CN111653937A - 基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置及方法 - Google Patents

基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置及方法 Download PDF

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    • H01S5/0687—Stabilising the frequency of the laser

Abstract

本发明公开了一种基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置，包括：可调谐激光器、微纳光纤多圈型谐振腔、光谱仪、准直器、两个λ/2波片、偏振分光棱镜、光电探测器、鉴相器、频率综合器、环路滤波器、电流源、半导体激光器、波长计，其中，微纳光纤多圈型谐振腔是将微纳光纤进行多圈缠绕制得，其一端与可调谐激光器连接、另一端分别与光谱仪、准直器连接。本发明还公开了一种基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频方法。本发明基于微纳光纤多圈型谐振腔的光频梳产生装置体积小、结构简单，易于与精密测量仪器等进行集成，实现了高频率稳定性的半导体激光器输出。

Description

基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置及方法
技术领域
本发明涉及激光稳频技术领域，具体是一种基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置及方法。
背景技术
半导体激光器具有体积小、衍射效率高、易于调节等优点，在量子精密测量、精密干涉测量、激光通信、激光雷达、光学频率标准、激光光谱、原子核物理等领域得到了广泛应用。半导体激光器易受自身因素及外界环境的影响，导致输出的频率不稳定，因此，半导体激光器的稳频对于量子精密测量、精密干涉测量、激光通信等应用领域具有十分重要的研究意义和实用价值。目前广泛使用的稳频技术包括锁定到原子跃迁中心频率的兰姆凹陷稳频法、塞曼效应稳频法，锁定到原子或分子吸收线上的饱和吸收稳频、原子双向色性锁频，以及锁定到参考腔上的Pound-Drever-Hall(PDH)稳频法。这些稳频方法频率稳定度对环境要求高，容易受到温度、气压的影响，稳频效果不理想，频率稳定度约为10-14，难以继续提高。光频梳是一种由一系列等频率间隔的分量组成的光谱，具有广阔和稳定的光谱分布，由于其每一根梳齿都可以作为优异的频率参考，因此，通过将半导体激光器输出频率锁定到光频梳，可实现一定频率范围内激光器输出频率的稳定，频率稳定度可达10-18。现有的基于光频梳的频率稳定方法虽然具有较好的稳定性和复现性，但光频梳产生装置结构复杂，体积大，不利于系统集成和实际应用。现有的基于微纳光纤结的光频梳产生装置利用了掺杂光纤、隔离器、单波长泵浦激光器等组成的光学环路，通过提高泵浦功率得到光频梳，所需装置复杂，并且阈值功率高，通常在几十毫瓦以上。因此，迫切需要寻求一种新的光频梳产生方法及装置以解决现有问题。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置及方法，本发明基于微纳光纤多圈型谐振腔的光频梳产生装置体积小、结构简单，易于与精密测量仪器等进行集成，实现了高频率稳定性的半导体激光器输出。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置，包括：
基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置，其特征在于，包括：可调谐激光器、微纳光纤多圈型谐振腔、光谱仪、准直器、两个λ/2波片、偏振分光棱镜、光电探测器、鉴相器、频率综合器、环路滤波器、电流源、半导体激光器、波长计，其中，微纳光纤多圈型谐振腔是将微纳光纤进行多圈缠绕制得，其一端与可调谐激光器连接、另一端分别与光谱仪、准直器连接；
可调谐激光器发射的激光经微纳光纤多圈型谐振腔形成光频梳，光频梳依次经准直器、一个λ/2波片进入偏振分光棱镜，同时，半导体激光器发射的激光经另一个λ/2波片进入偏振分光棱镜，半导体激光器发射的激光具有输出频率，光频梳与半导体激光器发射的激光通过偏振分光棱镜进行合光后经光电探测器得到拍频信号，频率综合器用于产生一个频率信号并与拍频信号一起依次经鉴相器、环路滤波器到达电流源实现拍频信号的锁定，利用波长计得到光频梳产生拍频信号的梳齿次序，结合光谱仪测得光频梳的初始频率和频率间隔、以及拍频信号的频率，计算半导体激光器的输出频率，并得到与目标频率之间的差值，根据差值调节频率综合器输出的频率信号，以使半导体激光器稳定的输出目标频率。
优选的是，所述半导体激光器发射的激光所具有的输出频率始终处于所述微纳光纤多圈型谐振腔得到的光频梳的光谱频率范围内。
优选的是，所述微纳光纤是利用软化拉伸法将单模光纤通过拉锥机制得的直径为2～4μm的光纤。
优选的是，所述微纳光纤多圈型谐振腔通过将微纳光纤缠绕3～6圈制得。
优选的是，光频梳与所述半导体激光器发射的激光均通过λ/2波片调节偏振方向，以使两者的偏振态相差90°。
优选的是，所述鉴相器为数字鉴相器。
优选的是，所述环路滤波器为有源PID控制器。
本发明还提供一种基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频方法，使用本发明所述的稳频装置实现对目标频率的稳定输出，包括以下步骤：
步骤一、可调谐激光器发射的激光经微纳光纤多圈型谐振腔得到光频梳，通过光谱仪测量并记录光频梳的初始频率以及频率间隔；
步骤二、光频梳依次经准直器、一个λ/2波片进入偏振分光棱镜，根据目标频率调节半导体激光器的输出频率，半导体激光器以该输出频率发射的激光经另一个λ/2波片进入偏振分光棱镜，光频梳与半导体激光器发射的激光通过偏振分光棱镜进行合光后经光电探测器得到拍频信号；
步骤三、利用鉴相器得到频率综合器产生的频率信号与拍频信号之间的误差，环路滤波器将该误差伺服输出至电流源，实现拍频信号的锁定；
步骤四、利用波长计得到光频梳产生拍频信号的梳齿次序，结合光谱仪测得光频梳的初始频率和频率间隔、以及拍频信号的频率，计算半导体激光器的输出频率；
步骤五、根据步骤四中的半导体激光器的输出频率与目标频率之间的差值，调节频率综合器输出的频率信号，实现半导体激光器稳定的输出目标频率。
优选的是，步骤一中通过调节可调谐激光器发射激光的输出波长和输出功率，当输出波长接近微纳光纤多圈型谐振腔的谐振波长，并且输出功率大于模式损耗时，经微纳光纤多圈型谐振腔得到光频梳。
优选的是，步骤四中半导体激光器的输出频率通过以下公式计算：f＝f0+N*frep+fbeat，其中，f0为光频梳的初始频率，frep为光频梳的频率间隔，fbeat为拍频信号的频率，N为光频梳产生拍频信号的梳齿次序。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明中提出的基于微纳光纤多圈型谐振腔的光频梳产生装置体积小、结构简单，易于与精密测量仪器等进行集成。并且阈值功率低，可在几毫瓦的泵浦功率下产生光频梳。本发明通过将半导体激光器的输出频率锁定在微纳光纤多圈型谐振腔光频梳上，实现了高频率稳定性的半导体激光器输出，以及一定范围内输出频率的调节。本发明的稳频装置受外界温度、磁场等环境因素的影响小。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的其中一个技术方案的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明提供了一种基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置，包括：
可调谐激光器1、微纳光纤多圈型谐振腔2、光谱仪3、准直器4、两个λ/2波片5、偏振分光棱镜6、光电探测器7、鉴相器8、频率综合器9、环路滤波器10、电流源11、半导体激光器12、波长计13，其中，微纳光纤多圈型谐振腔2是将微纳光纤进行多圈缠绕制得，其一端与可调谐激光器1连接、另一端分别与光谱仪3、准直器4连接；
可调谐激光器1发射的激光经微纳光纤多圈型谐振腔2形成光频梳，光频梳依次经准直器4、一个λ/2波片5进入偏振分光棱镜6，同时，半导体激光器12发射的激光经另一个λ/2波片5进入偏振分光棱镜6，半导体激光器12发射具有一定输出频率的激光，光频梳与半导体激光器12发射的激光通过偏振分光棱镜6进行合光后经光电探测器7得到拍频信号，频率综合器9用于产生一个频率信号并与拍频信号一起依次经鉴相器8、环路滤波器10到达电流源11实现拍频信号的锁定，利用波长计13得到光频梳产生拍频信号的梳齿次序，结合光谱仪3测得光频梳的初始频率和频率间隔、以及拍频信号的频率，计算半导体激光器12的输出频率，并得到与目标频率之间的差值，根据差值调节频率综合器9输出的频率信号，以使半导体激光器12稳定的输出目标频率。
本发明中微纳光纤多圈型谐振腔2是由微纳光纤绕圈形成，微纳光纤是双锥形低损耗微纳光纤。微纳光纤是一种直径在几百纳米至几微米的光学波导，具有能量密度大、倏逝场强、损耗低、体积小的优点。通过将微纳光纤缠绕多匝形成微纳光纤多圈型谐振腔2可以激发谐振模式提高谐振消光比和品质因子。可调谐激光器1的输出波长和输出功率可调，通过调节上述参数，当输出波长接近微纳光纤多圈型谐振腔2的谐振波长(微纳光纤多圈型谐振腔2的谐振波长可以通过外接一个宽谱光源进行测量，调节可调谐激光器的输出波长时，输出波长连续增加的过程中就会先接近、再等于、直至大于谐振腔的谐振波长，在这个过程中会出现我们需要的光频梳，可以将此处的接近理解为比如0.1pm的范围)，并且输出功率大于模式损耗(模式损耗包括由于微纳光纤多圈型谐振腔2表面不均匀性引起的散射损耗，由谐振腔材料分子共振引起的吸收损耗，以及由谐振腔表面弯曲引起的辐射损耗)时，经微纳光纤多圈型谐振腔2得到光频梳，并利用光谱仪3得到微纳光纤多圈型谐振腔2光频梳的初始频率以及频率间隔。光频梳经准直器4得到空间光，并经λ/2波片5改变偏振方向。半导体激光器12发射具有一定频率的激光，经λ/2波片5与光频梳在偏振分光棱镜6处合光，输入至光电探测器7得到拍频信号。频率综合器9产生一个频率信号，并与拍频信号一起输入至鉴相器8，得到二者的误差信号，误差信号经环路滤波器10伺服输出至电流源11(该电流源11为半导体激光器12的电流源11)，实现拍频信号的锁定。利用波长计13测得光频梳产生拍频信号的梳齿序数，结合光谱仪3测得光频梳的初始频率和频率间隔，以及拍频信号的频率(拍频信号的频率根据光电探测器7测得)，计算半导体激光器12的输出频率，基于输出频率与目标频率之间的差值，调节频率综合器9输出的频率信号，以使半导体激光器12稳定的输出目标频率。
本发明中提出的基于微纳光纤多圈型谐振腔2的光频梳产生装置体积小、结构简单，易于与精密测量仪器等进行集成。并且阈值功率低，可在几毫瓦的泵浦功率下产生光频梳。本发明通过将半导体激光器12的输出频率锁定在微纳光纤多圈型谐振腔2光频梳上，实现了高频率稳定性的半导体激光器12输出，以及一定范围内输出频率的调节。本发明的稳频装置受外界温度、磁场等环境因素的影响小。
在另一技术方案中，所述半导体激光器12发射的激光所具有的输出频率始终处于所述微纳光纤多圈型谐振腔2得到的光频梳的光谱频率范围内，确保光频梳能够为半导体激光器12实现稳频输出。
在另一技术方案中，所述微纳光纤是利用软化拉伸法将单模光纤通过拉锥机制得的直径为2～4μm的光纤。通过加热单模光纤中部使其软化，再拉伸单模光纤两端使软化部分逐渐变细长。
在另一技术方案中，所述微纳光纤多圈型谐振腔2通过将微纳光纤缠绕3～6圈制得，缠绕时，在圆棒上缠绕3～6圈后并将圆棒取出，简单易操作。
在另一技术方案中，光频梳与所述半导体激光器12发射的激光均通过λ/2波片5调节偏振方向，以使两者的偏振态相差90°，以使拍频效果最好，得到拍频信号。
在另一技术方案中，所述鉴相器8为数字鉴相器8。
在另一技术方案中，所述环路滤波器10为有源PID控制器。
本发明还提供一种基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频方法，使用本发明所述的稳频装置实现对目标频率的稳定输出，包括以下步骤：
步骤一、可调谐激光器1发射的激光经微纳光纤多圈型谐振腔2得到光频梳，通过光谱仪3测量并记录光频梳的初始频率以及频率间隔；
步骤二、光频梳依次经准直器4、一个λ/2波片5进入偏振分光棱镜6，根据目标频率调节半导体激光器12的输出频率至与目标频率接近，半导体激光器12以该输出频率发射的激光经另一个λ/2波片5进入偏振分光棱镜6，光频梳与半导体激光器12发射的激光通过偏振分光棱镜6进行合光后经光电探测器7得到拍频信号；
步骤三、利用鉴相器8得到频率综合器9产生的频率信号与拍频信号之间的误差，环路滤波器10将该误差伺服输出至电流源11，实现拍频信号的锁定；
步骤四、利用波长计13得到光频梳产生拍频信号的梳齿次序，结合光谱仪3测得光频梳的初始频率和频率间隔，以及拍频信号的频率，计算半导体激光器12的输出频率；
步骤五、根据步骤四中的半导体激光器12的输出频率与目标频率之间的差值，调节频率综合器9输出的频率信号，实现半导体激光器12稳定的输出目标频率。
本发明中提出的基于微纳光纤多圈型谐振腔2的光频梳产生装置体积小、结构简单，易于与精密测量等仪器进行集成。并且阈值功率低，可在几毫瓦的泵浦功率下产生光频梳。本发明通过将半导体激光器12的输出频率锁定在微纳光纤多圈型谐振腔2光频梳上，实现了高频率稳定性的半导体激光器12输出，以及一定范围内输出频率的调节。本发明的稳频装置受外界温度、磁场等环境因素的影响小。
在另一技术方案中，步骤一中通过调节可调谐激光器1发射激光的输出波长和输出功率，当输出波长接近微纳光纤多圈型谐振腔2的谐振波长(微纳光纤多圈型谐振腔2的谐振波长可以通过外接一个宽谱光源进行测量，调节可调谐激光器的输出波长时，输出波长连续增加的过程中就会先接近、再等于、直至大于谐振腔的谐振波长，在这个过程中会出现我们需要的光频梳，可以将此处的接近理解为比如0.1pm的范围)，并且输出功率大于模式损耗时，经微纳光纤多圈型谐振腔2得到光频梳。模式损耗包括由于微纳光纤多圈型谐振腔2表面不均匀性引起的散射损耗，由谐振腔材料分子共振引起的吸收损耗，以及由谐振腔表面弯曲引起的辐射损耗。
在另一技术方案中，步骤四中半导体激光器12的输出频率通过以下公式计算：f＝f0+N*frep+fbeat，其中，f0为光频梳的初始频率，frep为光频梳的频率间隔，fbeat为拍频信号的频率，N为光频梳产生拍频信号的梳齿次序。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置，其特征在于，包括：可调谐激光器、微纳光纤多圈型谐振腔、光谱仪、准直器、两个λ/2波片、偏振分光棱镜、光电探测器、鉴相器、频率综合器、环路滤波器、电流源、半导体激光器、波长计，其中，微纳光纤多圈型谐振腔是将微纳光纤进行多圈缠绕制得，其一端与可调谐激光器连接、另一端分别与光谱仪、准直器连接；
可调谐激光器发射的激光经微纳光纤多圈型谐振腔形成光频梳，光频梳依次经准直器、一个λ/2波片进入偏振分光棱镜，同时，半导体激光器发射的激光经另一个λ/2波片进入偏振分光棱镜，半导体激光器发射的激光具有输出频率，光频梳与半导体激光器发射的激光通过偏振分光棱镜进行合光后经光电探测器得到拍频信号，频率综合器用于产生一个频率信号并与拍频信号一起依次经鉴相器、环路滤波器到达电流源实现拍频信号的锁定，利用波长计得到光频梳产生拍频信号的梳齿次序，结合光谱仪测得光频梳的初始频率和频率间隔，以及拍频信号的频率，计算半导体激光器的输出频率，并得到与目标频率之间的差值，根据差值调节频率综合器输出的频率信号，以使半导体激光器稳定的输出目标频率。
2.如权利要求1所述的基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置，其特征在于，所述半导体激光器发射的激光所具有的输出频率始终处于所述微纳光纤多圈型谐振腔得到的光频梳的光谱频率范围内。
3.如权利要求1所述的基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置，其特征在于，所述微纳光纤是利用软化拉伸法将单模光纤通过拉锥机制得的直径为2～4μm的光纤。
4.如权利要求1所述的基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置，其特征在于，所述微纳光纤多圈型谐振腔通过将微纳光纤缠绕3～6圈制得。
5.如权利要求1所述的基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置，其特征在于，光频梳与所述半导体激光器发射的激光均通过λ/2波片调节偏振方向，以使两者的偏振态相差90°。
6.如权利要求1所述的基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置，其特征在于，所述鉴相器为数字鉴相器。
7.如权利要求1所述的基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频装置，其特征在于，所述环路滤波器为有源PID控制器。
8.基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频方法，其特征在于，使用如权利要求1-7任一项所述的稳频装置实现对目标频率的稳定输出，包括以下步骤：
步骤一、可调谐激光器发射的激光经微纳光纤多圈型谐振腔得到光频梳，通过光谱仪测量并记录光频梳的初始频率以及频率间隔；
步骤二、光频梳依次经准直器、一个λ/2波片进入偏振分光棱镜，根据目标频率调节半导体激光器的输出频率，半导体激光器以该输出频率发射的激光经另一个λ/2波片进入偏振分光棱镜，光频梳与半导体激光器发射的激光通过偏振分光棱镜进行合光后经光电探测器得到拍频信号；
步骤三、利用鉴相器得到频率综合器产生的频率信号与拍频信号之间的误差，环路滤波器将该误差伺服输出至电流源，实现拍频信号的锁定；
步骤四、利用波长计得到光频梳产生拍频信号的梳齿次序，结合光谱仪测得光频梳的初始频率和频率间隔，以及拍频信号的频率，计算半导体激光器的输出频率；
步骤五、根据步骤四中的半导体激光器的输出频率与目标频率之间的差值，调节频率综合器输出的频率信号，实现半导体激光器稳定的输出目标频率。
9.如权利要求8所述的基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频方法，其特征在于，步骤一中通过调节可调谐激光器发射激光的输出波长和输出功率，当输出波长接近微纳光纤多圈型谐振腔的谐振波长，并且输出功率大于模式损耗时，经微纳光纤多圈型谐振腔得到光频梳。
10.如权利要求8所述的基于多圈型谐振腔光频梳的半导体激光器稳频方法，其特征在于，步骤四中半导体激光器的输出频率通过以下公式计算：f＝f0+N*frep+fbeat，其中，f0为光频梳的初始频率，frep为光频梳的频率间隔，fbeat为拍频信号的频率，N为光频梳产生拍频信号的梳齿次序。
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