CN112290381A - 一种基于法布里波罗光腔的外腔激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于法布里波罗光腔的外腔激光器，所述激光器直接使用具有高品质因子的法布里波罗光腔作为外腔光反馈元件，同时，通过对激光偏振态的调整，有效的克服了光反馈时的模式竞争问题，使基于法布里波罗光腔进行光反馈的激光器具有稳定的超窄带激光输出；此外，本发明通过压电陶瓷、增益芯片、干涉滤波片等的配合，实现了在输出超窄带激光的同时对激光频率的大范围高速调制。

Description

一种基于法布里波罗光腔的外腔激光器

技术领域

本发明涉及一种激光领域，具体涉及一种基于法布里波罗光腔的外腔反馈激光器。

背景技术

激光器的相位噪声或者线宽和激光谐振腔的品质因子（下称Q值）直接相关。半导体激光器通常以工作介质，即半导体晶体的解理面为谐振腔，而受限于材料特性和晶体成型工艺，其Q值通常较低。

目前，降低激光器的相位噪声或者线宽的主流方案有两类。第一类是使用外腔反馈元件进行光反馈，增加轴向光的反射率，使得激光器与外腔反馈元件组成的复合光腔的整体Q值获得提高。图1-2描述了这类外腔反馈方案的两种典型方式(Optics Letters/Vol.13,No.10/October 1988 page 826)，图1中使用的外腔反馈元件为光栅，所述光栅可以旋转，进而可实现选择性的反馈特定波长的光返回激光器；图2中使用的外腔反馈元件为反射镜，并且其展示了在激光器与反射镜之间设置一个干涉滤波片，通过干涉滤波片的旋转可以实现对多个纵模的单一选择。这类方案本质上都是通过加长光腔和反射率提高复合光腔Q值进而降低激光噪声，并配合光栅或滤波片实现对单一纵模的选择和切换。

围绕上述方案衍生出了许多改进形式，典型的如图3所示（IEEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS, VOL. 24, NO. 18, SEPTEMBER 15, 2012）。其展示了基于两个干涉滤波片选择性产生单频激光的方案。

这类方案能够实现激光线宽从几个kHz到几百kHz的激光器，但是很难突破KHz及以下，其原因是光栅或单一反射镜构成的复合光腔Q值仍然较低。另外，干涉滤波片的Q值也很低。

虽然使用极窄的滤波器，如美国专利US8605760A1中所描述的，使用线宽在MHz左右的超高Q值的回音壁光腔作为滤波构建复合光腔，可以实现线宽在百Hz甚至Hz级别的激光。但这类超高Q值的回音壁光腔内的光强极大，受材料的非线性效应，热效应的限制，该类方案产生的激光能量和频率稳定性均受到很大限制，且其制作工艺极其复杂昂贵，难以实现工业化应用。

第二类方案是使用电的负反馈方法压制激光频率噪声，图4展示了这类方法的典型方式（Am. J. Phys., Vol. 69, No. 1, January 2001）。这类方法通常被称为Pound-Drever-Hall(PDH) 方法，其首先需要采用具有超高Q值的光腔对激光的频率噪声进行测量。法布里波罗腔（FabryPerot，下称F-P光腔）是目前各种光腔中Q值和稳定性最好的，研究的历史最久，常用来作为PDH 方法的光腔。使用这类方案，世界上很多科研小组实现了Hz以下的超低噪声和超稳定的激光器。但是采用该类方案的激光器系统极其复杂，并且电路反馈的带宽有限，通常最高仅至MHz，无法对高频的激光频率噪声进行压制。因此，该类方案目前还仅局限在实验室使用。

现有技术中也有直接使用F-P光腔进行光反馈以压低激光线宽的尝试，图5为典型的使用F-P腔进行光反馈的实施方案。这样的设计能够使整个系统大大简化，同时也避免了电反馈无法对高频激光噪声有效压制的缺陷。但由于F-P光腔的镜面反射率极高，其共振模式在镜面处总是垂直于镜面，激光要高效的耦合进入光腔，必须垂直于镜面入射。这种模式下在F-P光腔处，存在来自反射镜1的直接反射及来自光腔的两种光反馈，而这两种反馈之间的模式竞争会严重影响激光器的稳定性。目前还没有有效的办法能够克服这一问题。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提供一种基于F-P光腔的外腔反馈激光器。本发明的激光器直接使用F-P光腔进行光反馈，但有效的解决了第一面反射镜的反射光与F-P光腔的反馈光之间的模式竞争问题，同时还能够实现在大范围内对激光频率的高速连续调制。

如图6A-6C所示，本发明所提供的方案中，使用具有超高Q值的F-P光腔作为外腔或者外腔中的超窄带滤波器，利用其超精细的波长选择性反馈而实现压低激光器频率相位噪声。所述的F-P光腔由两面高反射镜构成。激光光源发出的激光经第一透镜准直后垂直射向F-P光腔，从而所述激光可以高效的耦合进入F-P光腔，并在腔内多次反射后反馈回激光光源。而如上文背景技术中所描述的，仅仅依靠这样的布置方式无法解决前述的模式竞争问题。为此，本发明还进行了如下特殊的设计。

在第一透镜与F-P光腔之间的光路上沿激光出射方向依次设置一个偏振分光元件和一个第一偏振调整元件。

所述偏振分光元件仅允许特定偏振态的光透过，而分离其他正交的偏振光；例如仅允许P偏振光透过而分离S偏振光或反之。所述的偏振分光元件可以是依赖于镀膜或微纳结构的偏振分光镜，例如典型的偏振分光棱镜（PBS），45度偏振分光片，以及布鲁斯特(Brewster)角的偏振分光片等；所述的偏振分光元件也可以是依赖于双折射晶体效应的元件，例如Glan-Taylor偏振器、Glan-Tompson偏振器、沃拉斯顿偏振器，Rochon棱镜等。

所述第一偏振调整元件能将往返两次透过其的光的偏振态在上述偏振分光元件所分离的两个正交偏振态之间改变，例如典型的偏振分光棱镜(PBS)分离P偏振光和S偏振光，当P偏振光透过所述对应的第一偏振调整元件，然后经反射并再次透过所述的第一偏振调整元件，其偏振态变为S偏振。所述的第一偏振调整元件可以是45度偏振旋转片例如法拉第磁光旋转片、液晶类偏振旋转器等；所述第一偏振调整元件也可以是1/4λ波片。

为便于理解，本发明在图6A-6C及图9A-9C所示出的方案中均使用常见的偏振分光棱镜（PBS）和1/4λ波片的组合以阐释本发明方案的运行方式，但这并不代表本发明的方案仅能依托于PBS和1/4λ波片的组合来实现，也不代表其是本发明优选的实施方式；上文所列举的及其他任何能够实现偏振分光的元件及能够实现偏振态改变的元件均可被组合应用以实现本发明的目的。本发明在图11中举例阐述了一种使用双折射晶体替代所述PBS的实施方式。

如图6A所示，由激光光源射出的激光在经第一透镜准直后首先射向PBS，透过PBS后的激光成为具有单偏振态的，例如P偏振光，其随后第一次透过1/4λ波片并射向F-P光腔。在F-P光腔处，由其第一面反射镜产生的直接反射光沿原光路返回并首先射向1/4λ波片，并第二次透过1/4λ波片，此时，激光的偏振态将转变为S偏振，然后再射向PBS时，将被PBS以90度反射出去而不能透过PBS。

进一步的在由两面高反射镜构成中空的F-P光腔的内部置入一个第二偏振调整元件，所述第二的偏振调整元件可以是具有任意非零偏振旋转角度的偏振旋转片或者由双折射晶体构成的玻片。或者该F-P光腔的反射镜本身由具有双折射效应的材料在两面镀高反膜而构成。为便于理解，本发明在图6A-6C及图9A-9C所示的实施方式中，采用所述中空的F-P光腔内部设置了一个双折射玻片。耦合进入F-P光腔的光，其偏振方向通常不会改变，若其直接经多次反射后反馈射向半导体激光器也会同样被PBS以90度角反射出去而不能透过。但由于在F-P光腔内置入了一个前述的任意非零偏振旋转角度的偏振旋转片或者由双折射晶体构成的玻片，光在腔内多次往返透过双折射玻片的过程中，其偏振态已经发生了改变，处于S和P的混合偏振态。因此，经F-P光腔反馈的光再次通过第一偏振调整元件和PBS时，S偏振光将被PBS反射，但P偏振光则可以直接透射，并反馈回激光器。

已知的是，使用光腔进行光反馈可以实现对激光器频率的锁定，其原理如图7所示，通常情况下，半导体激光器自身均带有谐振腔，因此，其出射激光的线宽已经较小，而当半导体激光器发出的激光本身的频率靠近光腔的多个纵模频率中的一个时，经光腔反馈后的激光的频率将被锁定在该纵模频率上。基于这样的锁频原理，本发明进一步的在F-P光腔的反射镜上设置压电陶瓷，进而允许对F-P光腔的腔长进行调整，而F-P光腔腔长的变化将使得其纵模的分布改变，并最终使得激光被锁定到不同的频率上，实现对激光频率的高速调制。

由于外腔反馈自锁频的方法对于光在激光器和外腔之间往返的光程差也较敏感。因此，本发明进一步的在半导体激光和F-P光腔之间的任意位置设置一个相移器，对激光的往返相位进行调节，优化自锁频的效果。所述的相移器可以是例如光学晶体，通过改变温度、压力，或者加电压以改变所述光学晶体的折射率以调制激光的相位，也可以通过改变光所走过的物理路径长度改变相位。

以上提供的方案可以很好的解决模式竞争的问题，实现对例如半导体激光器激光频率的进一步压缩和高速调制。

但在现实中，即使是相同厂家使用同一工艺生产的同一批次相同型号的光腔产品，两个不同的光腔之间总是会存在一些微小的差异。这使得，在例如两套采用上述方案的激光器中，光在各自F-P腔中实际往返的次数并不完全相同，也即光往返透过双折射玻片的次数不完全相同，这导致了通过上述方案中的F-P光腔反馈射向PBS的光中的S偏振光与P偏振光的比例存在差异，因此，实际反馈回到激光光源的激光的光能量不同。此外，两套激光器在制造过程中，其双折射玻片在F-P腔内的具体位置和方向也无法做到完全相同。这两个因素均会导致实际生产制造的激光器的性能存在微小偏差，产品性能的重复性难以保证。

为此，本发明进一步提出优化的方案。具体的，如图6B、图6C所示，将所述的双折射玻片设在F-P腔的下游，并同时在所述双折射玻片的下游再设置一个腔外反射镜，优选的，还可以在所述F-P腔与所述腔外反射镜之间设置一个第二透镜用于准直透射光（如图6B所示）；或者将透射光汇聚于腔外反射镜（如图6C所示），其中，当所述第二透镜被用于汇聚所述透射光时，所述的腔外反射镜可以被允许具有更大的角度调整范围，而无需严格的垂直于透射光，进而使得所述腔外反射镜的组装和调节更为方便，这一点可参照图2中所展示的背景技术。

由于双折射玻片被设置在了F-P腔的外部，只有透过F-P腔射向腔外反射镜及被腔外反射镜反射的光才会穿过所述双折射玻片，而光在F-P腔内振荡的过程中，则不会产生偏振态的变化。因此，尽管F-P腔的Q值仍然存在不可控的微小差异，但由于光透过所述双折射玻片的次数均为往返两次，所以最终射向1/4λ波片和PBS的反馈光中的S偏振光与P偏振光的比例变得可控。

进一步的，这样的设置还允许通过调整所述的第二偏振调整元件（例如调整双折射玻片的厚度和角度）对最终反馈光的偏振态组成进行调整。

前文中所描述的方案主要针对的是半导体激光器进行的线宽压制和调频，但该激光器不局限于半导体激光，可以是其他类型的例如固体激光器，光纤激光器等。此处所述的半导体激光器指的是自身带有谐振腔的以半导体晶体材料为工作介质的激光器。这类激光器其自身就具有较窄的线宽，一般情况下，其线宽均小于F-P腔相邻两个纵模的间隔（FreeSpectrum Range，FSR），因此，如图7中所描述的锁频原理，激光最后的频率通常被锁定在最靠近激光器自身频率的F-P腔纵模上。对于激光频率的调制依靠例如对F-P腔的腔长、温度等参数的调整，进而改变F-P腔的纵模分布来实现。但是，由于半导体激光器本身的频率基本固定，因此，最终调制获得的激光频率通常仅在其自身频率周围的有限范围内。即，上述方案的频率调制范围有限。

为了使本发明的方案具备在更大范围内进行调频的功能。本发明对前文描述的方案进行了进一步的改进。

具体的，使用半导体增益芯片（下称增益芯片）替换前文方案中的半导体激光器，同时控制F-P光腔的腔长，使的只有一个纵模完全处于增益芯片的增益曲线内，例如使用几个微米的短腔长F-P腔。这样，如图8中所示，激光的频率最终将被锁定到完全处于增益曲线内部的纵模1的频率上。在这样前提下，再使用压电陶瓷调整F-P腔的腔长，可以使纵模1移动，进而可以实现在接近增益曲线宽度的较大范围内（几个至几十个纳米）对激光频率进行连续的调制。

可以看到，图8所展示的方案允许在很大的范围内对激光频率进行连续调制，不过这需要基于一个前提，即F-P腔的腔长应当小于一定值，使得其多个纵模满足只有一个完全处于增益曲线内部。如果，F-P腔的腔长不能满足这一条件，而使得在增益曲线内同时出现两个或更多个纵模时，则会导致最终的激光同时出现多个频率。

已知的是，光腔的腔长与其性能之间存在一定的对应关系。通常短腔长的光腔，其Q值较低，但FSR较大；而长腔长的光腔，其Q值可以做的很高，但FSR较小。而在很多情况下，期望光腔具有高的Q值，以使经其进行光反馈后得到的激光具有超窄的线宽。

为实现基于超高Q值的F-P光腔的超窄带激光器，同时允许进行大范围的调频，本发明进一步的提出一种针对图8所描述的方案的改进。

具体的，如图9A-9C所示，在增益芯片与F-P腔之间的任意位置再设置一个低品质因子的干涉滤波片。所示干涉滤波片的带通曲线宽度应当小于增益曲线的宽度，同时，其应当与F-P腔的FSR相配合，以使得仅有一个纵模完全处于干涉滤波片的带通曲线内部。

这样虽然高Q值的F-P的多个纵模可能都位于增益曲线的内部，但是如图10所示，由于仅有同时位于干涉滤波片的带通曲线内部的纵模所对应的频率的光才可以透过所述干涉滤波片反馈会到增益芯片，因此，最终得到的激光为单频激光，其激光频率为完全位于干涉滤波片带通曲线内部的纵模所对应的频率。

此时，对激光频率的调整可以通过两种手段进行，一种是与前文相同，通过压电陶瓷调整F-P腔的腔长，使纵模在干涉滤波片的带通曲线内移动，进而改变最终被锁定的激光的频率；另一种则是通过旋转所述干涉滤波片，使其带通曲线在增益曲线内移动，并覆盖不同的纵模。当然，上述的两种手段可以配合进行，以实现在接近增益曲线宽度的范围内的连线调频。

相比于现有技术，本发明至少具备如下优点：本发明的激光器直接使用具有高品质因子的法布里波罗光腔作为外腔光反馈元件，同时，通过对激光偏振态的调整，有效的克服了光反馈时的模式竞争问题，使基于F-P光腔进行光反馈的激光器具有稳定的超窄带激光输出；此外，本发明通过压电陶瓷、增益芯片、干涉滤波片等的配合，实现了在输出超窄带激光的同时对激光频率的大范围高速调制。

附图说明

图1为现有技术中使用光栅进行光反馈的示意图。

图2为现有技术中使用反射镜进行光反馈的示意图。

图3为现有技术中基于两个干涉滤波片选择性产生单频激光的示意图。

图4为现有技术中使用电的负反馈方法压制激光频率噪声的示意图。

图5为现有技术中直接使用F-P腔进行光反馈产生模式竞争的示意图。

图6A为本发明解决F-P腔直接光反馈模式竞争问题的示意图。

图6B为对图6A所示方案的第一种改进示意图。

图6C为对图6A所示方案的第二种改进示意图。

图7为F-P腔对半导体激光器的锁频原理示意图。

图8为半导体增益芯片的增益曲线与F-P腔纵模谱线示意图。

图9A为使用增益芯片和高Q值F-P腔实现超窄带激光和大范围连续调频的示意图。

图9B为对图9A所示方案的第一种改进示意图。

图9C为对图9A所示方案的第二种改进示意图。

图10为增益曲线与F-P腔纵模、干涉滤波片的带通曲线的复合频谱示意图。

图11 为使用双折射晶体替代偏振分光棱镜（PBS）实现偏振分光的示意图。

图中：1为半导体激光器，2为第一透镜，3为偏振分光镜（PBS），4为1/4λ波片，5为反射镜一，6为反射镜二，7为双折射玻片，8为相移器，9为压电陶瓷，10为腔外反射镜，11为F-P光腔，12为增益芯片，13为干涉滤波片，14为第二透镜，15为双折射晶体。

具体实施方式

实施例1。

如图6A所示，一种基于F-P光腔的外腔激光器，包括半导体激光器1，第一透镜2和F-P光腔11，所示F-P光腔11由依次设置在光路上的反射镜一5和反射镜二6构成；在所述第一透镜2与F-P光腔11的反射镜一5之间的光路上还沿激光射出方向（指从激光器射向光腔的方向）依次设有偏振分光镜3和1/4λ波片4；同时，所述F-P腔的内部，位于反射镜一5和反射镜二6之间还设置有一双折射玻片7，所述双折射玻片7相对于两面反射镜的位置和角度均可以改变。所述F-P光腔11的反射镜二6上还设有用于调节腔长的压电陶瓷9；在所述半导体激光器1与所述反射镜一5和反射镜二6组成的F-P光腔11之间的任意位置处还设置有一个相移器8，所述相移器为可以通过调节诸如温度、压力或电压等参数进而改变折射率以调节激光相位的光学晶体。

实施例2。

如图6B所示，不同于实施例1的是，所述双折射玻片7被设置在F-P光腔11的外部下游（沿实施例1中所述的激光射出方向），同时，所述双折射玻片7的下游还设有一腔外反射镜10，所述的压电陶瓷9被设在F-P光腔11的反射镜或腔外反射镜10上；此外，在所述双折射玻片7和F-P光腔11之间的光路上还设有一个第二透镜14，用以将F-P光腔射出的激光准直后垂直射向腔外反射镜10。

实施例3。

如图6C所示，不同于实施例2的是，第二透镜14将透射光汇聚于腔外反射镜10。

实施例4。

不同于实施例1-3的是，使用增益芯片12替换半导体激光器1。同时，使用具有较短腔长的F-P光腔，使其多个光腔纵模中同时仅能有一个完全处于所述增益芯片12的增益曲线内部。

实施例5。

如图9A-9C及图10所示，不同于实施例4的是，使用具有高Q值的长腔F-P光腔11进行光反馈，并在所述增益芯片12与所述F-P光腔11之间的任意位置上设一个干涉滤波片13，所述干涉滤波片13的角度可调，且至少通过调整所述干涉滤波片13的角度，可使其带通曲线在所述增益芯片12的增益曲线范围内移动；另外，所述带通曲线的宽度与所述高Q值F-P光腔11的纵模间距FSR之间满足如下条件，同时仅能有一个纵模完全处于带通曲线的内部。

实施例6。

如图图11所示，使用双折射晶体15替代实施例1-5中的偏振分光镜3。激光光源发射p(或s)偏振光，经过双折射晶体15和1/4λ波片4。由F-P腔第一面镜子直接反射的光第二次经过1/4λ波片4后，其偏振方向旋转为s(或p)偏振态，然后在双折射晶体15中沿与入射光不同路径分开，无法进入激光器，从而避免FP腔第一面反射镜直接反射光对激光的注入反馈干扰。

需指明的是，上述仅为本发明的较佳实施方式的举例。但本发明不限于上述的特定实施方式，在不脱离本发明构思的情况下，本领域技术人员通过常规替代、重新调整和简单变形等手段所能得到的其他实施方式均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于F-P光腔的外腔激光器，包括沿激光射出方向依次设置的激光光源、第一透镜、F-P光腔，其特征在于：所述F-P光腔由两面高反射镜构成；所述半导体激光器与F-P光腔之间的光路上还沿激光射出方向依次设有一个偏振分光元件和一个第一偏振调整元件；所述偏振分光元件仅允许特定偏振态的光透过而分离其他正交偏振态的光；所述第一偏振调整元件能将往返两次透过其的光的偏振态改变为另一正交的偏振态，所述F-P光腔的内部还设有一个第二偏振调整元件，或者该F-P光腔的反射镜本身由具有双折射效应的材料镀高反射膜构成。

2.如权利要求1所述的基于F-P光腔的外腔激光器，其特征在于：所述第二偏振调整元件被设在F-P光腔的下游，且同时所述第二偏振调整元件的下游还设有一个腔外反射镜。

3.如权利要求1或2所述的一种基于F-P光腔的外腔激光器，其特征在于：所述偏振分光元件为使用镀膜或微纳结构的偏振分光镜，或布鲁斯特偏振器，或晶体双折射效应的偏振分光元件；所述第一偏振调整元件为45度法拉第旋光片或45度液晶偏振旋转片或1/4λ波片。

4.如权利要求1或2所述的基于F-P光腔的外腔激光器，其特征在于：所述F-P光腔的反射镜上或所述腔外反射镜上设有可用于调节腔长的压电陶瓷。

5.如权利要求4所述的基于F-P光腔的外腔激光器，其特征在于：在所述激光光源与所述F-P光腔之间的任意位置上设有一个相移器。

6.如权利要求4所述的基于F-P光腔的外腔激光器，其特征在于：所述激光光源为增益芯片；且所述F-P光腔具有较短的腔长使得其多个纵模中仅能有一个纵模完全处于所述增益芯片的增益曲线内部。

7.如权利要求4所述的基于F-P光腔的外腔激光器，其特征在于：所述激光光源为增益芯片；且所述F-P光腔为具有高Q值的长腔，且所述增益芯片与所述F-P光腔之间的任意位置设有一个干涉滤波片。

8.如权利要求7所述的基于F-P光腔的外腔激光器，其特征在于：所述干涉滤波片的角度可调，且至少通过调整所述干涉滤波片的角度，可使其带通曲线在所述增益芯片的增益曲线范围内移动。

9.如权利要求8所述的基于F-P光腔的外腔激光器，其特征在于：干涉滤波片的带通曲线宽度与所述高Q值F-P光腔的纵模间距FSR之间满足如下条件，同时仅能有一个纵模完全处于所述带通曲线的内部。

10.如权利要求6-9所述的基于F-P光腔的外腔激光器，其特征在于：在所述激光光源与所述F-P光腔之间的任意位置上设有一个相移器。

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