CN113314933B - 一种回音壁模式微腔反共振激光器 - Google Patents

一种回音壁模式微腔反共振激光器 Download PDF

Info

Publication number
CN113314933B
CN113314933B CN202110510269.4A CN202110510269A CN113314933B CN 113314933 B CN113314933 B CN 113314933B CN 202110510269 A CN202110510269 A CN 202110510269A CN 113314933 B CN113314933 B CN 113314933B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
whispering gallery
gallery mode
cavity
coupling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110510269.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113314933A (zh
Inventor
陈景标
张同云
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wenzhou Laser And Photoelectronics Co Innovation Center
Original Assignee
Wenzhou Laser And Photoelectronics Co Innovation Center
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wenzhou Laser And Photoelectronics Co Innovation Center filed Critical Wenzhou Laser And Photoelectronics Co Innovation Center
Priority to CN202110510269.4A priority Critical patent/CN113314933B/zh
Publication of CN113314933A publication Critical patent/CN113314933A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113314933B publication Critical patent/CN113314933B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08086—Multiple-wavelength emission
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/136—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/137—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling devices placed within the cavity for stabilising of frequency

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种回音壁模式微腔反共振激光器，包括稳频激光器、激光耦合装置、回音壁模式微腔、真空装置和碱金属原子；将稳频激光模块输出激光耦合输入到回音壁模式微腔中，回音壁模式微腔放置在真空装置中，并在回音壁模式微腔和真空装置中填充碱金属原子，稳频激光通过倏逝波的方式耦合到回音壁模式微腔中，稳频激光在回音壁模式微腔中不断反射形成共振加强激光。本激光器具有极窄的光学模式线宽和极高的光子态密度，且光学谐振腔超高的Q值会极大地降低输出激光的阈值，其增益介质填充在回音壁模式的微型腔中可以实现高稳定的不同波长的反共振激光器，不受腔牵引效应影响。

Description

一种回音壁模式微腔反共振激光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种不受腔牵引效应影响的回音壁模式微腔反共振激光器。
背景技术
激光的高频率稳定度和高频率准确度是衡量激光质量的重要标准，高参数指标的激光在精密科学测量、光学传感和物理科学研究等领有着广泛的应用。在现有技术中稳频方式主要是通过将激光的频率与参考的频率进行比较得到鉴频信号，经过反馈控制对激光频率进行调整将激光频率锁定在参考频率基准上来实现激光稳频。其参考频率可以是高稳定度的FP参考，其主要用射频电光调制器对激光频率进行调制，利用FP腔的共振特性和光外差光谱检测技术得到高性能的具有鉴频特性的色散型曲线和鉴频得到的激光频率，同时利用激光频率与FP腔共振频率的误差信号通过反馈给预稳频激光器来精准改变预稳频激光器的腔长，从而实现对激光频率的精准控制，但是，实现高质量的FP腔的谐振，其腔镀膜的加工难度大，同时为了减少环境对频率的噪声控制，系统中还要添加免噪声处理装置，既加大了系统的难度也增加了系统的复杂度。参考频率也可以是原子-分子跃迁谱线稳频的方法，其稳频技术包括饱和谱稳频技术、极化谱稳频技术及调制转移谱稳频技术，需要以原子的吸收谱线作为系统的鉴频曲线，从而达到稳频的效果，但是，原子的谱线的频率范围有限，并不能适用于所有的频率。
中国发明专利申请201910677386.2公开的暗腔激光器主要是针对气泡型原子气室的暗腔激光设备实现弱反馈，以生成主谐振腔的全非共振区的暗腔激光。其外界环境对气泡型原子气室内原子的温度造成影响，就会引起气室内原子的温度漂移，进一步限制激光器的频率稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，包括现有技术中加工技术难度的限制及输出波长的限制，本发明提出一种回音壁模式微腔反共振激光器，其主要是将稳频激光模块输出激光耦合输入到回音壁模式微腔中，回音壁模式微腔放置在真空装置中，并在回音壁模式微腔和真空装置中填充碱金属原子，稳频激光通过倏逝波(evanescent wave)的方式耦合到回音壁模式微腔中，稳频激光在回音壁模式微腔中不断反射形成共振加强激光，由于回音壁模式微腔的折射率大于真空空气密度，共振加强激光会在回音壁模式微腔和真空的交界处产生倏逝波，倏逝波会以沿回音壁模式微腔到真空的垂直方向呈指数性衰减。倏逝波激发真空装置中的碱金属原子跃迁能级之间的相干受激辐射，同时倏逝波在回音壁模式微腔外表面形成的光程等于其受激辐射波长的整数倍，即：倏逝波形成腔的一周的相位差为2π的整数倍，实现谐振模式的匹配，输出相干受激辐射激光。
本发明首次提出在回音壁模式微腔中填充碱金属原子来实现不受腔牵引效应的反共振激光器，利用腔模的完全非共振区输出来抑制激光得腔牵引效应。其实现方法是利用原子跃迁的中心频率处在相邻两个腔模的中心频率处，腔反馈低处的谐振腔处在非共振区域，即反共振激光。反共振激光可以克服热噪声对传输保真度的影响，并在谐振腔的端面的反射光场形成基本反相，形成了腔内光场的削弱。谐振腔的一个自由光谱范围FSR等于反共振激光(谐振腔的非共振区)的腔模线宽гdark与谐振腔模线宽гcavity之和，即：FSR＝гdark+гcavity。反共振激光(谐振腔非共振区)，同时反共振激光线宽гdark要大于激光增益介质的增益线宽гgain；同时，反共振激光要满足反共振激光的增益大于光学谐振腔内所有损耗之和，即Gaindark>Gaincavity。
实现谐振模式的匹配，得到特定波长的输出。通过棱镜耦合的方式的优势表现为：便于调节入射光的角度及棱镜与回音壁模式微腔的距离来实现倏逝场的波矢与回音壁模式微腔中的特定模式实现匹配。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种回音壁模式微腔反共振激光器，包括稳频激光器、激光耦合装置、回音壁模式微腔、真空装置和碱金属原子；其中，稳频激光器位于真空装置外部，用于发出稳频激光；激光耦合装置与回音壁模式微腔位于真空装置内部，激光耦合装置与回音壁模式微腔相互邻接于一耦合界面；稳频激光器激光耦合装置用于接收稳频激光，使稳频激光在耦合界面形成全内反射，并以倏逝波的形式耦合到回音壁模式微腔中；回音壁模式微腔用于连续反射稳频激光并形成共振加强激光，并使该共振加强激光在回音壁模式微腔于真空交界处产生倏逝波，该倏逝波以沿回音壁模式微腔到真空的垂直方向呈指数性衰减；碱金属原子分布于真空装置内的真空空间中，受倏逝波激发以生成碱金属原子跃迁能级之间的相干受激辐射。
优选地，激光耦合装置的耦合方式可以是棱镜耦合、锥形光纤耦合、倾角光纤耦合、自由空间耦合或波导垂直耦合等。
优先地，激光耦合装置选用但不限于直角棱镜、拉锥光纤或倾角光纤。
优选地，回音壁模式微腔的材料可以是氮化硅、铌酸锂、氟化钙、氟化钡、氟化镁、钻石、玻璃或硅基材料等。
优选地，回音壁模式微腔可以是微球腔、微盘腔、微环腔、微芯圆环腔、微管腔或微泡腔等。
优选地，真空装置外侧可以放置磁屏蔽处理装置，用以减少外界磁场对碱金属原子的影响。
本发明提供的回音壁模式微腔反共振激光器的新颖性和创造性体现在：
(1)本回音壁模式微腔反共振激光器具有极窄的光学模式线宽和极高的光子态密度，且光学谐振腔超高的Q值会极大地降低输出激光的阈值，其增益介质填充在回音壁模式的微型腔中可以实现高稳定的不同波长的反共振激光器，不受腔牵引效应影响。
(2)回音壁模式微腔的体积限制在微米量级(几微米至几百微米)，即使耦合进入回音壁模式微腔的光子能量很小，也会激发回音壁微腔中的碱金属原子形成高能量的激光，实现量子状态的能量传递。
附图说明
图1为本发明一实施例的棱镜耦合的音壁模式微腔反共振激光器的结构示意图；
图中：1-稳频激光模块、2-棱镜、3-真空装置、4-碱金属原子、5-球形回音壁模式微腔。
图2为本发明一实施例的拉锥光纤耦合的回音壁模式微腔反共振激光器的结构示意图；
图中：1-稳频激光模块、3-真空装置、4-碱金属原子、5-球形回音壁模式微腔、6-拉锥光纤。
图3为本发明一实施例的倾角光纤耦合的音壁模式微腔反共振激光器的结构示意图；
图中：1-稳频激光模块、3-真空装置、4-碱金属原子、5-球形回音壁模式微腔、7-倾角光纤。
具体实施方式
为使本发明的技术方案能更明显易懂，特举实施例并结合附图详细说明如下。
本发明一实施例公开一种棱镜耦合的音壁模式微腔反共振激光器，其结构如图1所示。回音壁模式微腔5放置在真空装置3中，并在回音壁模式微腔5和真空装置3中填充碱金属原子4，回音壁模式微腔5的折射率小于棱镜2的折射率，稳频激光模块1输出激光从棱镜2的直角边入射到棱镜2的耦合界面，稳频激光在耦合界面发生全内反射，并以倏逝波的形式耦合到球形回音壁模式微腔5中(传播方向如箭头所示，下同)，稳频激光在球形回音壁模式微腔5中不断反射形成共振加强激光，由于球形回音壁模式微腔5的折射率大于真空空气密度，共振加强激光会在回音壁模式微腔5和真空的交界处产生倏逝波，倏逝波会以沿回音壁模式微腔5到真空的垂直方向呈指数性衰减。倏逝波激发真空装置3中的碱金属原子4跃迁能级之间的相干受激辐射，同时倏逝波在回音壁模式微腔5外表面形成的光程等于其受激辐射波长的整数倍，即：倏逝波形成腔的一周的相位差为2π的整数倍，实现谐振模式的匹配，相干受激辐射激光通过棱镜2输出。通过棱镜2耦合的方式的优势表现为：便于调节入射光的角度及棱镜2与回音壁模式微腔5的距离，来实现倏逝场的波矢与回音壁模式微腔5中的特定模式实现匹配。
本发明的另一实施例公开一种拉锥光纤耦合的回音壁模式微腔反共振激光器，其结构如图2所示。拉锥光纤6主要通过光纤熔融拉锥机来制作，其方法是靠拢两根一端去除涂覆层的光纤，在高温加热条件下熔融光纤的纤芯部分，并将两根光纤向两端拉伸，最终在加热的区域形成双锥体结构的波导器件。稳频激光模块1输出激光在拉锥光纤6内以全内反射的形式沿光纤传播，经过拉锥光纤6时，回音壁模式微腔5与拉锥光纤6的距离足够小时，拉锥光纤6中的稳频激光会在拉锥光纤6纤芯的锥形区域外部以倏逝波的形式耦合到回音壁模式微腔5中，回音壁模式微腔5放置在真空装置3中，并在回音壁模式微腔5和真空装置3中填充碱金属原子4，稳频激光在球形回音壁模式微腔5中不断反射形成共振加强激光，由于球形回音壁模式微腔5的折射率大于真空空气密度，共振加强激光会在回音壁模式微腔5和真空的交界处产生倏逝波，倏逝波会以沿回音壁模式微腔5到真空的垂直方向呈指数性衰减。倏逝波激发真空装置3中的碱金属原子4跃迁能级之间的相干受激辐射，同时倏逝波在回音壁模式微腔5外表面形成的光程等于其受激辐射波长的整数倍，调整回音壁模式微腔5的腔长来激发回音壁模式反共振激光，其反共振激光再通过锥形区域耦合进入拉锥光纤6并输出回音壁模式微腔5反共振激光。利用拉锥光纤6耦合的优势表现为：拉锥光纤6耦合效率高，同时光纤自身的损耗很低，较少稳频激光在光纤中的功率损耗且性能稳定。
本发明的又一实施例例公开一种倾角光纤耦合的音壁模式微腔反共振激光器，其结构如图3所示。倾角光纤7为单模光纤，位于稳频激光的光路上，其出光端面为一倾斜面(即非正截面)。稳频激光在球形回音壁模式微腔5耦合界面上发生全内反射，并以倏逝波的形式耦合到球形回音壁模式微腔5中，回音壁模式微腔5放置在真空装置3中，并在回音壁模式微腔5和真空装置3中填充碱金属原子4，稳频激光在球形回音壁模式微腔5中不断反射形成共振加强激光，由于球形回音壁模式微腔5的折射率大于真空空气密度，共振加强激光会在回音壁模式微腔5和真空的交界处产生倏逝波，倏逝波会以沿回音壁模式微腔5到真空的垂直方向呈指数性衰减。倏逝波激发真空装置3中的碱金属原子4跃迁能级之间的相干受激辐射，同时倏逝波在回音壁模式微腔5外表面形成的光程等于其受激辐射波长的整数倍，即：倏逝波形成腔的一周的相位差为2π的整数倍，实现谐振模式的匹配，相干受激辐射激光通过光纤端面输出。通过倾角光纤7耦合的优势表现为：通过调节倾角光纤7端面倾角的角度大小可以调节光纤与球形回音壁模式微腔5的耦合效率。
最后需要注意的是，上述实施例仅是本发明的优选实施方式，并非限制本发明的范围。具体地，回音壁模式微腔放置在真空装置中，稳频激光通过拉锥光纤耦合到球形回音壁模式微腔中，并在回音壁模式微腔和真空装置中填充碱金属原子，稳频激光在回音壁模式微腔中反射共振加强，球形回音壁模式微腔反共振激光以倏逝波的方式在形回音壁模式微腔外壁边界，并激发碱金属原子跃迁能级的相干受激辐射输出相干受激辐射激光。这些技术为本领域技术人员所熟知，因此不再赘述。本领域技术人员应当理解，对本发明技术方案进行修改或同等替换，并不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神与范围。因此，本发明的保护范围以权利要求书所限定者为准。

Claims (5)

1.一种回音壁模式微腔反共振激光器，其特征在于，包括稳频激光器、激光耦合装置、回音壁模式微腔、真空装置和碱金属原子；其中，稳频激光器位于真空装置外部，用于发出稳频激光；激光耦合装置与回音壁模式微腔位于真空装置内部，激光耦合装置与回音壁模式微腔相互邻接于一耦合界面；激光耦合装置用于接收稳频激光，使稳频激光在耦合界面形成全内反射，并以倏逝波的形式耦合到回音壁模式微腔中，激光耦合装置的耦合方式为棱镜耦合、锥形光纤耦合、倾角光纤耦合、自由空间耦合或波导垂直耦合；回音壁模式微腔用于连续反射稳频激光并形成共振加强激光，并使该共振加强激光在回音壁模式微腔于真空交界处产生倏逝波，该倏逝波以沿回音壁模式微腔到真空的垂直方向呈指数性衰减；碱金属原子分布于真空装置内的真空空间中，受倏逝波激发以生成碱金属原子跃迁能级之间的相干受激辐射。
2.如权利要求1所述的回音壁模式微腔反共振激光器，其特征在于，激光耦合装置选用但不限于直角棱镜、拉锥光纤或倾角光纤。
3.如权利要求1所述的回音壁模式微腔反共振激光器，其特征在于，回音壁模式微腔的材料为氮化硅、铌酸锂、氟化钙、氟化钡、氟化镁、钻石、玻璃或硅基材料。
4.如权利要求1所述的回音壁模式微腔反共振激光器，其特征在于，回音壁模式微腔为微球腔、微盘腔、微环腔、微芯圆环腔、微管腔或微泡腔。
5.如权利要求1所述的回音壁模式微腔反共振激光器，其特征在于，真空装置外侧还放置有磁屏蔽处理装置。
CN202110510269.4A 2021-05-11 2021-05-11 一种回音壁模式微腔反共振激光器 Active CN113314933B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110510269.4A CN113314933B (zh) 2021-05-11 2021-05-11 一种回音壁模式微腔反共振激光器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110510269.4A CN113314933B (zh) 2021-05-11 2021-05-11 一种回音壁模式微腔反共振激光器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113314933A CN113314933A (zh) 2021-08-27
CN113314933B true CN113314933B (zh) 2022-08-16

Family

ID=77372905

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110510269.4A Active CN113314933B (zh) 2021-05-11 2021-05-11 一种回音壁模式微腔反共振激光器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113314933B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115014599B (zh) * 2022-04-21 2023-06-02 深圳大学 采用二氧化碳激光制备回音壁模式微泡探针谐振器的方法、谐振器及压力感测系统
CN115498488B (zh) * 2022-09-22 2023-07-07 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 一种基于棱镜耦合的回音壁耦合模块及其装调方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101267082A (zh) * 2008-04-21 2008-09-17 云南大学 倏逝波激励及增益耦合的多波段回音壁模式光纤激光器
CN102684043A (zh) * 2012-06-01 2012-09-19 云南大学 一种基于pdms的多波段回音壁模式光纤激光器及其加工方法
CN104868351A (zh) * 2015-04-27 2015-08-26 清华大学 一种调节回音壁模式微腔共振频率的方法
CN106635773A (zh) * 2016-09-29 2017-05-10 南开大学 基于光纤微腔回音壁的dna杂交微流控探测器

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010080950A (ja) * 2008-08-29 2010-04-08 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 固体色素レーザ
CN110336182B (zh) * 2019-07-25 2020-06-23 温州激光与光电子协同创新中心 暗腔激光器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101267082A (zh) * 2008-04-21 2008-09-17 云南大学 倏逝波激励及增益耦合的多波段回音壁模式光纤激光器
CN102684043A (zh) * 2012-06-01 2012-09-19 云南大学 一种基于pdms的多波段回音壁模式光纤激光器及其加工方法
CN104868351A (zh) * 2015-04-27 2015-08-26 清华大学 一种调节回音壁模式微腔共振频率的方法
CN106635773A (zh) * 2016-09-29 2017-05-10 南开大学 基于光纤微腔回音壁的dna杂交微流控探测器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"低维金属卤化物钙钛矿：一种微腔激光材料";霍成学等;《中国激光》;20170731;正文第1-4节 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113314933A (zh) 2021-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. On-chip erbium-doped lithium niobate microcavity laser
CN113314933B (zh) 一种回音壁模式微腔反共振激光器
EP0136871B1 (en) Fiber optic amplifier
CN103733123B (zh) 基于经由回音壁模式光学谐振器中的非线性光学混频的光学再生和光电反馈的参数再生式振荡器
US7003002B2 (en) Fiber-coupled microsphere Raman laser
US11303087B1 (en) Photonic crystal masers
US20120294319A1 (en) Generation of single optical tone, RF oscillation signal and optical comb in a triple-oscillator device based on nonlinear optical resonator
CN111208724B (zh) 基于微型原子气室的芯片主动光钟及其实现方法
CN103337778A (zh) 频率调制单频光纤激光器
CN103346477A (zh) 一种侧向耦合平面波导光栅外腔激光器
Savchenkov et al. Crystalline waveguides for optical gyroscopes
US4780876A (en) Method and apparatus for generating coherent radiation
Yan et al. An erbium-doped whispering-gallery-mode microlaser for sensing
Feron Whispering gallery mode lasers in erbium doped fluoride glasses
CN114199222B (zh) 一种有源谐振光纤陀螺
Conti et al. Coupling approaches and new geometries in whispering-gallery-mode resonators
CN203288929U (zh) 频率调制单频光纤激光器
CN114122875B (zh) 一种基于波导形增益介质的空间运转布里渊激光器
US11754907B2 (en) Photon-pair source for quantum applications
Jones Realizing a mid-infrared optically pumped molecular gas laser inside hollow-core photonic crystal fiber
Johnson et al. Brillouin optical‐fiber ring oscillator design
Anderson et al. Efficient coupling of ultra-high Q crystalline microresonators to integrated photonic waveguides
Wu et al. Tunable Single-wavelength Fiber Laser Based on a Microbubble Cavity
CN118630563A (zh) 一种倾斜光纤光栅包层模激光器
CN118472774A (zh) 一种基于克尔非线性效应的耦合双微球腔锁模激光器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant