CN113555766A - 基于角锥阵列外腔反射镜的法拉第激光器及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于角锥阵列外腔反射镜的法拉第激光器及其实现方法，属于半导体激光技术领域，通过将两片永磁铁放在填充有旋光原子的原子气室的两侧，原子气室处在轴向磁场中，调整永磁铁和原子气室的距离来调整磁场的大小，旋光原子蒸汽在磁场的作用下发生塞曼分裂，并对入射激光的偏振方向发生偏转，通过对特定波长的光进行旋转，可以透过所需要的波长范围内的激光，再利用角锥阵列外腔反射镜对激光进行反射和透射，使反射光沿原光路返回形成窄线宽激光。该角锥阵列外腔反射镜利用其不同锥面对激光进行原路反射，突破了现有技术中由于固体胶老化及外界机械震动的影响造成法拉第激光器的频率稳定度难以提升的瓶颈。

Description

基于角锥阵列外腔反射镜的法拉第激光器及其实现方法
技术领域
本发明属于半导体激光技术领域，具体涉及一种基于角锥阵列外腔反射镜的法拉第激光器及其实现方法。
背景技术
法拉第原子滤光器基于原子蒸汽处于纵向磁场中产生的法拉第旋光效应使其具有的窄带宽、高噪声抑制比、高透射率等优点，在超精密光谱学、水下光通信、激光雷达及基础物理学研究等方面得到广泛应用。然而法拉第激光器的应用限制于实验室研究，造成这种限制的原因是法拉第激光器谐振腔会随着机械振动而发生漂移，导致激光功率下降及激光波长发生漂移。
目前国际上报道的法拉第激光器平面外腔反射镜的固定方式一般是机械固定或固体胶固定，其会带来以下几个弊端：1)平面反射腔镜对光学角度较为敏感，安装过程中轻微的角度偏折极其容易导致输出光功率急速下降，从而加大安装难度；2)现有技术中平面外腔反射镜极易受环境(振动、温度等)及固定器件老化的影响，激光谐振腔的腔镜容易发生轻微松动，使得激光器原谐振模式发生漂移，腔镜的反射光不能按原光路返回到激光管，光强的分布模式发生改变，导致激光腔的输出能量损失严重，3)平面反射腔镜的角度敏感性极强，安装过程中或器件老化的原因都会不同程度的导致激光角度的偏折，影响激光对原子滤光器内原子抽运的不均匀性，影响激光波长的稳定性。
中国发明专利申请202010927041.0公开的多波长非原子共振法拉第半导体激光器和中国发明专利申请202010756459.X公开的基于拍频锁定的高稳定度双频法拉第激光器及实现方法中使用的激光外腔反射镜均为平面反射镜，固定平面反射镜的机械器件或外界环境的变化(机械振动或温度)极易造成谐振腔模的改变及抖动，严重影响法拉第激光输出波长的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中由于法拉第平面外腔反射镜固定的不稳定性造成法拉第激光器的频率稳定度难以提升的困难，提供了一种结构简单、性能稳定和抗环境干扰能力强的基于角锥阵列外腔反射镜的法拉第激光器。本发明的原理是：将两片永磁铁放在填充有旋光原子例如铷、铯原子的原子气室的两侧，原子气室处在轴向磁场中，调整永磁铁和原子气室的距离来调整磁场的大小，铷、铯原子蒸汽在磁场的作用下发生塞曼分裂，并对入射激光的偏振方向发生偏转，即左旋分量和右旋分量的吸收和色散不同，通过对特定波长的光进行旋转，可以透过所需要的波长范围内的激光。
本发明提供的基于角锥阵列外腔反射镜的法拉第激光器的新颖性和创造性体现在：本发明利用角锥阵列外腔反射镜实现的法拉第激光器机械稳定性高，突破了现有技术中由于固体胶老化及外界机械震动的影响造成法拉第激光器的频率稳定度难以提升的瓶颈，用简单的光学器件实现了一种高性能的基于角锥阵列外腔反射镜的法拉第激光器，其对环境的要求大大低于现有技术中基于平面反射镜的法拉第激光器，大大增强了法拉第激光器对环境变化的耐受性，如机械振动、温度变化等。本发明提供的角锥阵列外腔反射镜的单个角锥的反射面设计为不平整的反射面、优化单个角锥的尺寸及高度并控制整个角锥阵列外腔反射镜的尺寸可以进一步提高激光的利用效率，当激光管输出激光通过角锥阵列外腔反射镜的逆向平行反射，激光管输出的激光经过角锥阵列外腔反射镜内不同角锥面的反射将激光以平行入射光线的方向返回，当角锥阵列外腔反射镜由于外界环境扰动及固定角锥阵列外腔反射镜器件老化的原因导致光路发生偏折时，仍然有反射光沿原光路返回形成激光，进一步提高基于角锥阵列外腔反射镜法拉第激光器的稳定性。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
本发明的一个目的是提出一种基于角锥阵列外腔反射镜的法拉第激光器，其包括沿激光出射方向的至少一激光管、一准直透镜、一FADOF(Faraday Anomalous DispersionOptical Filter，原子滤光器)装置和一角锥阵列外腔反射镜；该激光管为半导体激光管或线偏振激光管，若该激光管为半导体激光管，则该FADOF装置包括沿激光出射方向的起偏器、第一永磁铁、原子气室、第二永磁体和检偏器，该检偏器的偏振方向与该起偏器的偏振方向垂直；若该激光管为线偏振激光管，则该FADOF装置包括沿激光出射方向的第一永磁铁、原子气室、第二永磁体和检偏器，该检偏器的偏振方向与线偏振激光管的偏振方向垂直；其中，该激光管用于发射特定波长的激光，该准直透镜将上述激光变为准直激光，该准直激光为准直线偏振激光或经偏振器变为准直线偏振激光；该原子气室填充有旋光原子蒸汽，所述准直激光对应该旋光原子的特定跃迁频率的激光模式，该原子气室基于该旋光原子将所述准直线偏振激光的偏振方向旋转90°并经检偏器后照射到角锥棱镜外腔反射镜上；该角锥棱镜外腔反射镜将一部分激光透射输出，一部分激光沿原路返回到所述激光管形成窄线宽激光。
优选地，激光管为多个时，各自发出不同特定波长的激光；其中一个激光管布置于FADOF装置所在的直线光路上，并配置有一所述准直透镜，发射出一第一准直激光；其余激光管垂直布置于前述激光管的旁侧，并都配置有一所述准直透镜，发射出至少一第二准直激光；第一准直激光与第二准直激光相互垂直且照射在同一半透半反镜上；该半透半反镜位于所述FADOF装置入光口外侧的所述直线光路上，且透射第一准直激光并射入所述FADOF装置，反射至少一第二准直激光并射入所述FADOF装置；
所述FADOF装置的原子气室中填充有多种旋光原子蒸汽，旋光原子的种类数与激光管发出的不同特定波长激光的数量相同，且每一种特定波长激光的准直激光对应一种旋光原子的特定跃迁频率的激光模式。
优选地，半导体激光管为DFB激光器或DBR激光器。
优选地，起偏器和检偏器采用格兰泰勒棱镜，其消光比设置为1:1000或更高。
优选地，原子气室内的旋光原子的种类为钾、铷、铯、碘或钙。
优选地，FADOF装置还包括一磁屏蔽装置，该磁屏蔽装置将第一、第二永磁体和原子气室三者一同包围在内。
优选地，角锥阵列外腔反射镜为三棱锥型或四棱锥型，三棱锥型角锥阵列外腔反射镜为由处于同一平面的多个三棱锥镜构成的三棱锥镜阵列，一侧为平面，另一侧为锥面；四棱锥型角锥阵列外腔反射镜为由处于同一平面的多个四棱锥镜构成的四棱锥镜阵列，一侧为平面，另一侧为锥面；通过改变三棱锥镜或四棱锥镜高度、底边形状和侧面相对于底面的倾角角度来优化的激光输出功率及对激光线宽。
优选地，三棱锥型角锥阵列外腔反射镜的三棱锥镜为正三棱锥，其三个侧面为互相垂直的等腰直角三角形，底面为等边三角形；三棱锥型角锥阵列外腔反射镜的四棱锥镜为正四棱锥。
优选地，角锥阵列外腔反射镜锥面朝向FADOF装置，或者其平面朝向FADOF装置。
优选地，角锥阵列外腔反射镜通过一压电陶瓷固定，该压电陶瓷固定于角锥阵列外腔反射镜的周缘的一侧。
本发明的另一个目的是提出一种基于角锥阵列外腔反射镜的法拉第激光器的实现方法，其包括以下步骤：
1)通过调节第一、第二永磁铁与原子气室的距离来调节磁场的大小；
2)激光管输出特定波长的激光，并经准直透镜变为准直激光；该激光管若为半导体激光管，则其准直激光经起偏器后变成准直线偏振激光；该激光管若为线偏振激光管，则其准直激光直接是准直线偏振激光；
3)准直线偏振激光穿过磁场中的原子气室，原子气室将准直线偏振激光的偏振方向旋转90°，并穿过检偏器照射到角锥棱镜外腔反射镜上；该角锥棱镜外腔反射镜将一部分激光透射输出，一部分激光沿原路返回到所述激光管形成窄线宽激光。
优选地，通过一磁屏蔽装置来使原子气室内部磁场为均匀或近似均匀磁场；通过改变激光的强度、原子气室的温度、磁场强度中的一种或几种来改变原子气室的透过率。
优选地，通过电信号控制一压电陶瓷的厚度，来改变角锥阵列外腔反射镜与激光管之间的腔长，进而改变激光的谐振频率。
附图说明
图1中为实施例中基于角锥阵列外腔反射镜的铯原子法拉第激光器的结构示意图；
其中：1-852nm半导体激光管，2-准直透镜，3-FADOF装置，301-起偏器，302-第一、第二永磁铁，303-检偏器，304-铯原子气室，4-角锥阵列外腔反射镜；
图2中为实施例中基于角锥阵列外腔反射镜的铷原子法拉第激光器的结构示意图；
其中：1”-780nm线偏振激光管，2-准直透镜，3-FADOF装置，302-第一、第二永磁铁，303-检偏器，304-铷原子气室，4-角锥阵列外腔反射镜；
图3为实施例中基于角锥阵列外腔反射镜的铷铯原子法拉第激光器的结构示意图；
其中：1-852nm半导体激光管，1’-780nm半导体激光管，2-准直透镜，3-FADOF装置，301-起偏器，302-第一、第二永磁铁，303-检偏器，305-铷铯原子气室，4-角锥阵列外腔反射镜，5-半反半透镜；
图4为实施例中三棱锥型角锥阵列外腔反射镜俯视图；
图5为实施例中四棱锥型角锥阵列外腔反射镜俯视图；
图6为实施例中角锥阵列外腔反射镜侧视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1为本发明提供的基于角锥阵列外腔反射镜的铯原子法拉第激光器的结构示意图，其包括：1-852nm半导体激光管、2-准直透镜、3-FADOF装置、301-起偏器、302-第一、第二永磁铁、303-检偏器、304-铯原子气室和4-角锥阵列外腔反射镜。具体实施时，第一、第二永磁铁302安置在铯原子气室(又称铯泡)304两侧，调节永磁铁与铯原子气室304的距离来调节磁场的大小，第一、第二永磁铁302和铯原子气室304外侧安置一层磁屏蔽装置(图未示)，将铯原子气室304内的磁场近似认为是均匀磁场。852nm半导体激光管1输出852nm激光经过激光准直透镜2输出准直激光，准直激光对应铯原子6S1/2F＝4→6P3/2跃迁的激光模式，准直激光经过起偏器301后变成准直线偏振激光，起偏器301的磁矢量与准直激光的路径平行，再穿过磁场中的铯原子气室304，铯原子气室304的长度及铯原子气室304内原子密度均影响准直线偏振激光的偏振旋转角度，将符合铯原子6S1/2F＝4→6P3/2跃迁模式的光偏振旋转90°穿过检偏器303，继而再通过角锥棱镜外腔反射镜4的平面侧，经过角锥内表面对激光进行多角度发射，一部分返回到852nm半导体激光管1形成窄线宽激光，另一部分激光作为输出激光。其中起偏器301和检偏器303可以选为格兰泰勒棱镜，并设置为1:1000或更高的消光比，此时，若当铯原子气室304内的碱金属原子的原子数密度不足够时，就不会有光返回到852nm半导体激光管1并形成反馈激光。
图2中为实施例中基于角锥阵列外腔反射镜的铷原子法拉第激光器的结构示意图，其包括：1”-780nm线偏振激光管、2-准直透镜、3-FADOF装置、302-第一、第二永磁铁、303-检偏器，304-铯原子气室和4-角锥阵列外腔反射镜。具体实施时，第一、第二永磁铁302安置在铷原子气室(又称铷泡)304两侧，调节第一、第二永磁铁302与铷原子气室304的距离来调节磁场的大小，第一、第二永磁铁302和铷原子气室304的外侧安置一层磁屏蔽装置(图未示)，将铷原子气室304内的磁场近似认为是均匀磁场。780nm线偏振激光管1”输出780nm线偏振激光并经过准直透镜2后变成准直激光，该准直激光为准直线偏振激光，该准直激光对应铷原子5S1/2F＝4→5P1/2跃迁的激光模式，该准直线偏振激光穿过磁场中的铷原子气室304，铷原子气室304的长度及铷原子气室304内原子密度均影响准直线偏振激光的偏振旋转角度，符合铷原子5S1/2F＝4→5P1/2跃迁模式的光偏振旋转90°穿过检偏器303，继而再通过角锥棱镜外腔反射镜4的锥面侧外表面对激光进行多角度发射，一部分返回到780nm线偏振激光管1”形成窄线宽激光，另一部分激光作为输出激光。其中检偏器303可以选为格兰泰勒棱镜，并设置为1:1000或更高的消光比，此时，若当铷原子气室304内的碱金属原子内的原子数密度不足够时，就不会有光返回到780nm线偏振激光管1”并形成反馈激光。
图3为实施例中基于角锥阵列外腔反射镜的铷铯原子法拉第激光器的结构示意图，其包括：1-852nm半导体激光管、1’-780nm半导体激光管、2-准直透镜、3-FADOF装置、301-起偏器、302-第一、第二永磁铁、303-检偏器、305-铷铯原子气室、4-角锥阵列外腔反射镜和半透半反镜5。具体实施时，第一、第二永磁铁302安置在铷铯原子气室(又称铷铯泡)305两侧，调节第一、第二永磁铁302与铷铯原子气室305的距离来调节磁场的大小，第一、第二永磁铁302和铷铯原子气室305外侧安置一层磁屏蔽装置(图未示)，将铷铯原子气室305内的磁场近似认为是均匀磁场。852nm半导体激光管1射出的激光经过对应的准直透镜2输出准直激光，准直激光对应铯原子6S1/2F＝4→6P3/2跃迁的激光模式；780nm半导体激光管1’射出激光经过对应的准直透镜2输出准直激光，准直激光对应铷原子5S1/2F＝4→5P1/2跃迁的激光模式，两束准直激光垂直，并经过半透半反镜5(一束透射，一束反射)后一同经过起偏器301变成准直线偏振激光，起偏器301的磁矢量与准直激光的路径平行，再穿过磁场中的铷铯原子气室305，铷铯原子气室305的长度及铷铯原子气室305内原子密度均影响准直线偏振激光的偏振旋转角度，经过铯原子和铷原子的共振旋转穿过检偏器303，继而再通过角锥棱镜外腔反射镜4的平面侧，通过角锥内表面对激光进行多角度发射，一部分返回到852nm半导体激光管1和780nm半导体激光管1’形成窄线宽激光，另一部分激光作为输出激光。其中起偏器301和检偏器303可以选为格兰泰勒棱镜，并设置为1:1000或更高的消光比，此时，若当铷铯原子气室305内的碱金属原子的原子数密度不足够时，就不会有光返回到852nm半导体激光管1和780nm半导体激光管1’并形成反馈激光。
具体实施时，半导体激光管可以是DFB激光器或DBR激光器。可以通过改变原子气室的温度、磁场的强度及激光的强度来改变原子气室的透过率。可以通过将压电陶瓷(图未示)固定在角锥阵列外腔反射镜的周缘的一侧，利用其通电改变厚度的特性来改变法拉第激光器的腔长，从而来改变激光的谐振频率。
具体实施时，角锥阵列外腔反射镜可以选择使用或四棱锥型。三棱锥型角锥阵列外腔反射镜如图4所示，为由处于同一平面的多个三棱锥镜构成的三棱锥镜阵列。正三棱锥角锥阵列外腔反射镜为三棱锥型角锥阵列外腔反射镜的一种，其三个侧面为互相垂直的等腰直角三角形，底面为等边三角形。四棱锥型角锥阵列外腔反射镜如图5所示，为由处于同一平面的多个四棱锥镜构成的四棱锥镜阵列。正四棱锥角锥阵列外腔反射镜为四棱锥型角锥阵列外腔反射镜的一种。无论是哪一种形状的角锥阵列外腔反射镜，其都是具有一平面侧和一相对的锥面侧，如图6所示，锥面侧的锥面的外侧和内侧都可以对激光进行一定程度的反射和透射，即激光垂直射在平面侧时，锥面内侧对激光进行反射和透射，激光垂直射在锥面侧时，锥面外侧对激光进行反射和透射，反射的激光沿原路返回。这样无论是从哪一面射在角锥阵列外腔反射镜上，其都可以对激光进行一部分的原路反射和一部分的透射输出。通过改变三棱锥镜或四棱锥镜高度、底边形状和侧面相对于底面的倾角角度来优化的激光输出功率及对激光线宽，具体实施时通过更换实现。
最后需要注意的是，上述实施例仅是为了说明本发明的工作原理，而非用于限制本发明的范围。具体地，为了提供简易稳定的法拉第激光器，本发明将角锥阵列作为外腔反射镜，即便在震动性较强的环境中，只要有激光透射在角锥阵列外腔反射镜上就会有谐振模式输出，极大地提高激光模式的稳定性。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 (10)

1.一种基于角锥阵列外腔反射镜的法拉第激光器，其特征在于，包括沿激光出射方向的至少一激光管、一准直透镜、一FADOF装置和一角锥阵列外腔反射镜；该激光管为半导体激光管或线偏振激光管，若该激光管为半导体激光管，则该FADOF装置包括沿激光出射方向的起偏器、第一永磁铁、原子气室、第二永磁体和检偏器，该检偏器的偏振方向与该起偏器的偏振方向垂直；若该激光管为线偏振激光管，则该FADOF装置包括沿激光出射方向的第一永磁铁、原子气室、第二永磁体和检偏器，该检偏器的偏振方向与线偏振激光管的偏振方向垂直；其中，该激光管用于发射特定波长的激光，该准直透镜将上述激光变为准直激光，该准直激光为准直线偏振激光或经偏振器变为准直线偏振激光；该原子气室填充有旋光原子蒸汽，所述准直激光对应该旋光原子的特定跃迁频率的激光模式，该原子气室基于该旋光原子将所述准直线偏振激光的偏振方向旋转90°并经检偏器后照射到角锥棱镜外腔反射镜上；该角锥棱镜外腔反射镜将一部分激光透射输出，一部分激光沿原路返回到所述激光管形成窄线宽激光。
2.如权利要求1所述的法拉第激光器，其特征在于，激光管为多个时，各自发出不同特定波长的激光；其中一个激光管布置于FADOF装置所在的直线光路上，并配置有一所述准直透镜，发射出一第一准直激光；其余激光管垂直布置于前述激光管的旁侧，并都配置有一所述准直透镜，发射出至少一第二准直激光；第一准直激光与第二准直激光相互垂直且照射在同一半透半反镜上；该半透半反镜位于所述FADOF装置入光口外侧的所述直线光路上，且透射第一准直激光并射入所述FADOF装置，反射至少一第二准直激光并射入所述FADOF装置；
所述FADOF装置的原子气室中填充有多种旋光原子蒸汽，旋光原子的种类数与激光管发出的不同特定波长激光的数量相同，且每一种特定波长激光的准直激光对应一种旋光原子的特定跃迁频率的激光模式。
3.如权利要求1所述的法拉第激光器，其特征在于，半导体激光管为DFB激光器或DBR激光器；起偏器和检偏器采用格兰泰勒棱镜；原子气室内的旋光原子的种类为钾、铷、铯、碘或钙。
4.如权利要求1所述的法拉第激光器，其特征在于，FADOF装置还包括一磁屏蔽装置，该磁屏蔽装置将第一、第二永磁体和原子气室三者一同包围在内。
5.如权利要求1所述的法拉第激光器，其特征在于，角锥阵列外腔反射镜为三棱锥型或四棱锥型，三棱锥型角锥阵列外腔反射镜为由处于同一平面的多个三棱锥镜构成的三棱锥镜阵列，一侧为平面，另一侧为锥面；四棱锥型角锥阵列外腔反射镜为由处于同一平面的多个四棱锥镜构成的四棱锥镜阵列，一侧为平面，另一侧为锥面；通过改变三棱锥镜或四棱锥镜高度、底边形状和侧面相对于底面的倾角角度来优化的激光输出功率及对激光线宽。
6.如权利要求1或5所述的法拉第激光器，其特征在于，角锥阵列外腔反射镜锥面朝向FADOF装置，或者其平面朝向FADOF装置。
7.如权利要求1或5所述的法拉第激光器，其特征在于，角锥阵列外腔反射镜通过一压电陶瓷固定，该压电陶瓷固定于角锥阵列外腔反射镜的周缘的一侧。
8.一种权利要求1-7任一项所述的法拉第激光器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过调节第一、第二永磁铁与原子气室的距离来调节磁场的大小；
2)激光管输出特定波长的激光，并经准直透镜变为准直激光；该激光管若为半导体激光管，则其准直激光经起偏器后变成准直线偏振激光；该激光管若为线偏振激光管，则其准直激光直接是准直线偏振激光；
3)准直线偏振激光穿过磁场中的原子气室，原子气室将准直线偏振激光的偏振方向旋转90°，并穿过检偏器照射到角锥棱镜外腔反射镜上；该角锥棱镜外腔反射镜将一部分激光透射输出，一部分激光沿原路返回到所述激光管形成窄线宽激光。
9.如权利要求8所述的实现方法，其特征在于，通过一磁屏蔽装置来使原子气室内部磁场为均匀磁场；通过改变激光的强度、原子气室的温度、磁场强度中的一种或几种来改变原子气室的透过率。
10.如权利要求8所述的实现方法，其特征在于，通过电信号控制一压电陶瓷的厚度，来改变角锥阵列外腔反射镜与激光管之间的腔长，进而改变激光的谐振频率。
CN202110528856.6A 2021-05-14 2021-05-14 基于角锥阵列外腔反射镜的法拉第激光器及其实现方法 Pending CN113555766A (zh)

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