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技术文章--用于激光光泵磁力仪的工程光源方案

来源:本站  时间:2017-06-01  阅读:98

1 引言   
    微弱磁场探测作为一种不可替代的有效手段,被广泛应用在包括航空航天,地理勘测,精密工业制造等关系到国计民生的重要领域。综合考虑灵敏度及工程易用性的要求,激光光泵磁力仪方案是一种非常理想的选择。
在激光光泵磁力仪方案中,激光光强和激光频率稳定度是影响磁力仪灵敏度的关键因素。而作为工程化激光光泵磁力仪光源的半导体激光管,其频率极易受温度,震动等环境因素的影响;与之配套的准直、分束,稳频,耦合等光路的稳定性,对泵浦激光的功率稳定度也有着直接的影响。因此,在将实验室中的激光光泵磁力仪原理样机转化为可以在应用现场稳定工作的工程产品的过程中,研制高度集成化且具备隔震,抗温变特性的高稳定度光源是关键性的工作。
富泰科技基于在激光光泵磁力仪领域的业务积累,并结合外部先进的设计和工艺技术资源,成功推出了可直接集成入激光光泵磁力仪产品的一体化稳频激光光源,该一体化稳频光源可直接输出经饱和吸收谱稳频后的窄线宽准直激光束;且通过了工程可靠性验证,可以在包括移动平台的应用场景下保障激光输出的频率及功率稳定度。该光源方案采用平台化技术设计架构,具备强大的波长可拓展性,可提供767nm, 770nm, 780nm, 795nm, 852nm, 894nm等波长,应用于基于钾,铷,铯碱金属原子的激光光泵磁力仪产品。

2. 方案介绍
2.1 设计思路
图1为激光光泵磁力仪的光源原理图。为了保证磁力仪的检测灵敏度,激光光泵磁力仪的光源必须要具有很好的频率稳定度,功率稳定度以及优化设计的光束直径。因此,激光光泵磁力仪光源应包括准直整形,偏振分束,饱和吸收稳频光路以及相应的高精度电流控制,温度控制和稳频电路。另外,如果需要将稳频激光光束通过光纤传输到磁力仪探头以避免光源自身磁场对探测结果的干扰,还需要使用光纤耦合光路及后续的光纤准直扩束光路。
我们的一体化稳频激光光源的设计思路是将窄线宽半导体激光管,准直整形,偏振分束,饱和吸收稳频光路以及电流控制,温度控制和稳频电路集成到一个小型化的机械结构里并提供标准控制接口(如RS232,Ethernet或USB),见图1虚线部分。为了适应不同客户的激光光泵磁力仪架构设计需求,提供自由空间输出和光纤输出接口,并使用主动光束锁定技术,以对外界震动造成的激光功率抖动进行补偿和锁定,保证激光输出功率的稳定性。同时,在光纤输出的条件下,我们还可配置无磁光纤准直扩束器将光束传输入探头部分,以规避金属件对微弱磁场探测结果的干扰。
用于固定和封装以上光路和电路的机械结构采用高稳定性的材料及高精度加工成型工艺,并通过工程可靠性测试,以保证一体化稳频光源能够胜任工程应用场景。

图1 激光光泵磁力仪光源原理图
2.2 核心器件(技术)选择
为了保证激光光泵磁力仪一体化稳频光源的高性能和高可靠性,必须选择高性能而且成熟可靠的器件和技术进行产品研制和组装。
2.2.1半导体激光器的选择。根据激光光泵磁力仪的原理和指标要求,所使用的半导体激光管必须具有波长精度高,线宽窄,在正常工作条件下不调模等特性,且能够精确调谐到相应碱金属原子跃迁谱线上(如铯原子的894.6nm跃迁谱线)。目前可供选择的两种半导体激光器分别为分布反馈半导体激光器(DFB: Distributed Feedback Bragg)和外腔半导体激光器(ECDL: External Cavity Diode Laser)。分布反馈半导体激光器通过在半导体激光芯片波导结构上制备布拉格光栅来实现选模并压窄线宽,从而实现单芯片层面高功率窄线宽激光输出,所以可靠性非常高;外腔半导体激光器具有更窄的线宽和更好的波长调谐性能,但是因为使用了基于闪耀光栅的机械式外腔结构,所以对外界的震动非常敏感;另外,环境温度和湿度也会影响外腔式结构中开放的空间光路。基于外腔半导体激光器的激光光泵磁力仪灵敏度要优于分布反馈半导体激光器方案,但是差距并不太大;而外腔半导体激光器的结构并不能胜任不稳定工程应用场景的工作需求。因此,我们选择分布反馈半导体激光器作为一体化稳频光源的基础光源。
我们实际定型的分布反馈半导体激光器来自于德国Eagleyard Photonics公司。Eagleyard公司的分布反馈半导体激光器系列产品可提供对应钾、铷、铯以及氦原子的767nm ,780nm ,795nm,852nm,894nm以及1083nm。这些激光管可以提供线宽典型值2MHz以及具备一定可调谐特性的激光输出,为了获得更高功率,我们选择了TO3型封装。图2为Eagleyard公司852nm DFB激光管的TO3封装样式和典型光谱图,该款型号DFB激光管输出功率高达150mW,且能精确调谐至铯原子D2线852.347nm。
     
     图2 Eagleyard 852nm DFB激光管封装样式和典型光谱图
除了优越的指标性能,我们选择Eagleyard公司DFB激光器的另外一个重要的考量就是可靠性。Eagleyard公司此类DFB激光器产品通过了欧航局空间可靠性测试,包括辐射测试,疲劳测试,机械冲击测试,温循测试,湿度测试以及20000小时的芯片老化测试,图3为Eagleyard公司DFB激光管在随机振动条件下的测试数据。Eagleyard公司DFB激光管已经在欧航局GAIA项目及NASA ISS项目上持续工作,完全可以满足激光光泵磁力仪的可靠性要求。

     图3 Eagleyard公司DFB激光管在随机振动条件下的测试数据

2.2.2 流控和温控电路
分布反馈半导体激光管基于半导体激光管工艺,对ESD,浪涌电流极其敏感,需要设计专门的保护电路以防止性能劣化甚至击穿PN结的风险;另一方面,由于分布反馈半导体激光管的选模光栅结构直接制备在芯片有源区,注入电流抖动和芯片工作温度均会直接影响布拉格光栅结构,从而造成激光管的输出频率抖动。因此,驱动此类分布反馈半导体激光管的电流控制电路必须要具有软启动,ESD吸收以及低电流噪声的特性,且能在外界环境温湿度变化以及震动冲击条件下保证平稳的输出;而分布反馈半导体激光管的温度控制电路需要保证尽可能高的控温精度,通过热电致冷器将激光芯片的温度精确锁定在工作温度点,以保证分布反馈半导体激光管输出频率的稳定性。
我们为一体化稳频光源设计的驱动电路采用低噪声线性化电路技术和安全互锁电路,以保证半导体激光管驱动电流的低噪声输出和安全工作。另外,温控电路采用PID控制,且PID参数根据所选用的分布反馈半导体激光管规格进行最优化设计,以保证对半导体激光芯片工作温度控制的精确度。

2.2.3 稳频控制电路
为了保证激光光泵磁力仪的性能,需要将分布反馈半导体激光管的频率精确锁定在碱金属原子超精细共振谱线上并保证长短时频率稳定度,单靠高精度电流驱动和温度控制电路不能无法胜任该频率锁定要求,需要采用外部主动稳频技术。
综合考虑性能和技术可靠性,我们使用饱和吸收谱稳频技术对分布反馈半导体激光管的频率进行闭环锁定。由于饱和吸收谱稳频需要使用若干分立式光学器件进行分光以及专用电路进行信号处理,所以如何缩小体积并提高工程可靠性是一个比较棘手的问题。在一体化稳频光源中,我们使用的饱和吸收谱稳频技术基于德国TEM Messtechnik GmbH公司经过多年应用验证的LaseLock和CoSy饱和吸收谱稳频技术平台,并将其小型化并进行工程可靠性提升。该饱和吸收谱稳频技术平台具有“锁边”、“锁峰”功能及双路PID电路,且支持失锁-再锁定功能,能够保证分布反馈激光管频率失锁后重新找回目标锁定频率并再锁定;该饱和吸收谱稳频技术平台的光路设计也非常巧妙和紧凑,在简单可靠的前提下输出有效信号。图4(a)和图4(b)分别为该技术平台的电路原理图和光路原理图。

     图4 (a)LaseLock饱和吸收谱稳频电路原理图

      图4 (b)CoSy饱和吸收谱稳频光路原理图

2.2.4 主动光束锁定
在激光光泵磁力仪应用中,激光光源的功率稳定度非常重要。而在实际应用场景中,造成激光功率抖动的一个重要因素就是温度变化、应力及振动造成的光路光学元件形变和位置变化。特别是在光纤耦合输出的配置下,外界条件轻微的变化会直接影响自由空间光束到单模保偏光纤的耦合效率,从而造成很大的功率跌落。转载这种情况下,仅仅依赖稳固的机械结构已经不能保证激光功率的稳定。为了解决这个问题,我们采用了TEM Messtechnik GmbH公司的Fiberlock技术,可以对激光光束进行高达KHz频率的二维扫描并持续监控和优化自由空间激光光束到保偏光纤的耦合,从而形成闭环锁定,以补偿耦合光路因外界条件导致的温度漂移和机械漂移。图5和图6分别为FiberLock技术的原理示意图和耦合光路聚焦优化前后的功率分布对比。

图5  FiberLock原理示意图

       图6 耦合光路聚焦优化前后功率分布对比

2.2.5 光纤准直扩束器
在激光光泵磁力仪的一些应用场景中,需要将一体化稳频光源产生的激光通过单模保偏光纤传输到探头,且稳频激光需要通过四分之一波片转换为圆偏振光并整形成一定直径的光束入射到探头。针对此种应用场景,我们配置了即插即用集成四分之一波片的光纤准直扩束器(见图7),以保证光路的稳定可靠。同时,该光纤准直扩束器的结构件材质为无磁性的金属钛,不会对探头产生干扰,从而获得精确的结果。

 图7  集成了四分之一波片的无磁材料光纤准直扩束器 

3 规格和指标
以用于激光光泵铯原子磁力仪的894nm一体化稳频光源为例,通过将前述核心器件和技术方案进行工程化集成,最终定型的用于的激光光泵磁力仪的一体化稳频光源的规格为165mm x 102mm x 91mm,激光光源相干长度大于10m, 保偏光纤输出功率为7mW, 输出波长为894.6nm且长时频率稳定度为500kHz。其供电及内部电路控制均通过单一控制接口,上电即可工作。图8为894nm一体化激光稳频光源的外观示意图。
    
图8 一体化激光稳频光源外观示意图
    除了用于激光光泵铯原子磁力仪的894nm一体化稳频光源外,利用同样的技术方案,我们还将波长拓展到767nm,770nm,780nm,794nm,852nm,可以用于基于钾原子、铷原子的激光光泵磁力仪方案。