CN114122875A - 一种基于波导形增益介质的空间运转布里渊激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于波导形增益介质的空间运转布里渊激光器，包括：泵浦源，泵浦源发出第一频率的泵浦光，依次通过电光调制模块、光隔离器、第三二分之一波片和透镜组后，进入由第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一凹面反射镜、布里渊波导介质和第二凹面反射镜组成的环形布里渊振荡器；泵浦光在布里渊波导介质中激发出第二频率的斯托克斯光，通过第二平面镜透射的泵浦光信号进入光电探测器，在锁腔器中与电光调制模块的本振信号进行混频产生误差信号，进而反馈到泵浦激光器中实现对泵浦频率的调节，满足谐振腔长度与布里渊频移的匹配。本发明结合波导结构和自由空间结构的优点，采用环形腔结构结合频率锁定技术大幅降低布里渊产生阈值，提高布里渊转换效率和稳定性。

Description

一种基于波导形增益介质的空间运转布里渊激光器
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种基于波导形增益介质的空间运转布里渊激光器。
背景技术
能够获得窄线宽激光输出的布里渊激光器在激光雷达、相干通信、微波光子学、计量学以及光谱学等领域发挥着越来越重要的作用。但是，作为一种三阶非线性频率转换效应，其增益耦合相对较弱，这对于布里渊激光的输出功率和转换效率有很大的限制作用，也阻碍了其在更多领域的进一步发展。因此，传统的布里渊激光器大多都是基于低损耗的波导结构来实现的，为了使产生的斯托克斯光与泵浦光在振荡器内同时谐振以获得布里渊激光输出，人们通常将布里渊增益介质设计成光纤、微腔、薄片等波导型结构，进而有效控制谐振腔腔长、促进斯托克斯光与泵浦光的相互作用、提高布里渊放大的总增益。
虽然波导型结构的布里渊激光器容易获得低阈值且窄线宽的布里渊激光输出，但由于此类型振荡器的光束模体积很小，级联受激布里渊散射(SBS)难以控制，其输出功率受到了极大的限制(通常为微瓦至百毫瓦)。而且受制于可选择的工作物质使其输出波长范围也受到一定限制，并且往往会引入波导结构制作工艺的复杂性。
因此为了解决波导结构面临的技术瓶颈，发展了自由空间运转的布里渊激光器。实现自由空间运转的布里渊激光器是获得高功率，宽波长范围以及窄线宽布里渊激光输出的有效方式。
目前，虽然研究人员已经实现了自由空间的布里渊激光输出，但其输出功率相对较低、稳定性相对较差，这对进一步的研究和应用有较大的困难。
发明内容
本发明提供了一种基于波导形增益介质的空间运转布里渊激光器，本发明结合波导结构和自由空间结构的优点，采用环形腔结构结合频率锁定技术可以大幅降低布里渊产生阈值，提高布里渊激光转换效率和稳定性，并且通过采用不同的布里渊介质可以获得不同波段的斯托克斯激光输出，详见下文描述：
泵浦源发出第一频率的泵浦光，依次通过电光调制模块、光隔离器、第三二分之一波片和透镜组后，进入由第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一凹面反射镜、布里渊介质和第二凹面反射镜组成的环形布里渊振荡器。
泵浦光在布里渊介质中激发出第二频率的斯托克斯光，通过第二平面镜透射的泵浦光信号进入光电探测器，然后在锁腔器中与电光调制模块的本振信号进行混频产生误差信号，进而反馈到泵浦激光器中实现对泵浦频率的调节，满足谐振腔长度与布里渊频移的匹配。
其中，布里渊介质是多边形ABCDEF的形状，AF边上的入射角是α，为了使激光在AF边上反射后入射到CD边上，设置介质形状满足BC＝4hsinα作为限定条件。
当光在布里渊介质内部反射2m+1(m是自然数)次时，光在布里渊介质内部传输的距离：
s＝2h(cos 2α+m)/cosα，布里渊介质AF的长度是l，表达式2h(sin2α+tanαcos 2α)+2mhtanα；AB长度是h(1-4sin2α)，h是布里渊波导介质宽。
所述的电光调制模块用于对泵浦光进行电光相位调制，以获得一个边带周期等于调制频率的泵浦光信号。
所述的光隔离器用于泵浦光的单向通过以及斯托克斯光的输出，所述光隔离器由第一二分之一波片、第一偏振器、法拉第旋光器、第二二分之一波片和第二偏振器组成。
所述的第三二分之一波片用于对泵浦光偏振方向的调节，使得其偏振方向与布里渊介质的最大增益偏振角度相匹配。
所述的第一平面镜镀有对泵浦光和斯托克斯光部分透射的介质膜，第二平面反射镜、第一凹面反射镜和第二凹面反射镜均镀有对泵浦光和斯托克斯光高反射的介质膜。
其中，所述谐振腔长度L＝i(c/2vs)＝j(c/2vp)，i,j均是整数，即满足L＝ns+l1+l2+l3+l4+l5，c是光速，n是介质折射率，s是光在介质内部传播的距离，νp是泵浦光频率，νs是谐振腔内斯托克斯光频率，l1、l2、l3、l4、l5分别是M1和M2之间的距离、M2和M3之间的距离、M1和M4之间距离、M3和介质之间的距离、M4和介质之间的距离。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、该激光器选用满足条件的几何结构布里渊介质，使光在内部多次获得增益，实现高功率低阈值激光输出，可以选择不同材料作为布里渊介质，扩大了布里渊激光的输出波长范围。
2、该激光器通过透镜组实现对泵浦光与振荡器的模式匹配，以及通过控制第一平面反射镜对泵浦光的透过率实现泵浦光与振荡器的阻抗匹配，来最大程度提高腔内泵浦光功率，获得更高的布里渊输出功率。
附图说明
图1是一种基于波导形增益介质的空间运转布里渊激光器的结构示意图；
图2是光隔离器的结构示意图；
图3是本发明提供的波导结构的示意图；
图4是一般情况下波导结构的示意图；
图5是环形腔及各光学元件的参数示意图；
图6是波导材料立体结构的示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：泵浦源； 2：电光调制模块；
3：光隔离器； 4：第三二分之一波片；
5：透镜组； 6：第一平面反射镜；
7：第二平面反射镜； 8：第一凹面反射镜；
9：布里渊波导介质； 10：第二凹面反射镜；
11：光电探测器； 12：锁腔器；
13：第一二分之一波片； 14：第一偏振器；
15：法拉第旋光器； 16：第二二分之一波片；
17：第二偏振器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
通过对背景技术中存在的问题进行研究发现，实现自由空间运转布里渊激光器是获得高功率、窄线宽、宽波长范围布里渊激光输出的有效方式。高功率、宽波长范围的输出条件对布里渊介质提出了一系列要求，此外，为了提高布里渊激光的输出功率稳定性，还需要对泵浦光频率或振荡器腔长进行扫描锁定，以实现腔长与布里渊频移的匹配，达到泵浦光和布里渊激光双谐振的目的。
本发明实施例1提出采用具有高热导率、高增益系数的片状晶体作为布里渊介质，使激光在介质内部获得多次增益，并采用环形腔结实现腔长等于泵浦光和布里渊输出光波长的整数倍，通过腔外直接泵浦的方式获得高功率、高稳定性的窄线宽布里渊激光输出。
为了解决现有布里渊激光器输出功率低、稳定性差等问题，本发明实施例提出了一种基于波导形增益介质的空间运转布里渊激光器，参见图1，该布里渊激光器的结构包括：
泵浦源1、电光调制模块2、光隔离器3、第三二分之一波片4、透镜组5、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、第一凹面反射镜8、布里渊介质9、第二凹面反射镜10、光电探测器11、以及锁腔器12。
其中，泵浦源1发出第一频率(νp)的线偏振泵浦光，依次通过电光调制模块2、光隔离器3、第三二分之一波片4和透镜组5后，进入由第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、第一凹面反射镜8、布里渊介质9和第二凹面反射镜10组成的环形布里渊振荡器；通过第二平面镜7透射的泵浦光信号进入光电探测器11，然后在锁腔器12中与电光调制模块2的本振信号进行混频产生误差信号，进而作用到泵浦激光器中实现对泵浦光频率的调节，达到振荡器长度与布里渊频移匹配和锁定的目的。
其中，第三二分之一波片4用于对于泵浦光偏振方向的调节，使其偏振方向与布里渊介质的最大增益偏振角度相匹配。
其中，透镜组5由两个凸透镜组成，用于实现对泵浦光束腰尺寸和位置的调节，使得其与谐振腔本征模式尺寸和位置得到匹配，达到模式匹配的目的。第一平面反射镜6的端面镀有对泵浦光部分透射介质膜，使得其透过损耗与谐振腔整体损耗一致，实现泵浦与谐振腔的阻抗匹配，即透镜组5和第一平面反射镜6相结合来实现泵浦与谐振腔的模式匹配和阻抗匹配，来获得泵浦光的最大谐振增强效果。
图1是一种波导形增益介质的空间布里渊激光器的结构示意图。
图2是光隔离器示意图，光隔离器3使泵浦光单向通过。由第一二分之一波片13、第一偏振器14、法拉第旋光器15、第二二分之一波片16和第二偏振器17组成；一方面使入射的泵浦光单向通过光隔离器3，起到保护泵浦源1的作用，同时第一偏振器14还起到作为布里渊激光输出端口的作用，用于对输出激光参数的测量。
在环形布里渊振荡器中，布里渊介质9可以是不同截面尺寸的布里渊晶体，当采用大横截面尺寸的增益介质时，在获得布里渊激光信号的同时，其余部分的增益介质还能实现增强的布里渊放大，提高了布里渊激光输出功率和介质利用率。
图3是布里渊介质9结构示意图，将波导形状制成如图3中多边形ABCDEF的形状，AF边的长度是l，AB边的长度是p，BC边的长度是q。激光由BC边中点垂直入射，在AF边上的入射角是α。为了使激光在介质内部多次反射，需要满足全反射条件，即入射角α与介质折射率n满足sinα＝1/n，此外为了使激光在AF边上反射后入射到CD边上，需满足BC≤4hsinα。这里需要设置介质形状满足BC＝4hsinα作为限定条件。当光在介质内部反射2m+1次(m是自然数)时，光在介质内部传输的距离s＝2h(cos2α+m)/cosα，波导介质AF的长度是l，表达式2h(sin2α+tanαcos 2α)+2mhtanα。此时AB长度是h(1-4sin2α)。实际应用时，布里渊介质9可以是金刚石晶体、CaF2晶体、熔石英、或蓝宝石晶体等，当材料确定后，根据全反射条件，介质的底角α也被确定。再根据实际情况选择合适的介质宽h和介质边AF的长度l。
图4是布里渊介质结构示意图。图5是环形腔结构示意图，M1和M2是平面反射镜，M3和M4是凹面反射镜，M1和M2之间的距离是l1，M2和M3之间的距离是l2，M1和M4之间距离是l3，M3和介质之间的距离是l4，M4和介质之间的距离是l5。
图6是布里渊介质的立体结构图。
其中，锁腔器12用于将透射的泵浦光信号与电光调制模块2的本振信号进行混频得到误差信号，进而作用到泵浦源1中。泵浦光频率νp，腔内斯托克斯光频率νs，它们之间的关系为Δν＝νp-νs。由谐振腔的谐振条件需满足腔长是输出半波长的整数倍，又为了实现双谐振，则有L＝i(c/2vs)＝j(c/2vp)(i,j均是整数)。L＝ns+l1+l2+l3+l4+l5(c是光速，n是介质折射率，s是光在介质内部传播的距离)。
具体实现时，第一平面镜6镀有对泵浦光和斯托克斯光部分透射的介质膜，第二平面反射镜7、第一凹面反射镜8和第二凹面反射镜10均镀有对泵浦光和斯托克斯光高反射的介质膜。
综上所述，本发明实施例结合波导结构和自由空间结构的优点，采用环形腔结构结合频率锁定技术可以大幅降低布里渊产生阈值，提高布里渊转换效率和稳定性，并且通过采用不同的布里渊介质可以获得不同波段的斯托克斯激光输出。
实施例2
下面以具体的器件参数为例进行进一步地介绍，详见下文描述：
布里渊介质9选用金刚石，折射率2.4，根据计算介质材料角度α切割成24.6°，布里渊介质宽h是4mm，厚度H设置为1mm，光在内部反射3次(m＝1)，计算此时布里渊介质长l是12.11mm，AB长度1.23mm，长度s是14.55mm，环形腔l1＝145mm，l2＝160mm，l3＝75mm，l4＝75mm，l5＝160mm，M3和M4两个反射镜的曲率半径R＝100mm。腔长L＝649.92mm。泵浦光波长1064nm，斯托克斯光波长1064.12nm。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于波导形增益介质的空间运转布里渊激光器，其特征在于，所述激光器包括：泵浦源，所述泵浦源发出第一频率的泵浦光，依次通过电光调制模块、光隔离器、第三二分之一波片和透镜组后，进入由第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一凹面反射镜、布里渊波导介质和第二凹面反射镜组成的环形布里渊振荡器；
泵浦光在布里渊波导介质中激发出第二频率的斯托克斯光，通过第二平面镜透射的泵浦光信号进入光电探测器，在锁腔器中与电光调制模块的本振信号进行混频产生误差信号，进而反馈到泵浦激光器中实现对泵浦光频率的调节，并满足谐振腔长度与布里渊频移的匹配；
其中，布里渊波导介质是多边形ABCDEF的形状，AF边上的入射角是α，为了使激光在AF边上反射后入射到CD边上，设置介质形状满足BC＝4h sinα作为限定条件；当光在布里渊波导介质内部反射2m+1次时，光在布里渊波导介质内部传输的距离：
s＝2h(cos2α+m)/cosα，布里渊波导介质AF的长度是l，表达式2h(sin2α+tanαcos2α)+2mh tanα；AB长度是h(1-4sin2α)，h是布里渊波导介质宽。
2.根据权利要求1所述的一种基于波导形增益介质的空间运转布里渊激光器，其特征在于，所述布里渊介质是金刚石晶体、CaF2晶体、熔石英、或蓝宝石晶体。
3.根据权利要求1所述的一种基于波导形增益介质的空间运转布里渊激光器，其特征在于，所述电光调制模块用于对泵浦光进行电光相位调制，以获得一个边带周期等于调制频率的泵浦光信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于波导形增益介质的空间运转布里渊激光器，其特征在于，所述光隔离器用于泵浦光的单向通过以及斯托克斯光的输出，所述光隔离器由第一二分之一波片、第一偏振器、法拉第旋光器、第二二分之一波片和第二偏振器组成。
5.根据权利要求1所述的一种基于波导形增益介质的空间运转布里渊激光器，其特征在于，所述第三二分之一波片用于对泵浦光偏振方向的调节，使得其偏振方向与布里渊介质的最大增益偏振角度相匹配。
6.根据权利要求1所述的一种基于波导形增益介质的空间运转布里渊激光器，其特征在于，所述第一平面镜镀有对泵浦光和斯托克斯光部分透射的介质膜，第二平面反射镜、第一凹面反射镜和第二凹面反射镜均镀有对泵浦光和斯托克斯光高反射的介质膜。
7.根据权利要求1所述的一种基于波导形增益介质的空间运转布里渊激光器，其特征在于，所述谐振腔长度L＝i(c/2vs)＝j(c/2vp)，i，j均是整数，即满足L＝ns+l1+l2+l3+l4+l5，c是光速，n是介质折射率，s是光在介质内部传播的距离，vp是泵浦光频率，vs是谐振腔内斯托克斯光频率，l1、l2、l3、l4、l5分别是M1和M2之间的距离、M2和M3之间的距离、M1和M4之间距离、M3和介质之间的距离、M4和介质之间的距离。
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