CN113178774A - 一种半导体激光频率到高精细度法布里玻罗腔的锁定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光频率到高精细度法布里玻罗腔的锁定方法，属于激光光谱技术领域。本发明采用光学反馈方式，通过二分之玻片、偏振分束棱镜、四分之玻片的结合，实线对反馈系数的调节，可以在不损耗腔入射光强的情况下，对反馈系数进行大范围调节；通过调节粘在反射镜上的压电陶瓷的伸缩控制反馈相位，从而避免直接反射光引起的光学反馈。这种方法可以实现半导体激光器到高精细度法布里玻罗光学腔的稳定锁定，可以应用于激光线宽压窄和高灵敏腔增强光谱技术中。相对于传统的光学反馈腔锁定系统，使用了线性光学腔取代V型腔，可以构造精细度更高的光学腔，从而实现更加灵敏的激光光谱技术。

Description

一种半导体激光频率到高精细度法布里玻罗腔的锁定方法

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种半导体激光频率到高精细度法布里玻罗腔的锁定方法。

背景技术

从威胁人类安全生存的大气污染问题到提升人类生活水平的现代工、农业的发展、再到先进制造行业如半导体、芯片的规模生产，最后到深海、青藏高原科考、极地探测、大型风洞以及基础科学研究等领域，痕量气体尤其是超灵敏痕量气体检测扮演着关键的角色，极大地影响着上述领域的快速发展。激光吸收光谱技术是当激光的频率与目标分子能级共振时，激光会被分子吸收，利用吸收量的大小可以确定出分子的粒子数浓度，由于其灵敏度及分辨率高的优点被广泛的应用于痕量气体检测领域。然而由于噪声的存在，直接吸收光谱信号很容易淹没在噪声中，导致其灵敏度较低。因此，为了提升探测灵敏度，在激光直接吸收光谱技术上，人们发展的不同的激光谱技术。而腔增强光谱方法使用光学腔增强吸收信号，它利用耦合进入光学腔的光在腔内来回反射，增长激光与气体介质作用路径，从而具有很高探测灵敏度。其有效吸收长度与光学腔精细度成正比，精细度越高，吸收信号越强。因此，人们倾向于使用高精细度光学腔。

在腔增强光谱技术中，探测灵敏度主要受到透射激光幅度起伏的影响。这主要是由于激光频率噪声大，导致激光线宽宽，而高精细度光学腔模式的线宽很窄，导致只有部分激光频率耦合进去光学腔，从而使得激光到腔的耦合效率很低，并且起伏很大，导致腔的透射信号起伏剧烈。为了解决这个问题，人们通常需要使用Pound-Drever-Hall(PDH)技术将激光器锁定到线性法布里玻罗光学腔上，从而抑制激光频率噪声，压窄激光线宽，使得激光高效率耦合进入光学腔。但是对于高精细度光学腔，腔模线宽非常窄(kHz量级)，PDH锁定对伺服系统要求很高，同时稳定的锁定也越难实现。特别是对于半导体激光器，它是目前为止应用最广泛的激光器，但是它本身具有非常大的频率噪声，会大大增加了PDH锁定的难度。

光学反馈是另一种可以实现激光到光学腔锁定的方法。通过自注入锁定，可以自动实现对激光高频噪声的抑制。但是为了分离光学腔前镜的泄露光和直接反射光，通常光学反馈使用三镜V型腔。但是相对于只需要两个腔镜的线性光学腔，三镜腔增加一个反射镜，反射镜会引入损耗，从而影响光学腔的精细度，因此并不适合于高灵敏激光光谱技术中。也有部分工作基于线性光学腔，为了分离直接反射光和腔前镜泄露光，人们一般使用腔的透射光进行光学反馈，或者人为引入阻抗失配，从而大大损耗直接反射光的功率，从而使得激光锁定到光学腔模上，但是这样大大增加了系统的复杂程度，并且降低了系统的通用性。

为了解决以上问题，就需要使用一种更加简单的实现半导体激光器到高精细度线性光学腔(即法布里玻罗腔)锁定的方法。

发明内容

针对上述问题本发明提供了一种半导体激光频率到高精细度法布里玻罗腔的锁定方法。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种半导体激光频率到高精细度法布里玻罗腔的锁定方法，由激光器控制器驱动半导体激光器输出激光，经过一个二分之玻片、偏振分束棱镜、反射镜、四分之玻片、第二反射镜和匹配透镜，耦合进入高精细度法布里玻罗光学腔，透过光学腔的光被探测器探测，所述第二反射镜粘在压电陶瓷上；

所述光学腔由两面反射镜组成，反射率为r，透射率为t；

所述激光耦合进入高精细度法布里玻罗光学腔后，会在两个腔镜之间来回反射，光学腔的透射光强I_t等于：

其中I₀是入射光强，

是光在腔内一个来回的相移，等于：

其中FSR是光学腔的自由光谱区，等于：

其中c是光速，n是光学腔内介质的折射率，L是光学腔腔长；

Δv_q是激光频率到光学腔第q个纵模频率v_q的失谐量，v_q等于：

当Δv_q＝0时，激光与光学腔达到了共振，光学腔内光场功率增强，透射光强最强；

而线性法布里玻罗光学腔的反射光包括两部分，分别是从法布里玻罗光学腔前镜表面反射的光子(非谐振场)；和耦合到光腔内从腔前镜泄漏出的光子(谐振场)，总的反射光光场E_r可以表示为：

其中f是激光频率，

表示激光在光学腔来回一圈引起的相移，等于4πfL/c，E_in表示光学腔的入射光场，等于

其中C表示光路对激光的损耗，主要包括衰减片的衰减；

表示激光从出射到光学腔引起的光场相移，等于2πfL_r/c，其中L_r是激光器到光学腔前镜的距离；公式(5)等号右边的大括号内第一项表示腔前镜的直接反射光，后一项表示腔内泄露光，公式(5)中负号是由于光疏到光密反射产生半波损耗引起反射光相位突变π引起的；

当存在弱光学反馈，且反馈系数<10^-4时，激光频率f可以由下式推出

其中f_free表示无光学反馈时的激光频率，F＝2r/(1-r²)，K₁和K₂分别表示光路对腔泄露光和直接反射光的衰减，公式(6)等式右边的第二项和第三项分别为光学腔泄露光和直接反射光光学反馈引起的项；当激光频率f等于f_n，此时

等于的2nπ整数倍时，激光与光学腔达到共振，此时激光频率f_n等于第n个腔模的频率；在腔内将建立起很强的光场；而当

等于2π的整数倍时，泄露光的相位与光学腔内光场同向，光学反馈起到作用；而由于直接反射光的反馈相位与谐振光相差π，因此无法对激光器产生反馈作用。

光学腔前镜的泄露光经过原路返回半导体激光器，形成光学反馈，通过旋转二分之玻片和四分之玻片从而改变激光的偏振态实现反馈系数的调节；当不同偏振态的光通过偏振分束棱镜时，只有偏振态与棱镜平行的部分可以透过棱镜，通过调节压电陶瓷的驱动电压从而调谐压电陶瓷的伸缩，可以改变光路长度，从而改变光返回半导体激光器的相位，也就是反馈相位；使得满足

(q为整数)。从而可以实现激光器到法布里玻罗腔的锁定。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1.本发明采用了光学反馈实现了半导体激光器到高精细度线性法布里玻罗光学腔的锁定。

2.本发明采用二分之玻片、偏振分束棱镜和四分之玻片结合的方式实现对反馈系数的调节，可以在不损耗腔入射光强的情况下，对反馈系数进行大范围调节。

3.本发明不需要额外增加系统复杂程度，只需要通过对反馈相位的控制，就可以防止直接反射光对光学反馈的影响。

4.相对于传统的光学反馈腔锁定系统，使用了线性光学腔取代V型腔，可以构造精细度更高的光学腔，从而实现更加灵敏的激光光谱技术。

5.本发明相比于其他类型的激光锁定线性光学腔的方法，使用光学反馈可以自动抑制高频的激光频率噪声，可以更容易实现宽线宽、频率噪声大的半导体激光器到高精细度光学腔的锁定。

附图说明

图1为装置结构示意图；

图2为光学反馈影响半导体激光器频率示意图。

其中，1激光器控制器，2半导体激光器，3二分之玻片，4偏振分束棱镜，5反射镜，6四分之玻片，7反射镜，反射镜7粘在一个压电陶瓷8上，9匹配透镜，10法布里玻罗光学腔，11光电探测器。

具体实施方式

实施例1

一种半导体激光频率到高精细度法布里玻罗腔的锁定方法，由激光器控制器驱动半导体激光器输出激光，经过一个二分之玻片、偏振分束棱镜、反射镜、四分之玻片、第二反射镜和匹配透镜，耦合进入高精细度法布里玻罗光学腔，透过光学腔的光被探测器探测，所述第二反射镜粘在压电陶瓷上；

所述光学腔由两面反射镜组成，反射率为r，透射率为t；

所述激光耦合进入高精细度法布里玻罗光学腔后，会在两个腔镜之间来回反射，光学腔的透射光强I_t等于：

其中I₀是入射光强，

是光在腔内一个来回的相移，等于：

其中FSR是光学腔的自由光谱区，等于：

其中c是光速，n是光学腔内介质的折射率，L是光学腔腔长；

Δv_q是激光频率到光学腔第q个纵模频率v_q的失谐量，v_q等于：

当Δv_q＝0时，激光与光学腔达到了共振，光学腔内光场功率增强，透射光强最强；

而线性法布里玻罗光学腔的反射光包括两部分，分别是从法布里玻罗光学腔前镜表面反射的光子，非谐振场；和耦合到光腔内从腔前镜泄漏出的光子(谐振场)，总的反射光光场E_r可以表示为：

其中f是激光频率，

表示激光在光学腔来回一圈引起的相移，等于4πfL/c，E_in表示光学腔的入射光场，等于

其中C表示光路对激光的损耗，主要包括衰减片的衰减；

表示激光从出射到光学腔引起的光场相移，等于2πfL_r/c，其中L_r是激光器到光学腔前镜的距离；公式(5)等号右边的大括号内第一项表示腔前镜的直接反射光，后一项表示腔内泄露光，公式(5)中负号是由于光疏到光密反射产生半波损耗引起反射光相位突变π引起的；

当存在弱光学反馈，且反馈系数<10^-4时，激光频率f可以由下式推出

其中f_free表示无光学反馈时的激光频率，F＝2r/(1-r²)，K₁和K₂分别表示光路对腔泄露光和直接反射光的衰减，公式(6)等式右边的第二项和第三项分别为光学腔泄露光和直接反射光光学反馈引起的项；当激光频率f等于f_n，此时

等于的2nπ整数倍时，激光与光学腔达到共振，此时激光频率f_n等于第n个腔模的频率；在腔内将建立起很强的光场；而当

等于2π的整数倍时，泄露光的相位与光学腔内光场同向，光学反馈起到作用；而由于直接反射光的反馈相位与谐振光相差π，因此无法对激光器产生反馈作用。

实施例2

如图1所示，由激光器控制器驱动半导体激光器，激光器输出的激光通过二分之玻片、偏振分束棱镜、反射镜、四分之玻片、第二个反射镜和匹配透镜，耦合进入高精细度法布里玻罗光学腔。其中，第二个反射镜粘在压电陶瓷上。透过光学腔的光被探测器探测。光学腔前镜的泄露光经过原路返回激光器，形成光学反馈。反馈系数的调节是通过旋转二分之玻片和四分之玻片从而改变激光的偏振态实现的，当不同偏振态的光通过偏振分束棱镜时，只有偏振态与棱镜平行的部分可以透过棱镜。通过调节压电陶瓷的驱动电压从而调谐压电陶瓷的伸缩，可以改变光路长度，从而改变光返回激光器的相位，也就是反馈相位。当反馈相位满足公式

(q为整数)时，激光器将锁定到法布里玻罗光学腔上。

图2为模拟得到的半导体激光器频率受光学反馈的影响。使用一个三角波连续调谐激光器的电流，纵坐标表示实际激光输出频率，横坐标表示无反馈时的激光输出功率，其频率零点位置对应光学腔第n个腔模频率，即f_n。当不存在光学反馈时，激光频率如图中虚线所示，实际输出频率等于无反馈时的激光频率，因此曲线线性上升。当存在只存在腔前镜反射光引起的光学反馈时，结果如图中方点所示，其会改变实际激光频率输出，但是在腔模频率处，即fn处，方点接近虚线，表示其影响为0。图中实线表示当同时存在腔泄露光和腔前镜光时引起的光学反馈时，激光频率的响应结果。当激光频率远离光学腔模频率时，腔前镜反射光引起光学反馈起作用，实线与方点重合。当激光频率靠近光学腔模频率f_n时，光学腔泄露光的光学反馈产生作用，激光频率迅速被锁定，实线产生很大的扭曲，其值在很大一个范围内不发生变化，始终等于f_n，即激光频率锁定到光学腔。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种半导体激光频率到高精细度法布里玻罗腔的锁定方法，其特征在于：由激光器控制器驱动半导体激光器输出激光，经过一个二分之玻片、偏振分束棱镜、反射镜、四分之玻片、第二反射镜和匹配透镜，耦合进入高精细度法布里玻罗光学腔，透过光学腔的光被探测器探测，所述第二反射镜粘在压电陶瓷上；

所述光学腔由两面反射镜组成，反射率为r，透射率为t；

所述激光耦合进入高精细度法布里玻罗光学腔，会在两个腔镜之间来回反射，光学腔的透射光强I_t等于：

其中I₀是入射光强，

是光在腔内一个来回的相移，等于：

其中FSR是光学腔的自由光谱区，等于：

其中c是光速，n是光学腔内介质的折射率，L是光学腔腔长；

Δν_q是激光频率到光学腔第q个纵模频率ν_q的失谐量，ν_q等于：

当Δv_q＝0时，激光与光学腔达到了共振，光学腔内光场功率增强，透射光强最强；

而线性法布里玻罗光学腔的反射光包括两部分，分别是从法布里玻罗光学腔前镜表面反射的光子，非谐振场；和耦合到光腔内从腔前镜泄漏出的光子，谐振场，总的反射光光场E_r可以表示为：

其中f是激光频率，

表示激光在光学腔来回一圈引起的相移，等于4πfL/c，E_in表示光学腔的入射光场，等于

其中C表示光路对激光的损耗，主要包括衰减片的衰减；

表示激光从出射到光学腔引起的光场相移，等于2πfL_r/c，其中L_r是激光器到光学腔前镜的距离；公式(5)等号右边的大括号内第一项表示腔前镜的直接反射光，后一项表示腔内泄露光，公式(5)中负号是由于光疏到光密反射产生半波损耗引起反射光相位突变π引起的；

当存在弱光学反馈，且反馈系数<10^-4时，激光频率f可以由下式推出：

其中f_free表示无光学反馈时的激光频率，F＝2r/(1-r²)，K₁和K₂分别表示光路对腔泄露光和直接反射光的衰减，公式(6)等式右边的第二项和第三项分别为光学腔泄露光和直接反射光光学反馈引起的项；当激光频率f等于f_n，此时

等于的2nπ整数倍时，激光与光学腔达到共振，此时激光频率f_n等于第n个腔模的频率；在腔内将建立起很强的光场；而当

等于2π的整数倍时，泄露光的相位与光学腔内光场同向，光学反馈起到作用；而由于直接反射光的反馈相位与谐振光相差π，因此无法对激光器产生反馈作用。

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