基于SERF磁强计的小型化超稳激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，提供了一种基于SERF磁强计的小型化超稳激光器。

背景技术

利用基于无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF)效应的SERF磁强计将磁场测量灵敏度提高到aT量级。该技术对促进我国深空磁探测、磁异常探潜、超高分辨率心脑磁成像等领域高精度磁场测量技术变革，保障国家安全以及人民生命健康，开展重大疑难心脑疾病机理研究等意义重大。

半导体激光器是SERF磁强计中至关重要的组成部分，可以用于抽运激光激发碱金属原子极化以及用于检测激光检测原子的自选进动信号，激光器的各项参数会直接影响SERF阵列式磁强计的抽运和检测两个关键步骤。性能较差的激光器将会降低抽运激光的抽运率、产生光频移现象、产生光学噪声、降低SERF磁强计测量磁场的灵敏度，极大的损害SERF磁强计的性能指标。

DBR/DFB半导体激光芯片是目前SERF磁强计最常用的激光器芯片，然而其远场光斑通常是不对称的椭圆形，发散角也比较大，在垂直于结平面的方向发散角称为快轴发散角，一般能达到30°～40°，在平行于结平面的方向发散角称为慢轴发散角，一般能达到10°～20°。在SERF磁强计的应用中，希望激光器能有一个极小的均匀圆光斑，这就需要对激光器的发散角进行准直整形。

传统的激光功率稳定方法如声光调制功率稳定方法和电光调制功率稳定方法光路比较复杂，难以集成到小型化的激光器中，且调制效率低、温度稳定性差等缺点；而液晶可变相位延迟器具有响应带宽，驱动电压小，易于集成等多种优点，近年来被广泛用于激光稳功率系统中。

此外，传统方法使用机械夹具或机械调节架对光学元件进行固定，可能会引起机械振动或干扰，不利于激光器的功率稳定。因此本专利提出了一种使用液晶可变相位延迟器进行激光功率稳定小型化超稳激光器集成方法，解决激光器功率稳定和小型化问题。

发明内容

本发明的目的在于解决传统的激光功率稳定方法如声光调制功率稳定方法和电光调制功率稳定方法光路比较复杂，难以集成到小型化的激光器中，且调制效率低、温度稳定性差等缺点。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术手段：

本发明提供了一种基于SERF磁强计的小型化超稳激光器，包括底座，设置在底座上的依次设置的半导体激光芯片、快轴准直镜、慢轴准直镜、隔离器、第一半波片、液晶可变相位延迟器、偏振分光棱镜、第二半波片、耦合镜，耦合镜通过光纤连接光纤，还包括PID控制系统，PID控制系统的光电探测器探测偏振分光棱镜的环内光，并根据环内光的功率波动，对液晶可变相位延迟器输出对应的驱动电压。

上述方案中，所述快轴准直镜圆柱体侧放，即圆柱体母线与底座(1)存在平行关系；所述慢轴准直镜圆柱体立放，即圆柱体母线与底座(1)存在垂直关系。

上述方案中，快轴发散角θ

上述方案中，第一半波片与第二半波片快轴正交。两个快轴正交的半波片与液晶可变相位延迟器组成液晶可变噪声衰减器，通过PID控制，可以对激光器功率进行调节。本发明还提供了一种基于SERF磁强计的小型化超稳激光器输出激光整形方法，包括以下步骤：

步骤1：由高精度电流源产生电流传入到半导体激光芯片中，产生主激光，主激光经过快轴准直镜、慢轴准直镜完成准直整形，从椭圆形光斑整形为圆形光斑，准直整形后的主激光通过隔离器，隔离器可以防止激光回光；

步骤2，主激光通过隔离器后，依次经过第一半波片，液晶可变相位延迟器，偏振分光棱镜，由偏振分光棱镜将主路激光分为环内光和环外光；

步骤3，环内光经过光电探测器将光信号转换为电信号传输到PID控制系统中，PID控制系统计算出设定激光功率与实际激光功率的差值，并给出反馈电压调节液晶可变相位延迟器，液晶可变相位延迟器的驱动电压改变会引起其相位延迟的改变，通过PID控制可以实现稳定的输出功率，从而实现激光器的超稳输出；

步骤4，功率稳定后的环外光经过第二半波片以及耦合镜耦合进入光纤输出。

上述方案中，还包括快慢轴封装方法，封装步骤如下：

步骤1，将快轴准直镜、与慢轴准直镜与激光器底座清洗干净；

步骤2，使半导体激光芯片产生的椭圆形激光经过快轴准直镜，通过光束质量分析仪分析快轴准直镜的准直效果，调节准直镜位置使激光器y轴轮廓接近高斯光束，形成直线形激光；

步骤3，使用针头取少许紫外胶均匀涂于固化面上，并用紫外灯均匀照射固化面48分钟以上；

步骤4，使用同样方法固化慢轴准直镜，出射激光成为一个点。

因为本发明采用上述技术手段，因此具备以下有益效果：

1：设计快轴准直镜与慢轴准直镜。采用非球面微透镜准直整形技术，综合考虑半导体激光器芯片的发散角与光谱特性，设计的准直镜能够将半导体激光器芯片产生的椭圆光斑准直整形为圆形光斑，达到减小激光像差，提高激光光束质量的目的；

2：设计一套无机械振动式光学元件固化系统。将快轴准直镜、慢轴准直镜、耦合镜等使用低线性收缩率、低热膨胀系数的紫外胶直接固定在激光器底座上，避免使用机械夹具或机械调节架进行固定，消除机械振动带来的功率扰动，提高激光器的功率稳定性；

3：设计一套基于液晶可变相位延迟器的激光功率稳定系统，由两个相位正交的半波片、液晶可变相位延迟器、偏振分光棱镜、光电探测器与PID控制系统组成。相比于基于声光调制器的功率稳定系统，本专利所述基于液晶可变相位延迟器的激光功率稳定系统光路简单，直接集成于激光器中，且其响应带宽宽、驱动电压小、激光稳定效果好，有利于激光器的长期稳定工作。综合以上创新点，本发明激光器的长期稳定性能能够达到0.01％量级。

附图说明

图1为本发明一种基于SERF磁强计的小型化超稳激光器系统整体结构示意图；

图2为本发明采用现有技术的半导体激光器芯片2结构示意图；

图3为本发明使用半导体激光器芯片平面结构图；

图4、图5为本发明创新点1中所述快轴准直镜、慢轴准直镜结构示意图；

图6为液晶稳功率系统的示意图；

附图标记列示如下：1-底座；2-半导体激光芯片；3-主激光；4-快轴准直镜；5-慢轴准直镜；6-隔离器；7-半波片；8-液晶可变相位延迟器；9-环内光；10-偏振分光棱镜；11-PID控制系统；12-光电探测器；13-环外光；14-半波片；15-耦合镜；16-光纤连接器；17-光纤；18-异质结；19-有源区；20-解理面；21-发光区；22-条形接触；23-慢轴发散角；24-快轴发散角；25-椭圆形激光；26-直线形激光；27-激光点。

具体实施方式

为了方便本领域技术人员更好的理解本发明构思，现结合附图对本发明做进一步的说明：

如图2为本发明采用现有技术的半导体激光器芯片2结构示意图：

半导体激光器的远场特性是指距输出腔面一个光波长以外的光束在空间上的分布，也成为激光器的发散角。在SERF阵列式磁强计的应用中，希望激光器能有一个极小的均匀圆光斑，然而DFB/DBR半导体激光器的远场光斑通常是不对称的椭圆形，发散角也比较大。在垂直于结平面的方向发散角称为快轴发散角θ

图3为本发明使用半导体激光器芯片平面结构图，图3中(1)所示快轴发散角为22°；图3中(2)所示慢轴发散角为10°。需要快慢轴准直镜对发散角进行准直整形。

半导体激光器芯片发出的长条形激光为发散光，通过第一片快轴准直镜4后光斑压为一巨长条形光斑，这是由于只压缩了快轴黄色指示的光线，慢轴的光线直接穿过透镜射向5慢轴准直镜(只压缩慢轴)，深红色指示的光线。最后在远端为一点(无穷远处近乎成为一点)，实际上我们认为是平行光输出。

图4、图5为本发明创新点1中所述快轴准直镜、慢轴准直镜结构示意图。

从激光器芯片发射出的椭圆形激光经过快轴准直镜，快轴发散方向被压缩，慢轴发散方向不变，在光束质量分析仪上呈现为一排发光点，在宏观上表现为一条激光线，快轴发散角得以缩小。快轴被压缩后的激光经过慢轴准直镜，慢轴发散方向被压缩，形成一个接近圆形的光斑。本发明中借助光束质量分析仪对快慢轴准直整形效果进行监控，通过准直整形后的光斑直径小于100um。

图6为液晶稳功率系统的示意图，其液晶稳功率系统的基本原理如下：

使用方波驱动电压加载在液晶可变相位延迟器8上，此时液晶的o光和e光之间产生半波相位延迟π，激光光束变成了偏振方向水平的线偏光，从半波片14出射的光功率最大，此时的驱动电压称作半波电压。随着驱动电压从半波电压开始增加，液晶可变相位延迟器9的相位延迟量减小，出射光变为椭圆偏振光，因此通过半波片14的光功率不断衰减。光电探测器检测到环内光9的功率波动，利用PID算法得到相应的液晶可变相位延迟器的驱动电压，将其加载到液晶可变相位延迟器8上，使得环内光9趋于稳定。当环内光9控制稳定时，系统的输出，即进入SERF磁强计激光光束的功率也趋于稳定。

本发明还提供了一种基于SERF磁强计的小型化超稳激光器输出激光整形方法，包括以下步骤：

步骤1，由高精度电流源产生电流传入到半导体激光芯片2中，由芯片产生主激光3，激光经过快轴准直镜4、慢轴准直镜5完成准直整形，从椭圆形光斑整形为圆形光斑，准直整形后的激光通过隔离器6，隔离器可以防止激光回光，避免激光震荡烧毁激光芯片；

步骤2，激光通过隔离器后，依次经过半波片7，液晶可变相位延迟器8，

偏振分光棱镜10，由偏振分光棱镜10将主路激光分为环内光9和环外光13；

步骤3，环内光9经过光电探测器12将光信号转换为电信号传输到PID控制系统11中，PID控制系统计算出设定激光功率与实际激光功率的差值，并给出反馈电压调节液晶可变相位延迟器，液晶可变相位延迟器的驱动电压改变会引起其相位延迟的改变，通过PID控制可以实现稳定的输出功率，从而实现激光器的超稳输出；

步骤4，功率稳定后的环外光13经过半波片14以及耦合镜15耦合进入光纤17输出，之后作为SERF磁强计的工作光源进行抽运或检测。

所述快慢轴封装方法与图3所示，封装步骤如下：

步骤1，将快轴准直镜4、与慢轴准直镜5与激光器底座1清洗干净；

步骤2，使半导体激光芯片2产生的椭圆形激光18透过快轴准直镜4，通过光束质量分析仪分析快轴准直镜的准直效果，调节准直镜位置使激光器y轴轮廓接近高斯光束，形成直线形激光19；

步骤3，使用针头取少许紫外胶均匀涂于固化面上，并用紫外灯均匀照射固化面48分钟以上；

步骤4，使用同样方法固化慢轴准直镜，出射激光成为一个点20。