(huán)，與外溫度傳感器和外熱電致冷器構(gòu)成溫度控制外環(huán)，分別對半導體激光器和熱沉進行溫度閉環(huán)控制。

準直透鏡用于將半導體激光器輸出的橢圓形發(fā)散光束準直為橢圓形平行光束。

變形棱鏡由兩個楔形棱鏡組成，用于將準直透鏡產(chǎn)生的橢圓形平行光束轉(zhuǎn)變成圓形平行光束。

光隔離器實現(xiàn)激光單向傳播，避免激光反向傳播導致激光頻率擾動。

光纖耦合器用于將激光耦合進光纖內(nèi)傳輸和使用。

所述半導體激光器安裝于熱沉的中心位置，如圖2所示；兩者接觸面緊密貼合，與熱沉之間形成良好的熱傳遞通道；半導體激光器內(nèi)置溫度傳感器和熱電致冷器，與溫度控制模塊一同構(gòu)成溫度控制內(nèi)環(huán)，用于直接對半導體激光器進行精確溫度控制；半導體激光器通過電纜與電流驅(qū)動模塊實現(xiàn)電氣連接，在電流驅(qū)動模塊輸出的電流作用下，對外發(fā)射激光。

所述外溫度傳感器安裝于熱沉外表面靠近半導體激光器的位置，如圖2所示；外溫度傳感器與熱沉緊密貼合，用于敏感熱沉的實際溫度；外溫度傳感器與外熱電致冷器、溫度控制模塊一同構(gòu)成溫度控制外環(huán)，用于直接對熱沉進行溫度控制，實現(xiàn)間接對半導體激光器進行初級溫度控制。

所述外熱電致冷器安裝于熱沉的兩側(cè)面，如圖2所示；外熱電致冷器的冷端與熱沉緊密貼合，與熱沉之間形成良好的熱傳遞通道，用于對熱沉進行致冷或致熱；外熱電致冷器與外溫度傳感器、溫度控制模塊一同構(gòu)成溫度控制外環(huán)，用于直接對熱沉進行溫度控制，實現(xiàn)間接對半導體激光器進行初級溫度控制。

所述熱沉位于半導體激光器和外溫度傳感器、外熱電致冷器之間，如圖2所示；其內(nèi)部與半導體激光器裝配，外部與外溫度傳感器和外熱電致冷器裝配，各裝配面均緊密貼合，形成良好的熱傳遞通道；熱沉在溫度控制外環(huán)的作用下，實現(xiàn)間接對半導體激光器進行初級溫度控制。

所述散熱器位于外熱電致冷器的外側(cè)，如圖2所示；其內(nèi)表面與外熱電致 冷器的熱端緊密貼合，與外熱電致冷器之間形成良好的熱傳遞通道，外表面與大氣接觸，實現(xiàn)自然散熱。

所述電流驅(qū)動模塊位于驅(qū)動控制組件內(nèi)，與激光器組件分開放置，兩者通過電纜實現(xiàn)電氣連接，如圖3所示；電流驅(qū)動模塊包括電壓基準、輸入控制、電流驅(qū)動、電流檢測、反饋控制等環(huán)節(jié)，其中輸入控制環(huán)節(jié)設(shè)定目標電流參數(shù)，電流驅(qū)動環(huán)節(jié)根據(jù)電流設(shè)定值產(chǎn)生相應的電流對外輸出，電流檢測環(huán)節(jié)監(jiān)測實際的電流輸出值，并通過反饋環(huán)節(jié)反饋到電流驅(qū)動環(huán)節(jié)的輸入端，形成驅(qū)動電流的閉環(huán)控制；電流驅(qū)動模塊輸出的電流通過電纜送往半導體激光器，產(chǎn)生激光輸出。

所述溫度控制模塊位于驅(qū)動控制組件內(nèi)，與激光器組件分開放置，兩者通過電纜實現(xiàn)電氣連接，如圖4所示；溫度控制模塊包括輸入控制、溫度拾取、PID控制、電流驅(qū)動等環(huán)節(jié)，其中輸入控制環(huán)節(jié)設(shè)定目標溫度參數(shù)，溫度拾取環(huán)節(jié)獲取實際的溫度參數(shù)，PID控制環(huán)節(jié)根據(jù)目標溫度和實際溫度的差值產(chǎn)生PID控制信號，電流驅(qū)動環(huán)節(jié)根據(jù)PID控制信號產(chǎn)生相應的電流，驅(qū)動熱電致冷器致冷或致熱，從而實現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。

所述準直透鏡為非球D型透鏡，通過結(jié)構(gòu)件與激光器組件固連，安裝位置在半導體激光器輸出光軸的中心，與激光器發(fā)光面的距離為準直透鏡的焦距，如圖5所示；準直透鏡用于將從半導體激光器發(fā)出的橢圓形發(fā)散光束準直成橢圓形平行光束。

所述變形棱鏡為楔形棱鏡對，通過結(jié)構(gòu)件與激光器組件固連，安裝位置在準直透鏡之后，如圖5所示；變形棱鏡用于將準直后的橢圓形平行光束轉(zhuǎn)變成圓形平行光束。

所述光隔離器為偏振隔離器，通過結(jié)構(gòu)件與激光器組件固連，安裝位置在 變形棱鏡之后，如圖5所示；光隔離器用于隔離沿光路返回的反射光，將光學系統(tǒng)的反饋最小化，從而降低反射光對半導體激光器的擾動。

所述光纖耦合器是一個具有多自由度的光學轉(zhuǎn)換接口，通過結(jié)構(gòu)件與激光器組件固連，安裝在光隔離器之后，如圖5所示；通過光纖耦合器將空間自由光耦合進光纖，便于傳輸和使用。