外腔半导体激光器在纵模模式、激光线宽、调谐范围、波长稳定度等方面具有突出优点,在光频标、高分辨光谱、原子物理学等科学领域有着广泛的应用。激光器的线宽作为一个很重要的指标,一直受到了人们的关注。在本文中,利用棱镜扩束的新方案被提出用于外腔半导体激光器线宽的压窄。最开始介绍了激光二极管的基本工作原理,分析了半导体二极管外腔对线宽压窄的作用,同时介绍了光栅作用下连续可调等理论,随后对棱镜扩束原理与色散压窄线宽进行了研究,并设计和搭建了基于棱镜扩束的光栅外腔半导体激光器,给出了设计方案和机械图纸,并完成了加工和组装。建立了激光器一般主动稳频的数学模型,对稳频模型进行了仿真,通过双重PID控制改进了稳频锁定方案,实现了激光器的长时间锁定。对激光器的一般性能进行了数据记录,得到了注入电流、控温温度、激光功率、输出波长四个参量之间的关系。最后利用拍频实验与自外差实验,对比了改进型的激光器与原有激光器之间的输出激光线宽,进一步证实了棱镜扩束对外腔半导体激光器压窄线宽的贡献。具体包括以下几个方面:1.概述了外腔半导体激光器的工作原理。首先分析了激光二极管激发激光的机理,通过对二极管内腔与扩展外腔的理论分析和计算,介绍了外腔在调谐和线宽压窄中的贡献,然后通过对光栅基本方程的介绍,分析了其一般的调谐过程,并给出了机械设计上实现连续可调的方案。其次,介绍了外腔半导体激光器中的滤波方法,主要通过色散滤波器件——棱镜扩束器与光栅的建模分析,深入探讨了色散对线宽压窄的作用,通过对线宽表达式的深入探讨,最后计算了棱镜扩束的光栅外腔半导体激光器线宽公式。2.介绍了基于棱镜扩束外腔半导体激光器的实现方案,以及选择与确定了激光器各个组件的参数,详细地分析了各个部件的安装方式和机械结构需求,然后利用SolidWorks软件设计了激光器的机械结构,完成了机械加工与组装。其次分析了激光器控制电路组成,着重介绍了半导体二极管驱动电路与系统温度控制电路。最后完成了整个激光器的组装搭建和波长稳定输出。3.提出了一种新的激光稳频温度和PZT控制方案。利用双重比例-积分-微分电路(PID)同时控制激光器中的压电陶瓷和控温元件,可以同时克服快速的与缓慢的外界扰动,满足长期锁定的要求。理论上建立了激光器主动稳频系统的数学模型,分析了环境因素的影响,并在模型中引入了扰动项,得出单调连续变化的环境扰动将带来稳态误差。仿真结果表明双重控制锁相环可以改善这种稳态误差,并且在调节时间、超调量等方面也具有明显的优势。最后通过标准具PDH稳频实验,将激光器锁在了标准具稳定的腔模上,锁定效果良好。4.实验上测试和评估了研制的利用棱镜扩束新型光栅外腔半导体激光器的基本性能,得到了激光器注入电流、控温温度、激光功率、输出波长之间的关系,并利用自外差实验,对比了改进型的激光器与原有激光器之间的输出激光线宽,进一步证实了棱镜扩束对外腔半导体激光器压窄线宽的贡献;同时利用拍频实验验证了自外差线实验线宽测量数据的真实性。最后分析了基于棱镜扩束的光栅外腔半导体激光器的优点和需要改进的地方。