nm 半導體雷射穩頻

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1、658nm半導體雷射穩頻　　1658nm半導體雷射穩頻FrequencyStabilizationofDiodeLasersNear658nm劉惠中Huay-ChungLiou工業技術研究院量測技術發展中心謝文賢*林世聰Wen-HsienHsieh*Shyh-TsongLin國立臺北科技大學光電技術研究所摘要這個研究主要是關於一個具有微透鏡（microlens）的半導體雷射的穩頻。因為此雷射的光束接近圓形且擁有小線寬，所以可輕易地使用在小空間的環境。藉著法布里－珀羅（Fabry-Perot）共振腔的共振模可輕易地將雷射頻率穩定，

2、在十六小時內波長僅變動0.0008nm。關鍵詞：半導體雷射、法布里－珀羅共振腔、穩頻。投稿受理時間：91年3月10日審查通過時間：91年5月2日ABSTRACTThisresearchisfocusedonthefrequencystabilizationofthesemiconductordiodelaserswithmicro-lens.SincethebeamofMicro-Lenslaserisnearlycircularandhasasmalllinewidth,itcanbeeasilyusedinsmallspac

3、es.ByemployingtheresonantmodesoftheFabry-Perotcavitytolockthelaserfrequency,thefrequencycanbeeasilystabilized.Afterthestabilizationsteps,thewavelengthofthelaservaries0.0008nmduring16hours.Keywords:semiconductorlaserdiode,Fabry-Perotcavity,frequencystabilization.59658

4、nm半導體雷射穩頻　　2壹、前言在許多商品化的儀器或者實驗室的裝置中經常使用雷射來作為光源，其中一般常使用的穩頻雷射通常是以穩頻氦氖雷射為主，因其具有較長的共振腔可以達到穩頻的效果。然而，在許多干涉量測的用途中，雷射的體積過於龐大，造成量測系統的安裝困擾，例如：以穩頻氦氖雷射為干涉光源的輪廓儀。為了縮小量測系統的體積及重量，於是半導體雷射成了另種選擇。可是，半導體雷射在實際應用上仍有其困難所在，例如輸出光束的波前遠較氦氖雷射差、線寬亦較大，使得其在對光調整方面上較困難，雖然可以用波面修正鏡組來調整改善波面，以延長共振腔來壓縮線寬

5、大小，但卻也失去了原本體積小的優勢而造價也大幅提高。本文採用過去量測中心所做的對稱性光路設計[1]，利用對稱性的法布里－珀羅(Fabry-Perot)共振腔穩頻方式，使得穩頻頻率能鎖在同一個共振模上，以獲得一個穩頻的雷射光源。為提高實用性進一步設計成小型模組化架構，並添加溫控裝置以避免法布里－珀羅共振腔受外界溫度的影響。實驗中分別對於穩頻前後的波長進行量測，並分析溫度對法布里－珀羅共振腔造成的影響。貳、實驗原理與設計本實驗所採用的對稱性光路如圖一所示[1]，其原理為利用兩道對稱性光路以些微入射角度差穿透法布里－珀羅共振腔，使其兩

6、道穿透光的頻率有些微偏移，並用光偵測器蒐集兩穿透光的訊號。將光偵測器蒐集的光訊號相減提供作為誤差訊號。誤差訊號經過積分運算後回授到雷射電流驅動模組進行電流調制。如此即可將雷射鎖頻在訊號零點處達到穩頻效果[1-4]。實驗中所使用的雷射光源為波長658　nm具有微透鏡的半導體雷射(製造公司為BlueSkyResearch，型號為PS104)，其輸出光束截面趨近圓形且線寬達到2MHz的標準[2]，改善了一般半導體雷射的缺點，其最高功率可達35mW，遠大於一般氦氖雷射。為了達到模組化的設計，將雷射溫度控制所使用的電熱致冷器、溫度偵測所用

7、的熱敏電阻、準直透鏡及電路等裝置自行組裝設計於體積約只有3.5×3.5×4.0cm3的空間中，雷射裝置如圖二所示。由於法布里－珀羅共振腔長(OPL)的溫度係數δ可由下式表示：[5]d(OPL)/dT˙1/(OPL)≡δδ＝α＋1/n˙dn/dT其中T、α、n、dn/dT分別為溫度、熱膨脹係數、折射率、折射率溫度係數。而法布里－珀羅共振頻率的溫度係數dν/dT可由下式表示：dν/dT＝－ν˙δ其中ν為法布里－珀羅共振頻率。本實驗所使用的法布里－珀羅共振腔其材質為ＢK7，折射率溫度係數為3×10-6/℃，熱膨脹係數為7.1×10-

8、6/℃，厚度僅3mm，半功率光譜寬度(FWHM)為1.7GHz，精細係數（Finesse）約20。共振腔長的溫度係數δ約為9.1×10-6/℃，外界溫度變化將造成共振頻率飄移4.1GHz/℃（雷射波長為658nm），對穩頻結果影響甚鉅59658nm半導體雷射穩頻