CN110112648B - 在单程和双程复合模式下的半导体锥形激光放大系统 - Google Patents

在单程和双程复合模式下的半导体锥形激光放大系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在单程和双程复合模式下的半导体锥形激光放大系统，涉及激光放大器。本系统包括半导体激光器，第1、2、3、4、5、6二分之一波片，第1、2偏振分光棱镜，第1、2声光调制器，四分之一波片，平凸透镜，第1、2反射镜，第1、2、3、4光纤耦合镜，第1、2单模保偏光纤，法拉第旋光器，格兰泰勒棱镜，半导体锥形激光放大器，滤光片和第1、2射频源。本系统可以分时工作于不同模式，只利用一台半导体激光器与一台半导体锥形激光放大器，既可以输出高性能激光，也可以实现激光功率的高效率放大，极大地简化集成了冷原子干涉仪实验激光光路。

Description

在单程和双程复合模式下的半导体锥形激光放大系统
技术领域
本发明涉及激光放大器，尤其涉及一种在单程和双程复合模式下的半导体锥形激光放大系统。
背景技术
在冷原子物理研究与精密测量等领域中，激光是一种必不可少的实验资源，也是主要的操作手段。一个完整的冷原子干涉仪实验往往需要多种不同频率不同功率的激光或同时或分时地作用于原子上实现对原子团的复杂操控，可参考文献(Test of EquivalencePrinciple at 10-8Level by a Dual-Species Double-Diffraction RamanAtomInterferometer，Zhou Lin等，Phys.Rev.Lett.第115卷，013004页，2015年)。完整的干涉仪实验需要多种不同的激光，如冷却光、回泵光和拉曼光等。这些激光频率各不相同，而且对激光的要求也不同，如拉曼光需要相当好的光束质量和频谱纯度，而冷却和回泵光要求相对较低。
实验中常用商用半导体激光器与半导体锥形激光放大器(TA)的组合来提供所需的激光。商用半导体激光器可以提供质量和频谱纯度都很好的激光，其输出功率通常为几十毫瓦；半导体锥形激光放大器是一种激光功率放大器件，其输出激光与注入激光频率相同，但输出功率可高达1瓦甚至2瓦。实验中常用TA对移频后的激光进行功率放大以满足实验需求。然而TA的使用同样有其限制。
通常TA工作在单程工作模式，而单程工作时对种子激光的功率有要求，它需要几十毫瓦的种子光注入才可正常工作，放大效率较低，且一台商用半导体激光器的输出激光仅能满足一台TA的注入要求；此外实验中需要多次移频，而移频操作会造成激光功率的损失，尤其是移频范围到GHz量级时，其效率往往只有30％不到，半导体激光器的输出激光经过这样大范围的移频后无法满足TA的注入功率需求。这些问题导致实验中往往需要多个放大器的组合，经过多次移频和功率放大来产生所需的激光，这样既使得激光系统变得复杂，不便于优化和集成，也提高了成本，浪费了大量的资源，而且多次功率放大会引入部分不必要的噪声，影响实验结果。
针对TA对入射种子光的限制，可以采用双程TA的构造，它将种子光功率的限制降低了两个数量级，从几十毫瓦到了几百微瓦，从而极大地提高了半导体锥形激光放大器的放大效率，可参考文献(Double-pass tapered amplifier diode laser with an outputpower of 1Wfor an injection power of only 200μW，V.Bolpasi等，Rev.Sci.Instrum.第81卷，113108页，2010年)。但在实际应用中我们发现双程TA由于双程竞争和自发辐射分量影响，其输出光功率不够稳定，而且输出激光的频谱纯度较差，这样的激光可以用于冷却与回泵光，却无法用对激光有高要求的地方，如拉曼光等。
综上所述，由于TA本身的限制，它难以满足冷原子干涉仪实验对激光的需求。单程工作时放大效率较低，且难以提供足够功率的种子激光；双程工作时尽管放大效率极高，但输出激光性能较差，无法作为拉曼光等高需求激光。
发明内容
本发明的目的在于解决现有激光技术对半导体锥形激光放大器的限制，提供一种在单程和双程复合模式下的半导体锥形激光放大系统。
本发明的目的是这样实现的：
利用时分复用技术实现半导体锥形激光放大器的工作模式切换，使得半导体锥形激光放大器可以分时地工作在单程和双程模式下；本发明既可以在单程模式下输出高性能激光，也可以在双程模式下实现高效率放大，仅用一台商用半导体激光器和一台半导体锥形激光放大器就可以输出冷原子干涉仪实验所需要的激光，极大地简化集成了实验的激光系统，并节省了大量成本。
具体地说，本系统包括半导体激光器，第1、2、3、4、5、6二分之一波片，第1、2偏振分光棱镜，第1、2声光调制器，四分之一波片，平凸透镜，第1、2反射镜，第1、2、3、4光纤耦合镜，第1、2单模保偏光纤，法拉第旋光器，格兰泰勒棱镜，半导体锥形激光放大器，滤光片和第1、2射频源；
其关系是：
半导体激光器、第1二分之一波片、第1偏振分光棱镜、第1声光调制器、第2二分之一波片和第3光纤耦合镜、第2单模保偏光纤、第4光纤耦合镜依次排列和交互，产生第2种子光；
第1声光调制器、四分之一波片、平凸透镜和第1反射镜依次排列和交互，构成双程声光移频系统；
第1偏振分光棱镜、第3二分之一波片、第1光纤耦合镜、第1单模保偏光纤、第2光纤耦合镜、第4二分之一波片和第2偏振分光棱镜依次排列和交互，与双程声光移频系统共同产生第1种子光；
第2偏振分光棱镜、法拉第旋光器、格兰泰勒棱镜、第6二分之一波片、半导体锥形激光放大器、第2声光调制器、滤光片和第2反射镜依次排列和交互，构成双程半导体锥形激光放大系统；
第2偏振分光棱镜、法拉第旋光器、格兰泰勒棱镜、第6二分之一波片、半导体锥形激光放大器、第2声光调制器、第5二分之一波片和第4光纤耦合镜依次排列和交互，构成单程半导体锥形激光放大系统；
第1射频源与第1声光调制器连接，实现声光移频；第2射频源与第2声光调制器连接，实现声光移频。
本发明具有下列优点和积极效果：
1、极大地减小了半导体锥形激光放大器对种子激光功率的需求，一束种子激光就可满足两种工作模式的需求；
2、利用声光调制器作为模式切换开关，其开关速度极快，因此可以快速切换半导体锥形激光放大器的工作模式；
3、一台半导体激光器与一台半导体锥形激光放大器就可实现所需的激光输出，极大地简化集成冷原子干涉仪实验激光光路，并节省了大量成本；
4、仅使用一台半导体锥形激光放大器从而避免了多级功率放大，没有额外噪声的引入。
总之本发明可满足冷原子干涉仪实验中的多种激光需求，提供了一种单程和双程复合模式下的半导体锥形激光放大系统；利用一台半导体激光器与一台半导体锥形激光放大器就可实现所需的激光输出，极大地简化集成了冷原子干涉仪实验激光光路；利用时分复用技术的快速切换特性和两种不同工作模式下的优点互补，该系统可以分时工作于不同模式，既可以输出高性能激光，也可以实现激光功率的高效率放大。
附图说明
图1为本系统的结构示意图；
其中：
1—半导体激光器；
2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6—第1、2、3、4、5、6二分之一波片；
3-1、3-2—第1、2偏振分光棱镜；
4-1—、4-2—第1、2声光调制器；
5—四分之一波片；
6—平凸透镜；
7-1、7-2—第1、2反射镜；
8-1、8-2、8-3、8-4—第1、2、3、4光纤耦合镜；
9-1、9-2—第1、2单模保偏光纤；
10—法拉第旋光器；
11—格兰泰勒棱镜；
12—半导体锥形激光放大器；
13—滤光片；
14-1、14-2—第1、2射频源；
a1、a2—第1、2出射光，
a3、a4—第1、2种子光，
a5—输出光。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、总体
通过声光调制器的开关来切换注入半导体锥形激光放大器的种子激光，从而切换半导体锥形激光放大器的工作模式，实现单程双程复合工作。
如图1，本系统包括半导体激光器1，第1、2、3、4、5、6二分之一波片2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6，第1、2偏振分光棱镜3-1、3-2，第1、2声光调制器4-1、4-2，四分之一波片5，平凸透镜6，第1、2反射镜7-1、7-2，第1、2、3、4光纤耦合镜8-1、8-2、8-3、8-4，第1、2单模保偏光纤9-1、9-2，法拉第旋光器10，格兰泰勒棱镜11，半导体锥形激光放大器12，滤光片13和第1、2射频源14-1、14-2；
其关系是：
半导体激光器1、第1二分之一波片2-1、第1偏振分光棱镜3-1、第1声光调制器4-1、第2二分之一波片2-2和第3光纤耦合镜8-3、第2单模保偏光纤9-2、第4光纤耦合镜8-4依次排列和交互，产生第2种子光a4；
第1声光调制器4-1、四分之一波片5、平凸透镜6和第1反射镜7-1依次排列和交互，构成双程声光移频系统；
第1偏振分光棱镜3-1、第3二分之一波片2-3、第1光纤耦合镜8-1、第1单模保偏光纤9-1、第2光纤耦合镜8-2、第4二分之一波片2-4和第2偏振分光棱镜3-2依次排列和交互，与双程声光移频系统共同产生第1种子光a3；
第2偏振分光棱镜3-2、法拉第旋光器10、格兰泰勒棱镜11、第6二分之一波片2-6、半导体锥形激光放大器12、第2声光调制器4-2、滤光片13和第2反射镜7-2依次排列和交互，构成双程半导体锥形激光放大系统；
第2偏振分光棱镜3-2、法拉第旋光器10、格兰泰勒棱镜11、第6二分之一波片2-6、半导体锥形激光放大器12、第2声光调制器4-2、第5二分之一波片2-5和第4光纤耦合镜8-4依次排列和交互，构成单程半导体锥形激光放大系统；
第1射频源14-1与第1声光调制器4-1连接，实现声光移频；第2射频源14-2与第2声光调制器4-2连接，实现声光移频。
二、功能部件
下面所述的功能部件均为常用标准件。
1、半导体激光器
商用半导体激光器，产生特定波长的线偏振光。
2、第1、2、3、4、5、6二分之一波片2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6
二分之一波片是一种用于调整激光的偏振方向的器件。
3、第1、2偏振分光棱镜3-1、3-2
偏振分光棱镜(PBS)是一种偏振敏感器件，它对特定偏振的激光为透射，垂直偏振的激光为反射，可以将入射光分成两束偏振垂直的线偏光。
4、第1、2声光调制器4-1、4-2
声光调制器是一种用于调制激光频率和幅度的器件，能使其±1级衍射光与零级光以两倍布拉格角分开，并将大部分激光功率集中调制到衍射级。
5、四分之一波片5
四分之一波片5是一种可以将激光特定偏振方向的相位延迟90°的器件。
6、平凸透镜6
平凸透镜6是一种可以聚焦并改变激光方向的器件。
7、第1、2反射镜7-1、7-2
反射镜是一种利用反射定律工作的光学器件。
8、第1、2、3、4光纤耦合镜8-1、8-2、8-3、8-4
光纤耦合镜是一种将激光耦合进入光纤或将光纤出射的激光准直成一定直径的平行光束的器件，由固定光纤的法兰盘和聚焦透镜组成。
9、第1、2单模保偏光纤9-1、9-2
单模保偏光纤是一种传输线偏振激光的光纤。
10、法拉第旋光器10
法拉第旋光器10是一种利用法拉第效应工作的器件，它可以将正向和反向入射的激光偏振沿同一方向旋转同一个角度，本发明使用的是45°旋光器。
11、格兰泰勒棱镜11
格兰泰勒棱镜11是一种双折射偏光器件，仅有特定偏振的激光可以通过。
12、半导体锥形激光放大器12
半导体锥形激光放大器12是一种能将激光功率放大的器件，输出的大功率激光与输入的种子光频率相同，用于放大种子光的功率。
13、滤光片13
滤光片13是一种选择特定波段的光学器件，仅有特定波长范围的激光可以通过。
14、第1、2射频源14-1、14-2
射频驱动源可输出一定功率的射频正弦波信号，并可对信号进行频率调制[包括调频(FM)和键控移频(FSK)]、幅度调制(AM)，其驱动声光调制器实现对激光的操控。
三、工作原理
下面详细阐述本发明的工作原理。
频率锁定的半导体激光器1的出射光作为种子光，通过第1二分之一波片2-1调节偏振使得合适功率的激光透射经过第1偏振分光棱镜3-1。
第1射频源14-1驱动下的第1声光调制器4-1可以高效率地调制种子光。
第1声光调制器4-1不工作时，种子光频率没有改变，方向也不会偏移，将沿0级光方向传播，成为第2出射光a2。由于没有受到调制，第2出射光a2的功率较大，耦合传输之后功率可以满足单程TA的种子光要求。第1声光调制器4-1工作时，四分之一波片5、平凸透镜6与第1反射镜7-1位于调制之后的+1级光方向，它们与第1声光调制器4-1和第1偏振分光棱镜3-1构成了双程声光调制器结构，可参考文献(Double-pass acousto-optic modulatorsystem，E.A.Donley等，Rev.Sci.Instrum.第76卷，063112页，2005年)。双程声光调制器结构使种子光两次通过第1声光调制器4-1移频，并且由于两次通过四分之一波片5，激光偏振方向改变了90°从而被第1偏振分光棱镜3-1反射，成为第1出射光a1。声光调制器的衍射效率和频率调制受到声光调制器本身和射频驱动源的共同影响，因此实际应用中可以根据需求灵活地选择不同的声光调制器和射频源。出射光a1经过耦合传输之后作为双程TA的种子光，对功率的需求非常低(仅几百微瓦)，因此即使采用衍射效率较低的高频声光调制器，也可满足需求。
第1出射光a1经过第3二分之一波片2-3调节偏振后，通过第1光纤耦合镜8-1、第1单模保偏光纤9-1、第2光纤耦合镜8-2的耦合输入，传播和耦合输出成为第1种子光a3；类似的，第2出射光a2在第2二分之一波片2-2、第3光纤耦合镜8-3、第2单模保偏光纤9-2和第4光纤耦合镜8-4的作用下成为第2种子光a4。
第1种子光a3作为双程TA的种子光，与第2偏振分光棱镜3-2、法拉第旋光器10、格兰泰勒棱镜11、第6二分之一波片2-6、半导体锥形激光放大器12、滤光片13和第2反射镜7-2构成了双程TA结构。第1种子光a3经过第4二分之一波片2-4调整偏振后被第2偏振分光棱镜3-2反射，经过法拉第旋光器10之后其偏振方向旋转了45°，调整格兰泰勒棱镜11使得偏振旋转之后的激光可以透射通过，第6二分之一波片2-6则可以调整激光与半导体锥形激光放大器12的偏振重合，此后激光反向通过TA，得到第一次功率放大。第2射频源14-2控制着第2声光调制器4-2的工作状态，当TA处于双程工作状态时射频源关断，声光调制器不工作，对光路结构基本没有影响。滤光片12可以过滤掉由于TA的自发辐射产生的杂散光。反向放大后的激光通过第2声光调制器4-2后被第2反射镜7-2反射回来，正向通过TA，实现第二程放大。正向放大的输出光依次通过第6二分之一波片、格兰泰勒棱镜11、法拉第旋光器10和第2偏振分光棱镜3-2。由于再次通过了法拉第旋光器10，激光偏振方向又一次旋转45°，最终输出光的偏振方向与第1种子光相比旋转了90°，因而透射经过第2偏振分光棱镜3-2，成为输出光a5。这里第2偏振分光棱镜3-2、法拉第旋光器10和格兰泰勒棱镜11实际上构成了隔离器的构造，隔离度受法拉第旋光器10的角度以及两个棱镜的消光比影响。
第2种子光a4、第5二分之一波片2-5、第2声光调制器4-2和半导体锥形激光放大器12构成单程TA结构。单程TA工作模式下第2射频源14-2打开，第2声光调制器4-2处于工作状态，第2种子光经过第5二分之一波片2-5调整偏振与TA相匹配后，通过第2声光调制器4-2，其+1级光正向通过TA并得到功率放大。其出射激光同样通过第6二分之一波片2-6、格兰泰勒棱镜11、法拉第旋光器10和第2偏振分光棱镜3-2后形成输出光a5。
TA的单程和双程工作模式由两个射频源控制切换。当第1射频源14-1关断同时第2射频源14-2打开时，第1声光调制器4-1不工作而第2声光调制器4-2工作，此时半导体激光器的种子光全部沿第2出射光a2传播，第1出射光a1被关闭，即只有第2种子光a4没有第1种子光a3，TA处于单纯的单程工作模式；当第1射频源14-1打开同时第2射频源14-2关闭时，第1声光调制器4-1工作，第2声光调制器4-2不工作；由于声光调制器有一定的消光比，即第1声光调制器4-1的0级光方向会有部分激光功率，此时第1出射光a1与第2出射光a2同时存在，即第1种子光a3和第2种子光a4都有；但由于第2声光调制器4-2处于不工作状态，第2种子光a4无法衍射进入TA，因此此时TA处于单纯的双程工作状态。这样操控的好处是两种工作状态下均有且只有一个种子光进入TA，保证TA处于单纯的单程或双程工作状态而不会出现互相干扰的情况。
双程TA的输出光功率稳定性和激光纯度都相对较差，单程TA的稳定性与激光纯度均很好，实际工作时可按需分配单双程工作模式，如冷原子干涉仪中可选择双程输出激光作为冷却与回泵光制备冷原子团，选择单程输出激光作为拉曼光进行干涉实验。
本发明可满足冷原子干涉仪实验中的多种激光需求，提供了一种单程和双程复合模式下的半导体锥形激光放大系统，利用一台半导体激光器与一台半导体锥形激光放大器就可实现所需的激光输出，极大地简化集成了冷原子干涉仪实验激光光路；利用时分复用技术的快速切换特性和两种不同工作模式下的优点互补，该系统可以分时工作于不同模式，既可以输出高性能激光，也可以实现激光功率的高效率放大。

Claims (1)

1.一种在单程和双程复合模式下的半导体锥形激光放大系统，其特征在于：
包括半导体激光器(1)，第1、2、3、4、5、6二分之一波片(2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6)，第1、2偏振分光棱镜(3-1、3-2)，第1、2声光调制器(4-1、4-2)，四分之一波片(5)，平凸透镜(6)，第1、2反射镜(7-1、7-2)，第1、2、3、4光纤耦合镜(8-1、8-2、8-3、8-4)，第1、2单模保偏光纤(9-1、9-2)，法拉第旋光器(10)，格兰泰勒棱镜(11)，半导体锥形激光放大器(12)，滤光片(13)和第1、2射频源(14-1、14-2)；
其关系是：
半导体激光器(1)、第1二分之一波片(2-1)、第1偏振分光棱镜(3-1)、第1声光调制器(4-1)、第2二分之一波片(2-2)和第3光纤耦合镜(8-3)、第2单模保偏光纤(9-2)、第4光纤耦合镜(8-4)依次排列和交互，产生第2种子光(a4)；
第1声光调制器(4-1)、四分之一波片(5)、平凸透镜(6)和第1反射镜(7-1)依次排列和交互，构成双程声光移频系统；
第1偏振分光棱镜(3-1)、第3二分之一波片(2-3)、第1光纤耦合镜(8-1)、第1单模保偏光纤(9-1)、第2光纤耦合镜(8-2)、第4二分之一波片(2-4)和第2偏振分光棱镜(3-2)依次排列和交互，与双程声光移频系统共同产生第1种子光(a3)；
第2偏振分光棱镜(3-2)、法拉第旋光器(10)、格兰泰勒棱镜(11)、第6二分之一波片(2-6)、半导体锥形激光放大器(12)、第2声光调制器(4-2)、滤光片(13)和第2反射镜(7-2)依次排列和交互，构成双程半导体锥形激光放大系统；
第2偏振分光棱镜(3-2)、法拉第旋光器(10)、格兰泰勒棱镜(11)、第6二分之一波片(2-6)、半导体锥形激光放大器(12)、第2声光调制器(4-2)、第5二分之一波片(2-5)和第4光纤耦合镜(8-4)依次排列和交互，构成单程半导体锥形激光放大系统；
第1射频源(14-1)与第1声光调制器(4-1)连接，实现声光移频；第2射频源(14-2)与第2声光调制器(4-2连接)，实现声光移频；
利用时分复用技术实现半导体锥形激光放大器的工作模式切换，使得半导体锥形激光放大器分时地工作在单程和双程模式下。
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