1 引言   
    微弱磁場探測作為一種不可替代的有效手段，被廣泛應(yīng)用在包括航空航天，地理勘測，精密工業(yè)制造等關(guān)系到國計民生的重要領(lǐng)域。綜合考慮靈敏度及工程易用性的要求，激光光泵磁力儀方案是一種非常理想的選擇。
在激光光泵磁力儀方案中，激光光強(qiáng)和激光頻率穩(wěn)定度是影響磁力儀靈敏度的關(guān)鍵因素。而作為工程化激光光泵磁力儀光源的半導(dǎo)體激光管，其頻率極易受溫度，震動等環(huán)境因素的影響；與之配套的準(zhǔn)直、分束，穩(wěn)頻，耦合等光路的穩(wěn)定性，對泵浦激光的功率穩(wěn)定度也有著直接的影響。因此，在將實驗室中的激光光泵磁力儀原理樣機(jī)轉(zhuǎn)化為可以在應(yīng)用現(xiàn)場穩(wěn)定工作的工程產(chǎn)品的過程中，研制高度集成化且具備隔震，抗溫變特性的高穩(wěn)定度光源是關(guān)鍵性的工作。
富泰科技基于在激光光泵磁力儀領(lǐng)域的業(yè)務(wù)積累，并結(jié)合外部的設(shè)計和工藝技術(shù)資源，成功推出了可直接集成入激光光泵磁力儀產(chǎn)品的一體化穩(wěn)頻激光光源，該一體化穩(wěn)頻光源可直接輸出經(jīng)飽和吸收譜穩(wěn)頻后的窄線寬準(zhǔn)直激光束；且通過了工程可靠性驗證，可以在包括移動平臺的應(yīng)用場景下保障激光輸出的頻率及功率穩(wěn)定度。該光源方案采用平臺化技術(shù)設(shè)計架構(gòu)，具備強(qiáng)大的波長可拓展性，可提供767nm, 770nm, 780nm, 795nm, 852nm, 894nm等波長，應(yīng)用于基于鉀，銣，銫堿金屬原子的激光光泵磁力儀產(chǎn)品。

2. 方案介紹
2.1 設(shè)計思路
圖1為激光光泵磁力儀的光源原理圖。為了保證磁力儀的檢測靈敏度，激光光泵磁力儀的光源必須要具有很好的頻率穩(wěn)定度，功率穩(wěn)定度以及優(yōu)化設(shè)計的光束直徑。因此，激光光泵磁力儀光源應(yīng)包括準(zhǔn)直整形，偏振分束，飽和吸收穩(wěn)頻光路以及相應(yīng)的高精度電流控制，溫度控制和穩(wěn)頻電路。另外，如果需要將穩(wěn)頻激光光束通過光纖傳輸?shù)酱帕x探頭以避免光源自身磁場對探測結(jié)果的干擾，還需要使用光纖耦合光路及后續(xù)的光纖準(zhǔn)直擴(kuò)束光路。
我們的一體化穩(wěn)頻激光光源的設(shè)計思路是將窄線寬半導(dǎo)體激光管，準(zhǔn)直整形，偏振分束，飽和吸收穩(wěn)頻光路以及電流控制，溫度控制和穩(wěn)頻電路集成到一個小型化的機(jī)械結(jié)構(gòu)里并提供標(biāo)準(zhǔn)控制接口（如RS232，Ethernet或USB），見圖1虛線部分。為了適應(yīng)不同客戶的激光光泵磁力儀架構(gòu)設(shè)計需求，提供自由空間輸出和光纖輸出接口，并使用主動光束鎖定技術(shù)，以對外界震動造成的激光功率抖動進(jìn)行補(bǔ)償和鎖定，保證激光輸出功率的穩(wěn)定性。同時，在光纖輸出的條件下，我們還可配置無磁光纖準(zhǔn)直擴(kuò)束器將光束傳輸入探頭部分，以規(guī)避金屬件對微弱磁場探測結(jié)果的干擾。
用于固定和封裝以上光路和電路的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用高穩(wěn)定性的材料及高精度加工成型工藝，并通過工程可靠性測試，以保證一體化穩(wěn)頻光源能夠勝任工程應(yīng)用場景。

圖1 激光光泵磁力儀光源原理圖
2.2 核心器件(技術(shù))選擇
為了保證激光光泵磁力儀一體化穩(wěn)頻光源的高性能和高可靠性，必須選擇高性能而且成熟可靠的器件和技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品研制和組裝。
2.2.1半導(dǎo)體激光器的選擇。根據(jù)激光光泵磁力儀的原理和指標(biāo)要求，所使用的半導(dǎo)體激光管必須具有波長精度高，線寬窄，在正常工作條件下不調(diào)模等特性，且能夠精確調(diào)諧到相應(yīng)堿金屬原子躍遷譜線上（如銫原子的894.6nm躍遷譜線）。目前可供選擇的兩種半導(dǎo)體激光器分別為分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB: Distributed Feedback Bragg)和外腔半導(dǎo)體激光器(ECDL: External Cavity Diode Laser)。分布反饋半導(dǎo)體激光器通過在半導(dǎo)體激光芯片波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上制備布拉格光柵來實現(xiàn)選模并壓窄線寬，從而實現(xiàn)單芯片層面高功率窄線寬激光輸出，所以可靠性非常高；外腔半導(dǎo)體激光器具有更窄的線寬和更好的波長調(diào)諧性能，但是因為使用了基于閃耀光柵的機(jī)械式外腔結(jié)構(gòu)，所以對外界的震動非常敏感；另外，環(huán)境溫度和濕度也會影響外腔式結(jié)構(gòu)中開放的空間光路。基于外腔半導(dǎo)體激光器的激光光泵磁力儀靈敏度要優(yōu)于分布反饋半導(dǎo)體激光器方案，但是差距并不太大；而外腔半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)并不能勝任不穩(wěn)定工程應(yīng)用場景的工作需求。因此，我們選擇分布反饋半導(dǎo)體激光器作為一體化穩(wěn)頻光源的基礎(chǔ)光源。
我們實際定型的分布反饋半導(dǎo)體激光器來自于德國Eagleyard Photonics公司。Eagleyard公司的分布反饋半導(dǎo)體激光器系列產(chǎn)品可提供對應(yīng)鉀、銣、銫以及氦原子的767nm ,780nm ,795nm，852nm,894nm以及1083nm。這些激光管可以提供線寬典型值2MHz以及具備一定可調(diào)諧特性的激光輸出，為了獲得更高功率，我們選擇了TO3型封裝。圖2為Eagleyard公司852nm DFB激光管的TO3封裝樣式和典型光譜圖，該款型號DFB激光管輸出功率高達(dá)150mW，且能精確調(diào)諧至銫原子D2線852.347nm。
     
     圖2 Eagleyard 852nm DFB激光管封裝樣式和典型光譜圖
除了的指標(biāo)性能，我們選擇Eagleyard公司DFB激光器的另外一個重要的考量就是可靠性。Eagleyard公司此類DFB激光器產(chǎn)品通過了歐航局空間可靠性測試，包括輻射測試，疲勞測試，機(jī)械沖擊測試，溫循測試，濕度測試以及20000小時的芯片老化測試，圖3為Eagleyard公司DFB激光管在隨機(jī)振動條件下的測試數(shù)據(jù)。Eagleyard公司DFB激光管已經(jīng)在歐航局GAIA項目及NASA ISS項目上持續(xù)工作，可以滿足激光光泵磁力儀的可靠性要求。

     圖3 Eagleyard公司DFB激光管在隨機(jī)振動條件下的測試數(shù)據(jù)

2.2.2 流控和溫控電路
分布反饋半導(dǎo)體激光管基于半導(dǎo)體激光管工藝，對ESD，浪涌電流極其敏感，需要設(shè)計專門的保護(hù)電路以防止性能劣化甚至擊穿PN結(jié)的風(fēng)險；另一方面，由于分布反饋半導(dǎo)體激光管的選模光柵結(jié)構(gòu)直接制備在芯片有源區(qū)，注入電流抖動和芯片工作溫度均會直接影響布拉格光柵結(jié)構(gòu)，從而造成激光管的輸出頻率抖動。因此，驅(qū)動此類分布反饋半導(dǎo)體激光管的電流控制電路必須要具有軟啟動，ESD吸收以及低電流噪聲的特性，且能在外界環(huán)境溫濕度變化以及震動沖擊條件下保證平穩(wěn)的輸出；而分布反饋半導(dǎo)體激光管的溫度控制電路需要保證盡可能高的控溫精度，通過熱電致冷器將激光芯片的溫度精確鎖定在工作溫度點(diǎn)，以保證分布反饋半導(dǎo)體激光管輸出頻率的穩(wěn)定性。
我們?yōu)橐惑w化穩(wěn)頻光源設(shè)計的驅(qū)動電路采用低噪聲線性化電路技術(shù)和安全互鎖電路，以保證半導(dǎo)體激光管驅(qū)動電流的低噪聲輸出和安全工作。另外，溫控電路采用PID控制，且PID參數(shù)根據(jù)所選用的分布反饋半導(dǎo)體激光管規(guī)格進(jìn)行化設(shè)計，以保證對半導(dǎo)體激光芯片工作溫度控制的精確度。

2.2.3 穩(wěn)頻控制電路
為了保證激光光泵磁力儀的性能，需要將分布反饋半導(dǎo)體激光管的頻率精確鎖定在堿金屬原子超精細(xì)共振譜線上并保證長短時頻率穩(wěn)定度，單靠高精度電流驅(qū)動和溫度控制電路不能無法勝任該頻率鎖定要求，需要采用外部主動穩(wěn)頻技術(shù)。
綜合考慮性能和技術(shù)可靠性，我們使用飽和吸收譜穩(wěn)頻技術(shù)對分布反饋半導(dǎo)體激光管的頻率進(jìn)行閉環(huán)鎖定。由于飽和吸收譜穩(wěn)頻需要使用若干分立式光學(xué)器件進(jìn)行分光以及專用電路進(jìn)行信號處理，所以如何縮小體積并提高工程可靠性是一個比較棘手的問題。在一體化穩(wěn)頻光源中，我們使用的飽和吸收譜穩(wěn)頻技術(shù)基于德國TEM Messtechnik GmbH公司經(jīng)過多年應(yīng)用驗證的LaseLock和CoSy飽和吸收譜穩(wěn)頻技術(shù)平臺，并將其小型化并進(jìn)行工程可靠性提升。該飽和吸收譜穩(wěn)頻技術(shù)平臺具有“鎖邊”、“鎖峰”功能及雙路PID電路，且支持失鎖-再鎖定功能，能夠保證分布反饋激光管頻率失鎖后重新找回目標(biāo)鎖定頻率并再鎖定；該飽和吸收譜穩(wěn)頻技術(shù)平臺的光路設(shè)計也非常巧妙和緊湊，在簡單可靠的前提下輸出有效信號。圖4（a）和圖4（b）分別為該技術(shù)平臺的電路原理圖和光路原理圖。

     圖4 （a）LaseLock飽和吸收譜穩(wěn)頻電路原理圖

      圖4 （b）CoSy飽和吸收譜穩(wěn)頻光路原理圖

2.2.4 主動光束鎖定
在激光光泵磁力儀應(yīng)用中，激光光源的功率穩(wěn)定度非常重要。而在實際應(yīng)用場景中，造成激光功率抖動的一個重要因素就是溫度變化、應(yīng)力及振動造成的光路光學(xué)元件形變和位置變化。特別是在光纖耦合輸出的配置下，外界條件輕微的變化會直接影響自由空間光束到單模保偏光纖的耦合效率，從而造成很大的功率跌落。轉(zhuǎn)載這種情況下，僅僅依賴穩(wěn)固的機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能保證激光功率的穩(wěn)定。為了解決這個問題，我們采用了TEM Messtechnik GmbH公司的Fiberlock技術(shù)，可以對激光光束進(jìn)行高達(dá)KHz頻率的二維掃描并持續(xù)監(jiān)控和優(yōu)化自由空間激光光束到保偏光纖的耦合，從而形成閉環(huán)鎖定，以補(bǔ)償耦合光路因外界條件導(dǎo)致的溫度漂移和機(jī)械漂移。圖5和圖6分別為FiberLock技術(shù)的原理示意圖和耦合光路聚焦優(yōu)化前后的功率分布對比。

圖5  FiberLock原理示意圖

       圖6 耦合光路聚焦優(yōu)化前后功率分布對比

2.2.5 光纖準(zhǔn)直擴(kuò)束器
在激光光泵磁力儀的一些應(yīng)用場景中，需要將一體化穩(wěn)頻光源產(chǎn)生的激光通過單模保偏光纖傳輸?shù)教筋^，且穩(wěn)頻激光需要通過四分之一波片轉(zhuǎn)換為圓偏振光并整形成一定直徑的光束入射到探頭。針對此種應(yīng)用場景，我們配置了即插即用集成四分之一波片的光纖準(zhǔn)直擴(kuò)束器（見圖7），以保證光路的穩(wěn)定可靠。同時，該光纖準(zhǔn)直擴(kuò)束器的結(jié)構(gòu)件材質(zhì)為無磁性的金屬鈦，不會對探頭產(chǎn)生干擾，從而獲得精確的結(jié)果。

 圖7  集成了四分之一波片的無磁材料光纖準(zhǔn)直擴(kuò)束器 

3 規(guī)格和指標(biāo)
以用于激光光泵銫原子磁力儀的894nm一體化穩(wěn)頻光源為例，通過將前述核心器件和技術(shù)方案進(jìn)行工程化集成，最終定型的用于的激光光泵磁力儀的一體化穩(wěn)頻光源的規(guī)格為165mm x 102mm x 91mm，激光光源相干長度大于10m， 保偏光纖輸出功率為7mW, 輸出波長為894.6nm且長時頻率穩(wěn)定度為500kHz。其供電及內(nèi)部電路控制均通過單一控制接口，上電即可工作。圖8為894nm一體化激光穩(wěn)頻光源的外觀示意圖。
    
圖8 一體化激光穩(wěn)頻光源外觀示意圖
    除了用于激光光泵銫原子磁力儀的894nm一體化穩(wěn)頻光源外，利用同樣的技術(shù)方案，我們還將波長拓展到767nm，770nm，780nm，794nm，852nm，可以用于基于鉀原子、銣原子的激光光泵磁力儀方案。