收稿日期：2011-03-07；修订日期：2011-04-19基金项目：国家自然科学基金(10874012，10974177)；国际科技合作计划(2010DFA04690)作者简介：黄凯凯(1971-)，男，讲师，博士，主要从事激光与物质相互作用方面的研究。
Email:huangkaikai@zju.edu.cn894nm外腔半导体激光器
黄凯凯，李楠，陆璇辉
(浙江大学物理系光学研究所，浙江杭州310027)
摘要：介绍了一种基于Littrow结构的894nm外腔半导体激光器的设计原理，给出了光栅转轴的
优化点计算，分析了无跳模范围和实际转轴位置的关系，指出了实际光栅转轴点的合理位置。针对铯
原子激光抽运磁力仪的应用要求，通过外腔的选频功能，以及低噪声激光电流源、低温漂温控器和低
噪声压电陶瓷驱动器，实现了自由运转波长为904nm的激光管调谐到894nm的单模运转，连续无跳
模范围在3GHz以上。共焦FP腔的观测表明，外腔半导体激光器对自由运转激光管的线宽进行了有
效压窄。搭建了饱和吸收谱装置，成功观测到了Cs原子D1线的F=3->F′=3,4和F=4->F′=3,4两套饱
和吸收谱线。
关键词：外腔半导体激光器；铯D1线；饱和吸收谱
中图分类号：TN248.4文献标志码：A文章编号：1007-2276(2011)11-2129-05
894nmexternalcavitydiodelaser
HuangKaikai,LiNan,LuXuanhui
(InstituteofOptics,PhysicsDepartment,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)
Abstract:Thedesignprincipleof894nmexternalcavitylaserdiodewithLittrowconfigurationwas
introduced.Thecalculationonoptimizedgratingmountpivotpointpositionwasgiven.Analysisofthe
mode-hop-freerangeversuspracticalpivotpointpositionaswellasthereasonablepivotpointposition
werepointed.Byfrequencyselectionofexternalcavityandapplicationoflownoisecurrentdriver,low
temperaturedriftcontrollerandlownoisepiezodriver,singlemodeoperationofthelaserat894nmwas
realizedonalaserdiodewithafreerunningwavelengthof904nm,whichwastobeappliedinlaser
pumpedCesiummagnetometer.Themode-hop-freerangewasabove3GHz.Itcouldbeseenfromthe
confocalFPcavitythatthelaserlinewidthwaseffectivelynarrowedintheexternalcavity.Inorderto
obtainCsD1spectrum,asaturationabsorptionspectroscopylayoutwasbuiltandthehyperfinelines
spectrumofF=3->F′=3,4andF=4->F′=3,4transitionweresuccessfullyobtained.
Keywords:externalcavitydiodelaser;cesiumD1lines;saturationabsorptionspectroscopy第40卷第11期红外与激光工程2011年11月Vol.40No.11InfraredandLaserEngineeringNov.2011红外与激光工程第40卷
0引言
自半导体激光器问世以来，由于体积小、效率高、
便于调谐、易于维护等优点，已经在光通讯、光测距[1-2]
和民用领域广泛应用。比如CD播放器里的780nm激
光管、DVD播放器里的650nm激光管、以及光通讯
用的1550nm激光管。这些激光管的出现都伴随着
巨大的商业市场。而在基础研究领域，比如原子分子
精密光谱、光学频率标准、冷原子操控、玻色-爱因斯
坦凝聚、原子干涉仪、激光抽运原子磁力仪等研究
中，只要波长和功率达到要求，半导体激光器同样也
会成为首选。但是，普通FP腔结构的半导体激光管
腔长一般在几百微米，后反射面的反射率接近全反
射，出射端面的反射率一般在百分之几十以内。由于
谐振腔的精细度不够高，而自由光谱范围又很宽，造
成普通FP腔半导体激光器的Schalow-Townes线宽
比较宽，甚至会出现多模运转，所以，通常不能直接
用在上述基础研究领域。针对这种情况，有些公司和
研究小组提供了侧面布拉格反射的DBR激光管和
光栅反馈分布在整个谐振腔的DFB激光管，但是价
格非常昂贵，而且谱线远没有普通FP腔结构的激光
管丰富，线宽也不尽理想。所以在很多情况下，研究
人员通过在激光管外再增加一些光反馈元件，使得
激光管的后反射面和光反馈元件之间形成一个外
腔，这样的激光器称为外腔半导体激光器(ECDL)。
由于外腔对激光器的模式选择作用，可以大幅度压
窄半导体激光器的Schalow-Townes线宽，同时通过
外腔光学元件的调谐作用，使得激光波长可以精确
调谐。由于外腔半导体激光器具有易于调谐、谱线宽
度窄、维护简单等特点,成为精密光谱研究中一个重
要的工具[3-6]。
在原子光谱中,铯的D2线已经有过大量研究,比
如铯的激光冷却和光抽运铯钟都使用这条谱线,国
内已经有文章报导过相应的外腔半导体激光器[7]。
而对铯的D1线的研究并不多,国内还未见相关文献
报导。D1线是6S1/2和6P1/2能级之间的跃迁线，波
长在894nm附近,包含了F=3,4到F′=3,4这几条谱
线。由于894nm涉及到的应用不多,所以这个波长
的激光管市场上几乎没有。文中运用一种标称波长
为904nm的激光管,经过外腔的选频功能,以及电路的控制实现了在894nm的稳定单模稳定运行,并获
得了铯原子的D1线饱和吸收谱数据。该激光器将被
用于铯原子激光抽运磁力仪的研究中[8-9]。
1Littrow外腔激光器原理和优化光栅转轴
点设计
目前在各种外腔结构中，用得最广泛的是两种，Littrow结构和Littman结构。Littman结构[10]由于腔
内多次选频，线宽可以做的更低，出射方向不会变
化，但是出射功率相对较低，而且由于结构复杂，激
光准直比较困难。Littrow结构外腔中只有一个光栅，
准直简单，输出效率高，机械稳定性比较好,应用更
为广泛。
如图1所示,在Littrow结构的ECDL中,激光管
出射的激光,经光栅衍射后,0级光作为输出激光,1
级光反射回激光管中。为了使1级光形成外腔反馈,
激光入射角θ必须满足：λ0=2dsinθ(1)
式中：λ为激光波长；d为光栅常数,即光栅刻槽间距。
除了要满足外腔反馈条件以外,外腔半导体激
光器还应当具有较大的连续调谐范围。这是需要谨
慎考虑的一个问题。
为了便于理解，简化外腔结构，如图2所示,激光
管位于O点，出射的激光方向沿x轴正向。光栅面初图1Littrow结构半导体外腔激光器Fig.1ExternalcavitydiodelaserwithLittrow
configuration
图2Littrow型ECDL简化结构Fig.2SimplifiedgeometryofECDLwithLittrow
configuration2130第11期
始时刻位于MP，光栅的转动轴在P点。由于激光管
管芯尺度相对外腔很小,可忽略不计，光栅面和x轴
的交点形成外腔长度L0。光栅经转动以后,光栅面到
达PM′，此时外腔长度为：Lα=x-ytan(θ-α)(2)
此时，由于光栅的选频作用,返回激光管的中心
波长为：
λg=2dsin(θ-α)=λ0sin(θ-α)sinθ(3)
而激光振荡的形成需要满足驻波条件：
mαλm2=Lα(4)
即腔长是激光半波长的整数倍。
如果不考虑激光器的内腔选模作用，当光栅在
转动过程中，如果光栅反馈的中心波长和驻波条件
选择的波长始终一致，激光器就不会发生跳模，即连
续调节范围无限大。在实际情况中，只有当光栅转动
轴在优化点位置(0,-L0cotθ)才能实现无限大的无跳
模范围[11]。但是由于机械设计、加工误差等因素,会
使光栅转轴不在x=0的位置。此时，激光器只有有限
的无跳模范围,并且无跳模范围会随着光栅转轴到
优化点之间距离的变化而变化。
图3是根据波长为894nm的激光振荡做的连续调节范围计算，光栅常数为1800线/mm，外腔长
度分别为1.5cm和5cm,激光管位于(0,0)坐标。当
光栅转轴位于图中不同的(x,y)坐标时,激光器就会
有不同的连续调节范围,图中用黑色到白色之间不
同的灰度等级,分别表示100~10GHz的无跳模范
围。白色区间表示大于100GHz的连续调节范围。图
中，当转轴的坐标确定后，受光栅反馈条件的限制，
初始腔长L0也就确定。
可以看出,当转轴位于优化点(0,-L0cotθ)位置
附近时，激光器具有最大的无跳模范围。而且，计算
表明：无跳模范围对于x方向位置失调不敏感，而对y方向较敏感。在优化点附近，这一特点尤其明显。
转轴在y轴方向偏离0.1mm,会使连续调节范围从6000GHz降到10GHz。而在x方向的失调引起的无
跳模调节范围变化很慢。这同时也说明，转轴在优化
点位置虽然具有最大的无跳模范围，但是在实际实
验中，优化点也并不是最佳的工作点，因为在这一位
置对y方向的失调太敏感。反而是当转轴的x坐标
有一定偏移量以后，允许y方向有一定失调，而不会
导致无跳模范围大幅度的变化。从图中也可以看出，
如果转轴的x坐标是失调的，但是y坐标在-L0cotθ
附近，也能获得较大的无跳模范围。
所以在外腔设计中，可以使转轴的x坐标偏离x=0一定距离，并尽可能使转轴的y坐标满足最佳位
置条件。
2实验结果
实验中采用了自由运转波长为904nm附近的商
用激光管，1800线的衍射光栅,压电陶瓷在0~100V
电压驱动下,行程约为15m。光栅转轴放在x=1.75cm，y=-1.96cm附近，理论计算表明，与光栅转动有关的
无跳模范围应当在80GHz以上，实际测得的无跳模
范围大约在3GHz以上，比计算值小很多的原因主
要是没有考虑激光管内部的折射率、载流子浓度等
在波长选择过程中引起的变化。当光栅转轴在合理
位置的情况下,如果配合电流补偿等方法，可以大幅
提高无跳模范围[12]。激光器的电流通过在电路中串联10Ω采样电阻，用Agilent34401A数字万用表测得
交流噪声约为0.3A，激光器的外腔温度被控制在室
温附近，长期漂移小于2mK。
压电陶瓷驱动器的交流图3894nm外腔激光器的无跳模范围计算Fig.3Mode-hop-freecalculationof894nmECDL黄凯凯等：894nm外腔半导体激光器2131