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1. 引言

二极管激光器具有体积小、能耗低、效率高、寿命长以及调制速度快等优点，因此，它们在激光通信、光存储、激光医学、激光雷达、激光测距等诸多领域得到了广泛应用 [1 - 3]。随着二极管激光器的发展以及相关领域的需求，窄线宽和波长可调谐性逐渐成为二极管激光器的发展方向。通常是将激光二极管集成到外腔中形成外腔二极管激光器（ECDL）来实现这些特性 [4]。

1980 年，朗（Lang）和小林（Kobayashi）[5] 将外腔反馈技术应用于二极管激光器，所添加的外腔能够使激光线宽变窄，并且通过调节外腔的长度可以实现波长的调谐。1981 年，弗莱明（Fleming）和穆拉迪安（Mooradian）[6] 首次利用衍射光栅将二极管激光器输出激光的一部分反馈回有源区，从而将激光线宽减小到 1.5 兆赫兹。通常采用衍射光栅作为外腔的二极管激光器有利特罗（Littrow）[7, 8] 和利特曼（Littman）[9] 这两种结构类型。这些激光器对声学和机械干扰较为敏感，特别是当使用弹簧加载的运动学支架来对准光栅或需要精确对准的反馈光学元件时。因此，需要结构更加稳定的外腔二极管激光器。

1988 年，佐拉贝迪安（Zorabedian）和特鲁特纳（Trutna）[10] 通过实验采用了一种以干涉滤波器（IF）作为波长选择元件的外腔激光器，其波长调谐范围与传统的光栅外腔激光器大致相同。拜亚尔（Baillard）等人 [11] 从理论和实验两方面表明，干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）具有更高的稳定性。吉洛夫斯基（Gilowski）等人 [12] 通过实验研究了一种基于自种子锥形放大器的新型激光器设计，利用窄带高透射率干涉滤波器来稳定波长，以操控中性原子。阮军（Ruan Jun）等人 [13] 研制出了一种波长为 852 纳米、用于原子钟实验的高稳定性干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）。马丁（Martin）等人 [14] 开发了一种采用双干涉滤波器作为纵模选择元件的干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）。瓦西里耶夫（Vassiliev）等人 [15] 展示了一种高稳定性的干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL），并为外腔二极管激光器应用于机载系统提供了可能性。2020 年，张琳波（Linbo Zhang）等人 [16] 研制出了一种用于太空应用的干涉滤波器稳定的外腔二极管激光器。2022 年，孟令强（Lingqiang Meng）等人 [17] 研制出了通过航天环境测试的干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL），这表明干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）适用于中国空间站（CSS）的太空任务。

带有干涉滤波器的二极管激光器与带有光栅外腔的二极管激光器有所不同 [18]。带有光栅外腔的二极管激光器，其光栅既是外反馈元件又是选模元件，容易受到外部机械扰动的影响。而带有干涉滤波器的二极管激光器的外腔由激光二极管的后表面和猫眼反射器构成。干涉滤波器的不同入射角对应着不同的中心波长，通过旋转干涉滤波器来实现波长选择，由猫眼反射器实现反馈，并且猫眼反射器具有自对准特性，对腔内光学失调不敏感。这种稳固的对准稳定性确保了外腔与激光二极管之间固有的良好模式匹配，所以带有干涉滤波器的二极管激光器整体稳定性更高 [19]。此外，就带有干涉滤波器的外腔二极管激光器（ECDL）而言，由于平面镜提供光反馈，因此可以在该外腔二极管激光器（ECDL）中设计结构来改变光反馈，而不受光栅固有衍射效率的限制。

本研究开发了一种具有可变反馈的外腔二极管激光器（ECDL），采用组合的双窄带干涉滤波器（IFs）作为激光纵模选择元件，通过旋转干涉滤波器来调谐波长，且不会改变输出激光的方向。我们通过设计两种不同的窄带干涉滤波器（IFs）组合并将其应用于外腔二极管激光器（ECDL），实现了更窄的半峰全宽（FWHM）结果。在实验中，对比了不同情况下干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）输出激光的线宽，以及如何组合这两个干涉滤波器（IFs）以实现激光线宽和功率的最优值。最后，我们测量了不同反馈情况下干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的激光线宽和波长调谐范围，随着反馈的增加，激光线宽减小，调谐范围增大 [20]。本文以铯（Cs）D2 线的 852.3 纳米二极管激光器以及德国激光光学（LaserOptik）公司市售的 852 纳米窄带干涉滤波器为例，介绍了设计、实验测试以及典型结果。这种设计可以扩展到其他波长的干涉滤波器与猫眼反射器相结合应用于外腔二极管激光器（ECDL）的情况。

2. 带有双干涉滤波器的外腔二极管激光器原理

2.1. 带有干涉滤波器的外腔二极管激光器

二极管激光器通过受激方式工作，利用电子在能带间的跃迁。激光二极管的前后表面构成一个谐振腔，以提供反馈能力，使得腔内受激辐射产生的光子能够多次往返运动，形成相干的连续振荡，对光束方向和频率的腔振荡进行限制，从而确保输出激光具有一定的单色性和方向性。

由于二极管激光器内腔长度较短且端面反射率较低，其线宽较宽。干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）缩窄激光线宽的原理如图 1 所示。窄带干涉滤波器通常镀有多层介质膜，它是一种利用干涉原理让激光特定光谱范围通过的光学元件。公式（1）[21] 表示透射峰的中心波长：

其中，是入射角，是入射角为时干涉滤波器透射的中心波长，是干涉滤波器的有效折射率，是入射角为时干涉滤波器透射的中心波长。

随着入射角的改变，透射峰的中心波长也随之改变。因此，通过旋转干涉滤波器就可以对激光纵模进行选择。市面上可买到的窄带干涉滤波器通常是按入射角为、峰值波长为纳米以及峰值透射率为来设计的，这是德国激光光学（Laser Optik）公司产品的典型设计。这样设计的主要原因是为了让窄带干涉滤波器能在峰值波长下工作，同时避免反射光束反馈回二极管激光器，从而消除光反馈对激光稳定性的影响。

图1. 干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）缩窄激光线宽原理。从激光二极管输出的激光被准直为平行光束，在外腔中振荡，并经窄带干涉滤波器多次过滤，从而获得窄线宽激光。

其中，是透射峰的面积，，是洛伦兹形状的半峰全宽，在此处即为干涉滤波器（IF）的带宽。

利用两个中心波长不同的洛伦兹函数相减得到了公式（4）。该函数的零点可用于描述双干涉滤波器带宽和透射率的组合效果。对该函数求导可得：

在实验中，我们需要两个干涉滤波器组合后带宽和透射率组合效果的最优值，所以对该函数的零点取极值。当时，可得到。进一步地，当纳米时，可得纳米，再通过公式（1）可得到。这就是组合两个干涉滤波器的第二种方法。

图 3（a）和（b）的模拟结果表明，采用特殊二面角组合的两个干涉滤波器相较于平行组合的干涉滤波器，具有更高的透射率和更窄的带宽；在第二种方法中，更容易获得较窄的半峰全宽（FWHM），而且不受两个干涉滤波器波长差的限制，在这种情况下，组合后的干涉滤波器透射率更高、插入损耗更低，激光输出功率也更高。

图3. 根据方案1和方案2进行的干涉滤波器（IFs）组合，中心波长为852.356纳米，对应铯（Cs）的6S₁/₂（F = 4） - 6P₃/₂（F′ = 3，4，5）跃迁。 （a）根据方案1，将两个带宽相同但中心波长不同的干涉滤波器进行组合。这两个干涉滤波器垂直入射时的中心波长分别为855.801纳米和855.429纳米，峰值透射率和半峰全宽（FWHM）分别为90%和0.51纳米。它们以8.7°的入射角平行放置。左插图显示组合后的透射率为33%，带宽为0.36纳米。右插图展示了双干涉滤波器的平行组合情况； （b）根据方案2，将两个带宽和中心波长均相同的干涉滤波器进行组合。这两个干涉滤波器垂直入射时的中心波长分别为855.429纳米和855.431纳米，峰值透射率和半峰全宽（FWHM）同样为90%和0.51纳米。它们以0.4°的二面角放置。左插图显示组合后的透射率为46%，带宽为0.34纳米。右插图展示了双干涉滤波器的二面角组合情况。

表 1. 实验中所测干涉滤波器的典型参数

 3. 实验装置 

3.1. 干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的搭建 干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的结构如图4（a）和（b）所示。本研究采用的方案如图4（b）所示，其实物图如图5（a）所示。该方案的优点在于，它避免了因两个猫眼透镜机械不同轴而导致的光束质量下降问题，同时节省了成本，而且半波片与偏振分束棱镜（PBS）的组合便于实现宽范围的可调谐反馈。 在干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）中，采用了封装在9毫米罐中的852纳米抗反射镀膜激光二极管作为光源，旋转该激光二极管，使输出激光为长轴平行于水平方向的椭圆光束，此时输出激光为s偏振光。输出激光经焦距\(f = 8\)毫米的非球面透镜准直后，由窄带干涉滤波器进行纵模选择，光束再穿过半波片和偏振分束棱镜（PBS），之后p偏振光经猫眼透镜聚焦。该透镜聚焦到反射镜上，通过调整反射镜的角度使光束沿原路返回，形成猫眼效应[11]。这样，p偏振光束就被反射回激光二极管，而偏振分束棱镜（PBS）将s偏振光束反射出去作为输出激光。此外，通过一对变形棱镜将输出激光变为近圆形光束。通过调节半波片可以控制反馈，这有助于研究激光反馈与激光线宽及调谐范围之间的关系。 图5（b）展示了干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）所使用的控制器，由于二极管激光器需要良好的温度控制，所以选用了导热性良好且易于加工的黄铜作为底座。为提高激光器的稳定性，我们将激光器安装在一个导电的铝制外壳内，形成一个法拉第笼，它能够屏蔽外界的电磁辐射，如图5（c）所示。干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的激光线宽取决于外腔腔长以及窄带干涉滤波器的带宽。外腔腔长越长，激光线宽越窄。然而，纵模间距越小，在扫描激光频率时，模式就越容易发生变化。 

3.2. 干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的三种情形 基于窄带干涉滤波器的数量以及组合方式，我们针对三种情况设计了干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）：在使用单个窄带干涉滤波器的情况下为单干涉滤波器外腔二极管激光器（Single - IF - ECDL，波长852纳米）；在使用两个窄带干涉滤波器的情况下有两种组合方式，一种是图3（a）所示的双干涉滤波器外腔二极管激光器1号组合（Dual - IF - ECDL - #1），另一种是图3（b）所示的双干涉滤波器外腔二极管激光器2号组合（Dual - IF - ECDL - #2）。经过对实验测量结果的对比，图10中的结果表明双干涉滤波器外腔二极管激光器2号组合（Dual - IF - ECDL - #2）输出的激光线宽更窄。

图4. 干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）结构示意图。 （a）传统的干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL），其在外腔中使用一个干涉滤波器（IF），除非更换具有不同反射率的反射镜，否则外腔的反馈是不可调节的。 （b）改进后的双干涉滤波器外腔二极管激光器（Dual - IF - ECDL）。LD：激光二极管；CL：非球面准直透镜；IF：窄带干涉滤波器；HT：高透射率反射镜；λ/2：半波片；PBS：偏振分束立方棱镜；L1和L2：猫眼透镜；R：高反射率反射镜；PZT：压电陶瓷；s：s偏振；p：p偏振。 

图5. 双干涉滤波器外腔二极管激光器（Dual - IF - ECDL）系统实物图。 （a）改进后的双干涉滤波器外腔二极管激光器（Modified Dual - IF - ECDL）照片。底座由黄铜制成，因其具有良好的导热性，通过半导体制冷器（TEC）元件和热敏电阻与温度控制器相连，以实现精确的温度控制，并且有机玻璃罩（已移除）便于温度控制； （b）双干涉滤波器外腔二极管激光器（Dual - IF - ECDL）控制器照片。它包含温度控制模块、电流控制模块、扫描模块以及锁定与比例 - 积分 - 微分（PID）模块； （c）激光头照片，铝制外壳容纳了（a）图中所示的所有部件以及受温度控制的黄铜底座，其构成了一个法拉第笼，用于屏蔽外界的电磁辐射。 

图6. 双干涉滤波器外腔二极管激光器2号（Dual - IF - ECDL - #2）在852纳米波长下的输出与注入电流的关系。在阈值之上，干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的电流与输出功率呈线性关系。在10%反馈的情况下，电流阈值从55毫安降低至20毫安，斜率从0.27提高到0.73。

4. 实验结果

4.1. 干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）输出与注入电流及光束质量的关系

在裸激光二极管（LD）情况下，通过将激光器温度控制在 22.5℃，并逐渐将电流增加至 130 毫安，双干涉滤波器外腔二极管激光器 2 号（Dual - IF - ECDL - #2）的输出功率约为 22.3 毫瓦。当给激光器添加外腔后，通过调节猫眼透镜的焦位置以及反射镜的角度对反馈进行优化。当电流阈值降至最小值时，便可实现最佳反馈 [22, 23]。

当激光二极管（LD）的前表面与反射镜构成外腔时，光束会在外腔中多次反射，这使得激光二极管（LD）的增益核心区域能够得到充分利用。这样一来，干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的电流阈值得以降低，输出功率得以增加。在电流阈值之上，干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的输出功率与阈值之上的电流呈线性关系，如图 6 所示。

接下来，我们对干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的光束进行了测量，其输出的是椭圆光束，该光束在经过整形棱镜后变为近圆形光束。利用激光光束分析仪对双干涉滤波器外腔二极管激光器（Dual - IF - ECDL）所获得的光束质量进行测量，测得的值为：水平方向，垂直方向，如图 7 所示。

4.2. 饱和吸收光谱与干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的频率稳定 在与原子相关的实验中，需利用激光来操控原子的状态。原子具有稳定且精确的能级结构，因此，所使用的激光必须具备精确且稳定的频率。然而，激光温度、驱动电流以及机械振动方面的不稳定因素会导致激光频率发生漂移。为了获得频率稳定的激光，必须将其锁定到一个稳定的频率参考标准上，例如原子光谱。 饱和吸收光谱是一种用于锁定激光频率的典型方法。在我们的实验中，双干涉滤波器外腔二极管激光器（Dual - IF - ECDL）输出的激光在同时扫描激光二极管（LD）注入电流和外腔压电陶瓷（PZT）时，具有大于9.2吉赫兹的连续频率调谐范围。这体现为能够扫描到铯（Cs）原子的\(F = 3\)和\(F = 4\)这两种饱和吸收光谱，它们分别对应着852.335纳米和852.356纳米的激光波长，频率差约为9.2吉赫兹。所获得的饱和吸收光谱如图8（a）和（b）所示。 频率稳定性是二极管激光器的一项重要特性。我们通过实验记录了双干涉滤波器外腔二极管激光器2号（Dual - IF - ECDL - #2）在铯原子超精细跃迁情况下自由运行和频率锁定状态下的频率漂移情况。室温下的原子具有符合玻尔兹曼分布的强烈热运动，这会导致吸收光谱出现多普勒展宽，使得激光能在较宽的频率范围内被吸收。我们通过锁相放大器获取吸收光谱的一阶微分信号，利用这种方法来评估激光自由运行时的频率漂移情况。我们利用饱和吸收光谱来稳定激光频率，在实验中对其进行了调制。经过频率调制后的饱和吸收光谱包含一阶微分信号（误差信号），该信号经过后续的滤波、放大处理后，通过反馈电路来控制激光频率。对这两种情况记录了30分钟，结果表明频率漂移降低了约40倍，如图9所示。 

图8. 铯（Cs）原子\(F = 3\)和\(F = 4\)的D2线饱和吸收光谱。与之对应的两个激光波长分别为852.335纳米和852.356纳米，频率差约为9.2吉赫兹。 （a）铯（Cs）原子\(6S_{1/2}(F = 3) - 6P_{3/2}(F′ = 2, 3, 4)\)的饱和吸收光谱； （b）铯（Cs）原子\(6S_{1/2}(F = 4) - 6P_{3/2}(F′ = 3, 4, 5)\)的饱和吸收光谱。### 4.3. 干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）激光线宽的测量 我们利用光学法布里 - 珀罗（F - P）腔来测量干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的激光线宽[24]。当用法布里 - 珀罗（F - P）腔测量激光线宽时，如果腔线宽小于待测量的激光线宽，那么透射线宽近似等于激光线宽；当腔线宽与激光线宽大致相同时，透射线宽是二者的合成线宽；当腔线宽大于激光线宽时，透射线宽近似等于腔线宽。所以，这种测量方法要求法布里 - 珀罗（F - P）腔的线宽小于待测量的激光线宽。当腔的自由光谱范围（FSR）确定时，精细度越高，腔线宽就越小。因此，我们采用了一个高精细度的法布里 - 珀罗（F - P）腔来进行测量，如图10（a）所示。干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的输出激光先进入电光相位调制器（EOPM），然后再进入长度为100毫米、腔线宽约为15千赫兹的高精细度法布里 - 珀罗（F - P）腔。利用光电探测器观察腔的透射信号。通过使用信号发生器（DS345）向电光相位调制器（EOPM）施加1兆赫兹的正弦波调制来测量线宽。当电光相位调制器（EOPM）中的晶体受到外加电场调制时，其折射率会随着调制信号连续变化，从而在激光中产生特定的频率差，这就构成了频率刻度。我们利用这个1兆赫兹的频率刻度来测量峰值透射信号的半峰全宽（FWHM），并将其作为激光线宽。 我们对三种情况下的干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的线宽进行了测量和对比：使用单个干涉滤波器的情况、将两个干涉滤波器平行放置的情况以及将两个干涉滤波器按一定二面角放置的情况。测量结果分别如图10（b）、（c）和（d）所示。 由于干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的激光线宽与干涉滤波器（IF）的带宽有关，组合后的带宽比单个干涉滤波器的带宽更窄。对比图10（b）和（c）的结果可以看出，两种干涉滤波器组合的方式能进一步缩窄激光线宽。从图10（c）和（d）的结果可以得出，当两个滤波器按特定二面角放置时，激光线宽更窄，且透射率比两个滤波器平行放置时更高。这与之前的模拟结果大体一致。 为了探究干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的激光线宽是否与反馈 - 输出比有关，我们旋转了干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）中的半波片，以此改变反馈 - 输出比。分别在反馈率为10%、20%、30%、40%和50%的情况下进行了测量，如图11所示。 在其他条件相同的情况下，随着干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的反馈与输出比的增加，激光线宽从267千赫兹到134千赫兹变化更为显著。如图11（f）所示，随着反馈的增加，激光线宽呈现出单调递减的趋势。此外，白噪声可能会从射频偏置 - T模块耦合到干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的直流驱动电流中，其带宽约为100兆赫兹。不同强度的白噪声信号对激光线宽有着不同程度的展宽作用，因而可以借此来调控激光线宽[25]。目前在实验中使用的商用外腔二极管激光器，无论是采用干涉滤波器的还是采用光栅外腔的二极管激光器，若要改变激光线宽，都需要更换具有不同带宽的干涉滤波器或者具有不同衍射效率的光栅。 

图11. 通过改变反馈来测量激光线宽。（a） - （e）将反馈从10%改变至50%，干涉滤波器外腔二极管激光器（IF - ECDL）的激光线宽从267 ± 2千赫兹变化至134 ± 2千赫兹；（f）激光线宽随反馈的变化情况。误差棒是通过洛伦兹拟合得到的。 

图12. 法布里 - 珀罗（F - P）腔校准激光调谐范围，其对应扫过铯（Cs）原子的\(6S_{1/2}(F = 3) - 6P_{3/2}(F′ = 2, 3, 4)\)饱和吸收光谱以及\(6S_{1/2}(F = 4) - 6P_{3/2}(F′ = 3, 4, 5)\)饱和吸收光谱，跨越了大约9.19吉赫兹的频率范围。利用铯（Cs）原子的\(6S_{1/2}(F = 4) - 6P_{3/2}(F′ = 3)\)饱和吸收光谱作为参考来进行频率失谐校准。