高精度稳频半导体激光器是开展前沿科学研究的基础高端仪器，也是目前国际上蓬勃发展的量子精密测量、时频通信、原子物理等领域仪器装备的核心器件，对国家经济发展和安全建设意义重大。《法拉第激光器》从半导体激光器的发展历史与趋势出发，系统介绍了法拉第激光器的基本原理与工艺技术，详细阐述了法拉第激光器开机自动对应原子跃迁谱线，具有抗温度、电流波动能力强的显著优势。此外，《法拉第激光器》还介绍了法拉第激光器在铯原子钟、原子重力仪、水下光通信系统等高端仪器装备中的实际应用情况及重要价值，并探讨了法拉第激光器未来发展趋势。

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 半导体激光器发展历史与趋势 1
1.1.1 外腔半导体激光器发展历史 2
1.1.2 半导体激光器发展趋势 15
1.2 稳频半导体激光器及其应用 17
1.2.1 稳频半导体激光器 17
1.2.2 稳频半导体激光器的应用 20
参考文献 20
第2章 法拉第激光器概述 27
2.1 法拉第激光器的基本原理 27
2.2 法拉第激光器的结构组成 29
2.3 法拉第激光器的性能特点 30
2.3.1 法拉第激光器的特殊性能 30
2.3.2 法拉第激光器的性能提升及发展 31
2.4 法拉第激光器的应用场景与需求 35
2.4.1 法拉第激光器的应用场景 35
2.4.2 法拉第激光器的应用需求 36
参考文献 37
第3章 法拉第激光器专用半导体激光二极管 40
3.1 半导体激光二极管 40
3.1.1 基本原理 41
3.1.2 主要分类 45
3.1.3 性能特点 49
3.2 法拉第激光器专用半导体激光二极管制造工艺技术 52
3.2.1 半导体材料 52
3.2.2 半导体激光器制造技术 53
3.2.3 制造工艺流程 55
3.2.4 镀超低反射率增透膜的激光二极管 58
参考文献 62
第4章 法拉第原子滤光器 63
4.1 原子滤光器的发展历史 63
4.2 基本原理及主要分类 64
4.2.1 多普勒原子滤光器 65
4.2.2 原子共振型滤光器 65
4.2.3 法拉第反常色散型原子滤光器 67
4.2.4 佛克脱反常色散型原子滤光器 68
4.2.5 感生二向色型原子滤光器 70
4.2.6 基于谱灯的原子滤光器 74
4.2.7 基于空心阴极灯的原子滤光器 79
4.2.8 基于钙原子束的原子滤光器 84
4.3 法拉第原子滤光器原理、工艺及性能 87
4.3.1 基本原理 87
4.3.2 核心制备工艺 88
4.3.3 碱金属原子气室 90
4.3.4 法拉第反常色散型原子滤光器 91
4.3.5 佛克脱型原子滤光器 100
4.3.6 MEMS型法拉第原子滤光器 102
4.4 法拉第原子滤光器的理论与仿真 107
4.4.1 介质中的电磁波 107
4.4.2 原子的电极化响应 108
4.4.3 碱金属原子的微观结构与塞曼效应 113
4.4.4 法拉第旋光效应理论与仿真软件 118
参考文献 128
第5章 法拉第激光器方案与技术 130
5.1 整机技术方案 130
5.1.1 原子选频激光器概述 132
5.1.2 磁致旋光效应法拉第激光器 134
5.1.3 感生二向色法拉第激光器 143
5.1.4 磁致旋光效应佛克脱激光器 145
5.2 光学谐振腔 148
5.2.1 谐振腔光路结构 148
5.2.2 线宽压窄技术 150
5.2.3 主要光学器件 156
5.3 电路系统 163
5.3.1 控温电路系统 163
5.3.2 控流电路系统 166
5.4 激光稳频电源 169
5.4.1 一体化稳频电路组成 169
5.4.2 一体化稳频电路关键部件 ——恒流源 173
5.4.3 一体化稳频电路关键部件 ——高精度温控模块 175
5.4.4 一体化稳频电路关键部件 ——功率稳定模块 182
5.4.5 激光稳频电路参数特性 185
5.5 主要性能特征及指标 186
5.5.1 法拉第激光器性能特征概述 186
5.5.2 功率电流 (P-I)*线 186
5.5.3 抗温度变化能力 189
5.5.4 抗电流变化能力 191
5.5.5 抗机械振动能力 193
5.5.6 自由运行波长稳定性能(含λ-t*线) 194
参考文献 195
第6章 法拉第激光器稳频技术 197
6.1 法拉第激光器的饱和吸收谱稳频 197
6.1.1 基本原理 197
6.1.2 法拉第激光器的饱和吸收谱 199
6.2 法拉第激光器的调制转移谱稳频 200
6.2.1 基本原理 200
6.2.2 铯原子 852 nm法拉第激光器的单频调制转移谱(MTS)稳频系统 201
6.2.3 铯原子 852 nm单频模式和双频模式可切换的法拉第激光稳频 208
6.2.4 铷原子 780 nm法拉第激光器的MTS稳频系统 211
6.2.5 波长可切换的钾原子法拉第激光器 216
6.3 法拉第激光器的PDH(Pound-Drever-Hall)稳频 221
6.3.1 基本原理 221
6.3.2 法拉第激光器的PDH稳频 232
6.3.3 基于法拉第激光器的回音壁微腔PDH稳频 243
6.3.4 法拉第激光器PDH与原子稳频结合 251
参考文献 255
第7章 法拉第激光器推广应用 258
7.1 法拉第激光器在原子钟领域的应用 258
7.1.1 法拉第激光器应用于原子钟的方案 258
7.1.2 法拉第激光器应用于激光抽运小铯钟 259
7.1.3 法拉第激光器应用于光频 -微波双频原子钟 262
7.1.4 法拉第激光器应用于冷原子主动光钟 264
7.2 法拉第激光器在原子干涉重力仪中的应用 267
7.2.1 原子重力仪原理及研究现状 268
7.2.

第1章绪论
　　半导体激光器诞生于20世纪60年代，经过几十年的不断创新和发展，已经成为现代光电子技术领域的重要核心器件。从*初的同质结型结构到单异质结、双异质结、量子阱、量子线、量子点等结构，应用分布式反馈(distributed-feedback，DFB)激光、分布布拉格反馈(distributed bragg reflection，DBR)激光、垂直腔面发射激光(vertical-cavity surface-emitting lasers，VCSEL)、光子晶体面发射激光(photonic-crystal surface-emitting lasers，PCSEL)、外腔半导体激光(external-cavity-diode lasers，ECDL)等技术，半导体激光器的不同性能得到拓展和显著提升，应用领域也日益广泛。当前，半导体激光器广泛应用于精密光谱、通信、数据存储、医疗、工业加工等领域，尤其在量子精密测量领域，半导体激光器成为原子钟、量子干涉仪、原子磁力仪等多种科学仪器的核心器件，其发展推动了众多领域的科技进步。本章重点介绍半导体激光器的发展历史及发展趋势，特别介绍了外腔半导体激光器。
　　1.1半导体激光器发展历史与趋势
　　自1962年**支半导体激光管问世以来[1-3]，因其具有体积小、功率大、效率高、结构简单、价格便宜、便于调谐等显著优势，得到了迅速发展和广泛应用。目前已在激光光谱学、量子精密测量、激光光通信、激光存储、光高速印刷、光信息处理、光计算机和光传感等诸多方面得到广泛应用。近年来，半导体激光器在量子探测、冷原子物理、原子光谱研究、引力波探测等领域展现出重要的应用价值，尤其在量子精密测量领域，半导体激光器已成为原子钟、原子重力仪、原子磁力仪、原子陀螺仪等诸多量子探测仪器的核心器件。
　　半导体激光器作为一种电磁波振荡器，存在激光频率随时间的变化，其中，频率快变部分表现为激光线宽的展宽，而频率慢变部分常常由周围环境对激光腔体、泵浦源等因素的影响引起，表现为频率漂移和中长期稳定性的恶化。在诸多应用中，半导体激光器的线宽及频率稳定性是非常重要的指标，尤其在量子领域的基础研究(如高分辨率光谱、激光冷却和囚禁原子，以及新型量子频率标准)和工业应用(如原子重力仪、原子陀螺仪、原子磁力仪、原子钟及各种量子传感器)中，窄线宽及优越的频率稳定性尤为关键。半导体激光器线宽压窄方法主要有两种：电反馈法和光反馈法。由于半导体激光器的工作特性对光反馈十分敏感，采用光反馈压窄激光线宽的方法可极大简化稳频激光器的结构。同时，采用光反馈和Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术，可以得到显著的线宽压窄效果，已在光电子技术等多个领域得到广泛应用。而激光器频率漂移和中长期稳定性的改善，常采用外部原子稳频的方式实现。
　　1.1.1外腔半导体激光器发展历史
　　量子精密测量技术的发展极大地推动了物理发展的进程，在众多物理量的测量中，时间频率测量凭借其优异的准确度和稳定度脱颖而出，成为目前精度*高的可测量物理量。1967年，第13届国际计量大会对时间单位秒进行重新定义，从基于地球公转的“天文秒”改成基于原子跃迁的“原子秒”，定义处于绝对零度静止状态铯133(133Cs)原子的非扰动基态两个超精细能级间跃迁对应辐射的9192631770个周期所持续的时间为1秒[4]。2018年，第26届国际计量大会对秒定义进行表述修订，将133Cs原子非扰动基态超精细跃迁频率定义为常数vCs=9192631770Hz，并用该常数表示时间单位秒，即1s=9192631770/.vCs，该修正表述后的定义自2019年5月20日起生效[5]。利用量子能级跃迁产生准确、稳定的时间频率的设备称为原子钟，其被广泛应用于前沿科学探索[6，7]、守时授时[8]、导航定位[9]等领域。随着原子物理、原子气室、高性能微波源、激光冷却囚禁、新型激光器与稳频技术，以及新型原子钟原理方案等方面的不断发展，原子钟的性能日益提升。目前国际上系统不确定度*好的离子光钟和中性原子光晶格钟，系统不确定度已进入小系数10.18甚至10.19量级[10，11]。例如，为精确探测窄线宽的量子跃迁谱线，当半导体激光器作为被动型光频原子钟的本振光源时，要求尽可能地压窄激光线宽，因此，本振激光线宽直接决定原子钟钟跃迁谱线的宽度，对频率稳定度等钟性能的影响至关重要。
　　外腔半导体激光器(external cavity diode laser，ECDL)线宽窄、可调谐、频率稳定性高，可以较好地满足精密测量领域对光源的要求，是新型原子钟、原子磁力仪[12]、原子重力仪[13，14]等研究和应用的理想激光光源之一。除了可以应用于量子频率标准[15]、激光冷却[16]和高分辨率光谱学[17]等基础研究之外，窄线宽、可调谐的外腔半导体激光器还被广泛应用于光存储[18]、光通信[19]、激光传感[20，21]、激光雷达[22]等领域。
　　半导体激光器的线宽可采用修正后的Schawlow-Townes公式表示[23]：
　　(1-1)
　　其中，P为输出功率；μ≡N2/(N2.N1)表征粒子数反转，N1和N2分别表示下能级和上能级粒子数；.ν1/2为谐振腔的腔模线宽；.为Henry耦合参数，1982年由Henr