CN114094441B - 基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器，包括超声发生装置、激光发生器和光传输介质，激光发生器产生的光信号沿着光传输介质传输；光传输介质上制备有沿着光信号传输方向依次设置的第一增益光栅和第二增益光栅，超声发生装置产生超声波以声纵波的形式被加载到所述光传输介质上，对光传输介质上传输的光信号进行超晶格调制；在声纵波的波速不变的前提下，通过连续调节声纵波的频率，使光传输介质输出的光信号可连续扫频。本发明扫频激光器结构简单且制作成本较低。
Description
技术领域
本发明属于激光器领域，具体涉及一种基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器。
背景技术
在光传输系统中，扫频激光器可以产生周期性波长调谐输出，广泛应用于光纤光栅解调仪和光学相干技术。然而，现有的扫频激光器通常结构复杂，且成本较高。
发明内容
本发明提供一种基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器，以解决目前扫频激光器扫描速度慢、结构复杂、成本较高的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器，包括超声发生装置、激光发生器和光传输介质，所述激光发生器产生的光信号沿着所述光传输介质传输；所述光传输介质上制备有沿着光信号传输方向依次设置的第一增益光栅和第二增益光栅，所述超声发生装置产生的超声波以声纵波的形式被加载到所述光传输介质上，对所述光传输介质上传输的光信号进行超晶格调制；
在所述声纵波的波速不变的前提下，通过连续调节所述声纵波的频率，使所述光传输介质输出的光信号可连续扫频。
在一种可选的实现方式中，所述激光发生器产生的光信号经过所述第一增益光栅和第二增益光栅后产生对应光谱，所述光谱中包括主峰、左边带和右边带，所述左边带和右边带分别位于所述主峰的中心波长左右两侧，且所述左边带和右边带的强度均大于对应主峰的强度，所述光谱中的左边带或右边带从所述光传输介质的输出端输出；
其中在所述声纵波的波速不变的前提下，随着所述声纵波的频率增大，在强度-波长图中，所述光谱的中心波长不变，左边带和右边带的波长间距增大，右边带的中心波长增大，左边带的中心波长减小，所述左边带和右边带的形状不变且始终相对于所述中心波长对称；
在所述声纵波以及所述光传输介质上传输的光信号不变的情况下，所述第一增益光栅和第二增益光栅的周期越大，所述光信号经所述第一增益光栅和第二增益光栅后产生的光谱的中心波长越大，当所述第一增益光栅和第二增益光栅的周期较大时，所述光谱中的左边带从所述光传输介质的输出端输出，当所述第一增益光栅和第二增益光栅的周期较小时，所述光谱中的右边带从所述光传输介质的输出端输出；
在所述声纵波的波速不变的前提下，通过连续调节所述声纵波的频率来实现激光连续扫频。
在另一种可选的实现方式中，当所述第一增益光栅和第二增益光栅的周期较大时，通过增大所述声纵波的频率来实现激光从大波长到小波长的扫描；当所述第一增益光栅和第二增益光栅的周期较小时，通过增大所述声纵波的频率来实现激光从小波长到大波长的扫描。
在另一种可选的实现方式中，所述光传输介质为光纤，所述第一增益光栅为第一光纤布拉格增益光栅，所述第二增益光栅为第二光纤布拉格增益光栅，所述光纤上制备有沿着光信号传输方向依次设置的第一光纤布拉格增益光栅和第二光纤布拉格增益光栅，所述激光发生器用于向所述光纤提供光信号；所述超声发生装置产生的超声波以声纵波的形式被加载到所述光纤上，对所述光纤上传输的光信号进行超晶格调制；
在所述声纵波的波速不变的前提下，通过连续调节所述声纵波的频率，使所述光纤输出的光信号可连续扫频。
在另一种可选的实现方式中，所述超声发生装置包括射频发生器和超声换能器，所述射频发生器用于产生电压信号并作用于所述超声换能器，所述超声换能器将所述电压信号转换为所述超声波信号，并将所述超声波信号加载在所述光纤上，使超声波以声纵波的形式在所述光纤上传输；
所述超声换能器为锥形超声换能器，所述光纤穿过所述锥形超声换能器的锥顶，所述光纤的中心轴与所述锥形超声换能器的中心轴重叠，在所述锥形超声换能器的锥顶处，所述光纤与所述锥形超声换能器连接。
在另一种可选的实现方式中，所述光纤中第一光纤布拉格增益光栅和第二光纤布拉格增益光栅的涂敷层均被去除，以保证所述超声发生装置将超声波加载到所述光纤上，所述超声波以声纵波的形式在所述光纤中传输。
在另一种可选的实现方式中，所述激光发生器和光传输介质由半导体激光器实现，所述超声发生器为声表面波发生装置，所述半导体激光器的谐振腔外设有第一增益光栅和第二增益光栅，所述半导体激光器的有源层接收到电流泵浦后产生光信号，所述光信号沿着所述半导体激光器传输；所述声表面波发生装置产生的超声波以声纵波的形式被加载到所述半导体激光器上，对所述半导体激光器上传输的光信号进行超晶格调制；
在所述声纵波的波速不变的前提下，通过连续调节所述声纵波的频率，使所述半导体激光器输出的光信号可连续扫频。
在另一种可选的实现方式中，该第一增益光栅和第二增益光栅沿着谐振腔的长度方向依次设置且与该谐振腔间隔平行设置。
在另一种可选的实现方式中，该半导体激光器为PN型半导体激光器，所述第一增益光栅和第二增益光栅设置在该谐振腔的同一侧且设在所述PN型半导体激光器的有源层内。
在另一种可选的实现方式中，所述第一增益光栅与第二增益光栅之间直接连接，或者通过增益段连接。
本发明的有益效果是：
本发明通过将超声以声纵波的形式加载到光传输介质上，可以对光传输介质上传输的光信号进行超晶格调制，使得经过第一增益光栅和第二增益光栅产生的光谱的左边带或右边带从光传输介质输出端输出，在声纵波的波速不变的前提下，通过连续调节声纵波的频率，可以实现激光连续扫频，本发明结构简单且制作成本较低。
附图说明
图1是本发明基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器的一个实施例结构示意图；
图2是本发明基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器的另一个实施例结构示意图；
图3是初始光信号的光谱图以及光信号经过第一增益光栅和第二增益光栅后的光谱图；
图4是增大声纵波的频率时，光信号经过第一增益光栅和第二增益光栅后的光谱图；
图5(a)是第一增益光栅和第二增益光栅的周期较大时，光信号经过第一增益光栅和第二增益光栅后的光谱图，图5(b)第一增益光栅和第二增益光栅的周期较小时，光信号经过第一增益光栅和第二增益光栅后的光谱图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供了一种基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器，该激光器可以包括超声发生装置、激光发生器和光传输介质，所述激光发生器产生的光信号沿着所述光传输介质传输；所述光传输介质上制备有沿着光信号传输方向依次设置的第一增益光栅和第二增益光栅，所述超声发生装置产生超声波以声纵波的形式被加载到所述光传输介质上，对所述光传输介质上传输的光信号进行超晶格调制；在所述声纵波的波速不变的前提下，通过连续调节所述声纵波的频率，使所述光传输介质输出的光信号可连续扫频。
在一个实施例中，如图1所示，所述光传输介质可以为光纤，所述第一增益光栅11可以为第一光纤布拉格增益光栅，所述第二增益光栅12可以为第二光纤布拉格增益光栅，所述光纤10上制备有沿着光信号传输方向依次设置的第一光纤布拉格增益光栅11和第二光纤布拉格增益光栅12，所述激光发生器20用于向所述光纤10提供光信号；所述超声发生装置30产生的超声波以声纵波的形式被加载到所述光纤10上，对所述光纤10上传输的光信号进行超晶格调制；在所述声纵波的波速不变的前提下，通过连续调节所述声纵波的频率，使所述光纤10输出的光信号可连续扫频。
本实施例中，所述超声发生装置30可以包括射频发生器31和超声换能器，所述射频发生器31用于产生电压信号并作用于所述超声换能器，所述超声换能器将所述电压信号转换为所述超声波信号，并将所述超声波信号加载在所述光纤10上，使超声波以声纵波的形式在所述光纤10上传输。
所述超声换能器可以为锥形超声换能器，所述光纤10穿过所述锥形超声换能器32的锥顶，所述光纤10的中心轴与所述锥形超声换能器32的中心轴重叠，在所述锥形超声换能器32的锥顶处，所述光纤10与所述锥形超声换能器32连接(例如在锥形超声换能器32的锥顶处，利用紫外胶滴在锥顶位置处，使光纤10与锥形超声换能器32的锥顶紧密接触连接)。本发明通过使超声换能器为锥形，光纤穿过锥形超声换能器的锥顶，光纤的中心轴与锥形超声换能器的中心轴重叠，可以将超声换能器转换形成的聚集的超声信号加载到光纤上，保证超声信号以声纵波的形式在光纤中传播；此外，本发明通过在锥形超声换能器的锥顶处，将光纤与锥形超声换能器连接，可以使超声换能器转换形成的超声信号更好地耦合到光纤中。优选地，该锥形超声换能器可以为圆锥形，此时可以更加高效地将超声换能器转换形成的超声信号加载到光纤中。另外，所述光纤10中第一光纤布拉格增益光栅11和第二光纤布拉格增益光栅12的涂敷层均被去除(例如利用氢氟酸将两个光纤布拉格光栅的涂敷层腐蚀掉)，以保证所述超声发生装置30将超声波加载到所述光纤10上，所述超声波以声纵波的形式在所述光纤10中传输。本发明通过将光纤中第一光纤布拉格增益光栅和第二光纤布拉格增益光栅的涂敷层去除，可以将超声发生装置产生的超声波信号更好地耦合到光纤的光纤布拉格光栅中，使得超声波以声纵波的形式在光纤中传输。
在另一个实施例中，如图2所示，所述激光发生器和光传输介质由半导体激光器实现，所述超声发生器为声表面波发生装置，所述半导体激光器的谐振腔外设有第一增益光栅和第二增益光栅，所述半导体激光器的有源层接收到电流泵浦I后产生光信号，所述光信号沿着所述半导体激光器传输；所述声表面波发生装置产生的超声波以声纵波的形式被加载到所述半导体激光器上，对所述半导体激光器上传输的光信号进行超晶格调制；在所述声纵波的波速不变的前提下，通过连续调节所述声纵波的频率，使所述半导体激光器输出的光信号可连续扫频。
本实施例中，该第一增益光栅和第二增益光栅沿着谐振腔的长度方向依次设置且与该谐振腔间隔平行设置，该第一增益光栅的自由端可以与该谐振腔的一端对齐，该第二增益光栅的自由端可以与该谐振腔的另一端对齐。该半导体激光器可以为PN型半导体激光器，第一增益光栅和第二增益光栅可以设置在该谐振腔的同一侧且可设在PN型半导体激光器的有源层内。需要注意的是：上述两个实施例中，第一增益光栅和第二增益光栅之间可以直接连接，第一增益光栅与第二增益光栅之间也可以通过增益段连接。
本发明的原理是：如图3所示，虚线表示激光发生器产生的初始光信号，实线表示光信号经过第一增益光栅和第二增益光栅后的光谱线，从图中可以看出，光传输介质上传输的光信号经过第一增益光栅和第二增益光栅后会产生了两个边带，相比于初始光信号，实线所示光谱线中位于中间处的主峰强度减小(即主峰能量减小)，两个边带的强度增大(即能量增大)且大于主峰的强度。
结合图4所示，在声纵波的波速不变的前提下，增大声纵波的频率，图4中f1至f3频率逐渐增大，从图中可以看出，在光信号经过第一增益光栅和第二增益光栅后的光谱线中，随着声纵波频率的增大，光谱线的中心波长保持不变，左边带和右边带的波长间距增大，且右边带的中心波长增大，左边带的中心波长减小，左边带和右边带的形状不变且始终相对于对应中心波长对称。另外，结合图5所示，图5(a)是第一增益光栅和第二增益光栅的周期较大时，光信号经过第一增益光栅和第二增益光栅后的光谱图，图5(b)第一增益光栅和第二增益光栅的周期较小时，光信号经过第一增益光栅和第二增益光栅后的光谱图。其中，图5(a)中虚线方框圈出的左边带可以从光传输介质的输出端输出，图5(b)中虚线方框圈出的右边带可以从光传输介质的输出端输出。按照图4所示，随着声纵波频率的增大，图5(a)中左边带的中心波长减小；随着声纵波频率的增大，图5(b)中虚线方框圈出的右边带的中心波长增大。图5(a)和图5(b)中，外层谱线为增益介质的增益谱线。结合图5(a)和图5(b)可以看出，第一增益光栅和第二增益光栅的周期较大时，光信号经第一增益光栅和第二增益光栅后的光谱线位于增益介质光谱的右侧，其光谱的中心波长较大；第一增益光栅和第二增益光栅的周期较小时，光信号经第一增益光栅和第二增益光栅后的光谱线位于增益介质光谱的左侧，其光谱的中心波长较小。
从图3至图5可以得出，所述激光发生器产生的光信号经过所述第一增益光栅和第二增益光栅后产生对应光谱，所述光谱中包括主峰、左边带和右边带，所述左边带和右边带分别位于所述主峰的中心波长左右两侧，且所述左边带和右边带的强度均大于对应主峰的强度，所述光谱中的左边带或右边带从所述光传输介质的输出端输出；其中在所述声纵波的波速不变的前提下，随着所述声纵波的频率增大，在强度-波长图中，所述光谱的中心波长不变，左边带和右边带的频宽增大，右边带的中心波长增大，左边带的中心波长减小，所述左边带和右边带的形状不变且始终相对于所述中心波长对称。
在所述声纵波以及所述光传输介质上传输的光信号不变的情况下，所述第一增益光栅和第二增益光栅的周期越大，所述光信号经所述第一增益光栅和第二增益光栅后产生的光谱的中心波长越大，当所述第一增益光栅和第二增益光栅的周期较大时，所述光谱中的左边带从所述光传输介质的输出端输出，当所述第一增益光栅和第二增益光栅的周期较小时，所述光谱中的右边带从所述光传输介质的输出端输出；在所述声纵波的波速不变的前提下，通过连续调节所述声纵波的频率来实现激光连续扫频。当所述第一增益光栅和第二增益光栅的周期较大时，通过增大所述声纵波的频率来实现激光从大波长到小波长的扫描；当所述第一增益光栅和第二增益光栅的周期较小时，通过增大所述声纵波的频率来实现激光从小波长到大波长的扫描。
本发明中，在将声纵波加载到光传输介质后，为了使光信号经过第一增益光栅和第二增益光栅后生成上述光谱，可以通过对光信号的主峰波峰位置与增益段之间的位置以及第一增益光栅和第二增益光栅的周期进行设计。本发明通过对第一增益光栅和第二增益光栅的周期进行设计，可以对激光连续扫频的初始波长进行设定。
由上述实施例可见，本发明通过将超声以声纵波的形式加载到光传输介质上，可以对光传输介质上传输的光信号进行超晶格调制，使得光信号经过第一增益光栅和第二增益光栅后产生的光谱的左边带或右边带从光传输介质输出端输出，在声纵波的波速不变的前提下，通过连续调节声纵波的频率，可以实现激光连续扫频，本发明结构简单且制作成本较低。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。
Claims (10)
1.一种基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器，其特征在于，包括超声发生装置、激光发生器和光传输介质，所述激光发生器产生的光信号沿着所述光传输介质传输；所述光传输介质上制备有沿着光信号传输方向依次设置的第一增益光栅和第二增益光栅，所述超声发生装置产生的超声波以声纵波的形式被加载到所述光传输介质上，对所述光传输介质上传输的光信号进行超晶格调制；
在所述声纵波的波速不变的前提下，通过连续调节所述声纵波的频率，使所述光传输介质输出的光信号可连续扫频。
2.根据权利要求1所述的基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器，其特征在于，所述激光发生器产生的光信号经过所述第一增益光栅和第二增益光栅后产生对应光谱，所述光谱中包括主峰、左边带和右边带，所述左边带和右边带分别位于所述主峰的中心波长左右两侧，且所述左边带和右边带的强度均大于对应主峰的强度，所述光谱中的左边带或右边带从所述光传输介质的输出端输出；
其中在所述声纵波的波速不变的前提下，随着所述声纵波的频率增大，在强度-波长图中，所述光谱的中心波长不变，左边带和右边带的波长间距增大，右边带的中心波长增大，左边带的中心波长减小，所述左边带和右边带的形状不变且始终相对于所述中心波长对称；
在所述声纵波以及所述光传输介质上传输的光信号不变的情况下，所述第一增益光栅和第二增益光栅的周期越大，所述光信号经所述第一增益光栅和第二增益光栅后产生的光谱的中心波长越大，当所述第一增益光栅和第二增益光栅的周期较大时，所述光谱中的左边带从所述光传输介质的输出端输出，当所述第一增益光栅和第二增益光栅的周期较小时，所述光谱中的右边带从所述光传输介质的输出端输出；
在所述声纵波的波速不变的前提下，通过连续调节所述声纵波的频率来实现激光连续扫频。
3.根据权利要求2所述的基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器，其特征在于，当所述第一增益光栅和第二增益光栅的周期较大时，通过增大所述声纵波的频率来实现激光从大波长到小波长的扫描；当所述第一增益光栅和第二增益光栅的周期较小时，通过增大所述声纵波的频率来实现激光从小波长到大波长的扫描。
4.根据权利要求1所述的基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器，其特征在于，所述光传输介质为光纤，所述第一增益光栅为第一光纤布拉格增益光栅，所述第二增益光栅为第二光纤布拉格增益光栅，所述光纤上制备有沿着光信号传输方向依次设置的第一光纤布拉格增益光栅和第二光纤布拉格增益光栅，所述激光发生器用于向所述光纤提供光信号；所述超声发生装置产生的超声波以声纵波的形式被加载到所述光纤上，对所述光纤上传输的光信号进行超晶格调制；
在所述声纵波的波速不变的前提下，通过连续调节所述声纵波的频率，使所述光纤输出的光信号可连续扫频。
5.根据权利要求4所述的基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器，其特征在于，所述超声发生装置包括射频发生器和超声换能器，所述射频发生器用于产生电压信号并作用于所述超声换能器，所述超声换能器将所述电压信号转换为超声波信号，并将所述超声波信号加载在所述光纤上，使超声波以声纵波的形式在所述光纤上传输；
所述超声换能器为锥形超声换能器，所述光纤穿过所述锥形超声换能器的锥顶，所述光纤的中心轴与所述锥形超声换能器的中心轴重叠，在所述锥形超声换能器的锥顶处，所述光纤与所述锥形超声换能器连接。
6.根据权利要求4或5所述的基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器，其特征在于，所述光纤中第一光纤布拉格增益光栅和第二光纤布拉格增益光栅的涂敷层均被去除，以保证所述超声发生装置将超声波加载到所述光纤上，所述超声波以声纵波的形式在所述光纤中传输。
7.根据权利要求1所述的基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器，其特征在于，所述激光发生器和光传输介质由半导体激光器实现，所述超声发生器为声表面波发生装置，所述半导体激光器的谐振腔外设有第一增益光栅和第二增益光栅，所述半导体激光器的有源层接收到电流泵浦后产生光信号，所述光信号沿着所述半导体激光器传输；所述声表面波发生装置产生的超声波以声纵波的形式被加载到所述半导体激光器上，对所述半导体激光器上传输的光信号进行超晶格调制；
在所述声纵波的波速不变的前提下，通过连续调节所述声纵波的频率，使所述半导体激光器输出的光信号可连续扫频。
8.根据权利要求7所述的基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器，其特征在于，该第一增益光栅和第二增益光栅沿着谐振腔的长度方向依次设置且与该谐振腔间隔平行设置。
9.根据权利要求7或8所述的基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器，其特征在于，该半导体激光器为PN型半导体激光器，所述第一增益光栅和第二增益光栅设置在该谐振腔的同一侧且设在所述PN型半导体激光器的有源层内。
10.根据权利要求1所述的基于声光超晶格调制的连续扫频分布反馈激光器，其特征在于，所述第一增益光栅与第二增益光栅之间直接连接，或者通过增益段连接。
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