CN114498292A - 一种坏腔双频法拉第激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种坏腔双频法拉第激光器，其特征在于，包括激光二极管系统、法拉第原子滤光器和谐振腔；其中，激光二极管系统包括半导体激光二极管和驱动电路，其产生的光输出至法拉第原子滤光器；半导体激光二极管的出光远端面镀高反膜，作为谐振腔的第一腔镜，半导体激光二极管的出光端面镀增透膜；法拉第原子滤光器位于谐振腔内，作为外腔选频器件，用于对半导体激光二极管产生的光进行选频，得到双频法拉第激光并稳定在法拉第原子滤光器的透射带宽内；谐振腔包括第一腔镜与第二腔镜，第二腔镜的反射率设置为使双频法拉第激光的腔模线宽大于所述法拉第原子滤光器的透射谱带宽，从而使双频法拉第激光均工作在坏腔区域，得到坏腔双频法拉第激光。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种坏腔双频法拉第激光器。
背景技术
普通的外腔半导体激光器结构紧凑、效率高、可靠性强，在精密测量、冷原子物理、量子通信等领域应用广泛。常见的半导体激光器一般利用外腔光反馈压窄激光线宽，并结合外腔中的选频器件实现频率选择。目前国际上最常用的是基于光栅和干涉滤光片的选频方法，采用不同的选频器件可以实现不同类型的激光器，如分布式反馈(DFB,DistributedFeedback)与分布式布拉格反射(DBR,Distributed Bragg Reflector)激光器是在半导体材料上刻蚀光栅；光纤布拉格光栅(FBG,Fiber Bragg Grating)激光器是在光纤上刻蚀光栅；波导布拉格光栅(WBG,Waveguide Bragg Grating)激光器是在平面波导材料上刻蚀光栅；干涉滤光片外腔反馈激光器是利用镀膜的干涉滤光片选频。然而，上述光栅对刻蚀工艺要求极高，干涉滤光片对镀膜精度要求很高，因此制作难度大。更重要的是，利用光栅、干涉滤光片选频的方案，其透过率会受到机械振动、环境温度和电流变化的影响，导致激光器频率存在长期漂移，且容易跳模，在激光器室外应用和长时应用方面带来了许多实际问题。
相比于上述光栅、干涉滤光片选频器件，法拉第反常色散原子滤光器具有响应速度快、长期稳定可靠、视场角大、透过率高等优点，在空间光通信、雷达遥感、水下通信等领域应用广泛。法拉第原子滤光器利用了原子气室内原子蒸汽的共振法拉第旋光效应，只有在一定频率范围内的信号光可以与滤光器中的原子发生共振相互作用，透过频率取决于原子共振频率，透射带宽可达MHz量级，远小于传统的选频方式，且透过频率对激光二极管温度、电流变化的鲁棒性更强，因此可以作为很好的激光选频器件。
目前法拉第激光器以单频工作模式为主，若将单频法拉第激光扩展到双频模式，可以进一步扩大法拉第激光器的应用范围。中国发明专利ZL201910943184.8公开了一种双频法拉第半导体激光器及其实现方法。通过适当地控制温度、磁场条件，可以使法拉第原子滤光器输出两个透过率相当的透射谱，将此选频器件置于外腔结构中，可以实现双频法拉第激光器，这种相干性极好的双频激光在激光频率稳定与高分辨率光谱等方面具有广泛应用。目前已有的双频法拉第激光器线宽在几十kHz量级，若要进一步压窄双频激光的线宽，需要改变激光的工作区域。可以通过改变外腔镜的反射率，使双频法拉第激光器的腔模线宽大于法拉第原子滤光器透射谱带宽，使双频激光均工作在坏腔区域，输出光的频率主要由原子决定，不易受外界振动、温度变化引入的腔长热噪声影响，可以有效抑制腔牵引效应，达到压窄激光频率线宽的效果，优化双频法拉第激光器的频率稳定度。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明公开了一种坏腔双频法拉第激光器。本发明采用法拉第原子滤光器，利用原子与光相互作用时的法拉第旋光效应，只有频率在特定量子跃迁频率附近的线偏振光才能透过。通过调节合适的原子气室温度和外加磁场强度，实现对应原子基态超精细能级到激发态跃迁的两个透过率相近的法拉第透射谱，结合外腔镜的光反馈作用，实现双频输出，这种相干性极好的双频激光在激光频率稳定与高分辨率光谱等方面应用广泛。
根据谐振腔腔模线宽确定本发明坏腔双频法拉第激光器的腔镜反射率；其中，谐振腔腔模线宽
其中FSR为自由光谱范围；F为腔精细度；r1为激光二极管出光远端面腔镜的反射系数，该腔镜为高反镜，本发明实施例中r1＝0.95；r2为外腔腔镜的反射系数，通过理论计算选取合适的值，从而使双频法拉第激光工作在坏腔区域；Tt为激光通过原子滤光器与外腔镜后的透过率。通过控制磁场、温度、光强以及法拉第原子滤光器的选频方式，可以将原子滤光器的透射谱带宽控制在对应原子跃迁自然线宽量级。通过调节外腔镜的反射率，使双频法拉第激光的腔模线宽大于法拉第原子滤光器透射谱带宽，此时双频法拉第激光均工作在坏腔区域，坏腔双频激光频率对外界振动、温度变化引入的腔长热噪声具有抑制作用，可以进一步提高双频法拉第激光器的频率稳定度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
坏腔双频法拉第激光器在结构上包括：激光二极管系统、法拉第原子滤光器和谐振腔。
基于法拉第原子滤光器的两种工作方式，本发明采用两种方案，分别是利用法拉第磁致旋光方法实现法拉第原子滤光器选频，以及利用光抽运方法实现感生二向色型法拉第原子滤光器选频。
方案一利用磁致旋光效应实现法拉第反常色散原子滤光器选频。由驱动电路驱动激光二极管输出光，进入法拉第原子滤光器，经过第一格兰泰勒棱镜和第一环形磁铁后，进入原子气室，该原子气室处在由一对环形磁铁形成的均匀磁场中，由于赛曼分裂和法拉第旋光效应，只有偏振方向旋转90°的特定频率的光可以通过第二格兰泰勒棱镜输出。通过调节合适的原子气室温度和外加磁场强度，使法拉第原子滤光器输出两个透过率相当的透射谱，经过谐振腔反馈后，同时输出两个激光模式。设置外腔镜反射率为合适值，使双频激光的腔模线宽大于原子滤光器的透射谱带宽，得到工作在坏腔区域的双频激光。
方案二采用光抽运方法实现感生二向色型法拉第原子滤光器选频。以被动式原子滤光器为例。由驱动电路驱动外腔半导体激光器输出泵浦光，经过四分之一波片成为圆偏振光，从右侧进入原子气室，对具有速度选择性的原子进行泵浦，导致原子在滤光器工作下能级的磁子能级上不再均匀分布。从半导体激光二极管发出的光，在经过第一格兰泰勒棱镜后成为线偏振光，与气室内的速度选择原子相互作用时，由于圆偏振泵浦光产生感生二向色性从而产生旋光效应：若泵浦光为左旋圆偏振光，将导致原子不再均匀分布，布局在磁量子数最高的磁子能级上。因此，当线偏振光入射时，只有右旋圆偏振光分量能找到可以耦合的工作上能级，并与原子发生共振相互作用，折射率发生变化。而左旋圆偏振光分量没有可供耦合的工作上能级，折射率不会发生变化(右旋圆偏振泵浦光反之)。因此信号光通过原子气室后，两个圆偏振分量产生折射率差，只有旋转90°的频率分量可以最大限度地通过第二格兰泰勒棱镜输出。通过调节合适的原子气室温度和外加磁场强度，原子滤光器可以输出两个透过率相当的透射谱，经过谐振腔反馈后，同时输出两个激光模式。设置外腔镜的反射率为合适值，使双频激光的腔模线宽大于原子滤光器的透射谱带宽，得到工作在坏腔区域的双频激光。
所述激光二极管用于产生光，并输出至原子滤光器。包括半导体激光二极管和驱动电路，激光二极管出光远端面镀高反膜，作为谐振腔腔镜之一，出光端面镀增透膜，防止在激光二极管两表面之间形成内腔模。
所述方案一中磁致旋光法拉第原子滤光器包括第一格兰泰勒棱镜、第一环形磁铁、原子气室、第二环形磁铁、第二格兰泰勒棱镜。其外部设有控温装置以及用于减小外界磁场干扰的磁屏蔽装置。
所述方案二中光抽运感生二向色型原子滤光器包括第一格兰泰勒棱镜、原子气室、第二格兰泰勒棱镜、用于产生泵浦光的外腔半导体激光器、将泵浦光转化为圆偏振光的四分之一波片。外部设有控温装置以及用于减小外界磁场干扰的磁屏蔽装置。
所述谐振腔包括一对谐振腔腔镜，分别是表面镀高反膜的激光二极管出光远端面作为第一谐振腔腔镜与外腔中的第二谐振腔腔镜，第一谐振腔腔镜反射系数为0.95，第二谐振腔腔镜的反射率设置为合适值，使输出的激光工作在坏腔区域。
进一步地，第一格兰泰勒棱镜出射光的偏振方向和第二格兰泰勒棱镜出射光的偏振方向之间相互正交，消光比为105：1。
进一步地，本技术方案中所用的反射镜、格兰泰勒棱镜、谐振腔镜、反射镜以及激光二极管两个端面所镀的膜均与原子气室中所充入原子发生能级跃迁时所发出光的波长相对应。
进一步地，原子气室内可充入铯、钾、钠、铷等原子用于选频。还可充入氮气、氦气等作为缓冲气体。
进一步地，方案二中感生二向色型原子滤光器若为被动型原子滤光器，工作下能级为基态，应满足泵浦光与信号光波长相同。
进一步地，方案二中用于产生泵浦光的外腔半导体激光器由驱动电路驱动。其发出的泵浦光在进入法拉第原子滤光器之前，应先通过四分之一波片后成为圆偏振光，再进入原子滤光器，对其中的原子进行抽运。
进一步地，方案二中用于产生泵浦光的外腔半导体激光器，可通过电伺服反馈系统，将激光频率锁定在气室中所充入原子的饱和吸收峰峰值边缘上。
进一步地，方案二中感生二向色型原子滤光器中可加入偏置磁场，以提高法拉第原子滤光器的透过率。
与现有技术相比，本发明提出的坏腔双频法拉第激光器的积极效果为：
本发明实现了工作在坏腔区域，直接基于原子谱稳频的双频法拉第激光，通过改变外腔镜的反射率，实现双频激光的腔模线宽大于原子滤光器的透射谱带宽，得到工作在坏腔区域的双频激光。本发明利用法拉第反常色散光学滤光器作为外腔选频器件，可以实现将激光频率稳定在原子滤光器的透射带宽内，有效压窄激光线宽，激光频率受温度、电流、磁场等因素干扰小。本发明的坏腔激光相比较于好腔激光可以有效抑制剩余腔牵引效应，能够进一步压窄激光线宽，提高双频激光的频率稳定度。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的坏腔双频法拉第激光器方案一的结构示意图。
图2为本发明实施例二提供的坏腔双频法拉第激光器方案二的结构示意图。
图3为本发明实例提供的好腔双频法拉第激光与坏腔双频法拉第激光对比图；
(a)为好腔双频法拉第激光腔模宽度与法拉第原子滤光器透射带宽的关系，可以看到工作在好腔模式下的双频法拉第激光，腔模宽度Γ小于原子滤光器透射带宽κ；
(b)为工作在坏腔模式下的双频法拉第激光，其腔模宽度Γ大于原子滤光器透射带宽κ。
其中，11-激光二极管系统，12-磁致旋光法拉第原子滤光器，13-谐振腔，22-光抽运法拉第原子滤光器；1101-半导体激光二极管、1102-驱动电路；1201-第一格兰泰勒棱镜、1202-第一环形磁铁、1203-原子气室、1204-第二环形磁铁、1205-第二格兰泰勒棱镜、1206-原子气室控温装置、1207-原子气室磁屏蔽装置；1301-第一谐振腔腔镜、1302-第二谐振腔腔镜，2204-外腔半导体激光器、2205-第一反射镜、2206-四分之一波片、2207-第二反射镜。
具体实施方案
为使本发明实施例的目的、技术方案和优势更加清楚，现结合附图对本发明的技术方案进一步详细描述。
本发明提供的一种磁致旋光坏腔双频法拉第激光器的结构示意图如图1所示。
由驱动电路1102驱动的激光二极管1101作为光源发出光，光经过第一格兰泰勒棱镜1201成为线偏振光后，进入第一环形磁铁1202和第二环形磁铁1204形成的均匀磁场中。原子气室1203处在该磁场内。光进入原子气室1203后，在均匀磁场的作用下，与原子发生相互作用，由于塞曼效应和法拉第旋光效应，只有偏振方向旋转90°的特定频率的光可以通过第二格兰泰勒棱镜1205，通过调节原子气室控温装置1206和环形磁极1202、1204，使原子气室1203处在合适的温度和外加磁场强度下，实现法拉第原子滤光器12输出两个透过率相当的透射谱，输出的光在镀高反膜的第一谐振腔腔镜1301和第二谐振腔腔镜1302之间振荡，形成光反馈，从第二谐振腔腔镜1302输出双频激光。设置第二谐振腔腔镜1302的反射率为合适值，得到工作在坏腔区域的双频激光。
本发明提供的一种光抽运坏腔双频法拉第激光器的结构示意图如图2所示。
由驱动电路1102驱动外腔半导体激光器2204输出泵浦光，经过四分之一波片2206后成为圆偏振光，从原子气室1203右侧进入，对具有速度选择性的原子进行泵浦，导致原子在滤光器工作下能级的磁子能级上不再均匀分布。由驱动电路1102驱动的激光二极管1101作为光源发出信号光，经过第一格兰泰勒棱镜1201成为线偏振光后进入原子气室1203。当线偏振光与原子气室1203内的速度选择原子相互作用时，由于圆偏振泵浦产生的感生二向色性从而产生旋光效应，当线偏振信号光经过原子气室1203后，只有偏振方向旋转90°的圆偏振分量可以通过第二格兰泰勒棱镜1205。通过调节原子气室控温装置1206，使原子气室1203处在合适的温度下，实现感生二向色型原子滤光器22输出两个透过率相当的透射谱，从而在谐振腔13内形成光反馈，输出双频激光。设置第二谐振腔腔镜1302的反射率为合适值，得到工作在坏腔区域的双频激光。
上述示例中，所述原子气室1203可充入铯、铷、钾、钠等原子作为工作物质，并用惰性气体作为缓冲气体。
上述示例中，用于光抽运的外腔半导体激光器2204已进行频率锁定，通过电伺服反馈系统，将激光频率锁定在气室中所充入原子的饱和吸收峰峰值边缘上。本示例原子气室1203内充入铷原子，因此本示例外腔半导体激光器2204可采用780nm可调谐激光器。
上述示例中，所述原子气室1203与成对磁铁1202、1204外部设有控温装置1206和用于屏蔽外界磁场干扰的磁屏蔽装置1207。
其他可选示例中，方案二感生二向色型原子滤光器22可加入偏置磁场，用来提高原子滤光器的透过率。
上述示例的实现过程：半导体激光二极管在驱动电路的驱动下作为光源发出光，首先通过第一格兰泰勒棱镜成为线偏振光，经过法拉第原子滤光器后，由于旋光效应，只有特定频率的偏振光可以形成反馈，输出激光。本发明提出的两种方案采用不同方法实现法拉第原子滤光器选频，磁致旋光方法：将原子气室置于均匀磁场下，发生赛曼分裂与法拉第旋光效应，选出特定频率的激光；光抽运方法：利用特定频率的半导体激光器作为泵浦光，使气室内的原子发生能级粒子数不均匀分布，基于圆偏振泵浦光产生二向色性从而产生旋光效应，选出特定频率的光。通过将原子气室控制在合适温度和磁场环境下，可以实现双频输出。从原子滤光器输出的光在腔内振荡，形成光反馈，设置第二谐振腔镜反射率为合适值，得到工作在坏腔区域的激光输出。
由于方案二没有工作磁场，工作原子的磁子能级不存在赛曼分裂，通常得到的透射谱线会比方案一法拉第原子滤光器得到的透射谱线窄。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制。在不脱离本发明所附权利要求书的精神和范围内，本领域的技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，具体要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种坏腔双频法拉第激光器，其特征在于，包括激光二极管系统、法拉第原子滤光器和谐振腔；其中，
所述激光二极管系统包括半导体激光二极管和驱动电路，所述驱动电路用于驱动所述半导体激光二极管产生光并输出至所述法拉第原子滤光器；所述半导体激光二极管的出光远端面镀高反膜，作为所述谐振腔的第一腔镜，所述半导体激光二极管的出光端面镀增透膜；
所述法拉第原子滤光器位于所述谐振腔内，作为外腔选频器件，用于对所述半导体激光二极管产生的光进行选频，得到双频法拉第激光并稳定在法拉第原子滤光器的透射带宽内；
所述谐振腔包括所述第一腔镜与第二腔镜，所述第二腔镜的反射率设置为使双频法拉第激光的腔模线宽大于所述法拉第原子滤光器的透射谱带宽，从而使双频法拉第激光均工作在坏腔区域，得到坏腔双频法拉第激光。
2.根据权利要求1所述的坏腔双频法拉第激光器，其特征在于，所述法拉第原子滤光器为磁致旋光法拉第原子滤光器。
3.根据权利要求2所述的坏腔双频法拉第激光器，其特征在于，所述磁致旋光法拉第原子滤光器包括依次放置的第一格兰泰勒棱镜、第一环形磁铁、原子气室、第二环形磁铁、第二格兰泰勒棱镜；其中，第一格兰泰勒棱镜出射光的偏振方向与第二格兰泰勒棱镜出射光的偏振方向之间相互正交，消光比为105：1。
4.根据权利要求3所述的坏腔双频法拉第激光器，其特征在于，所述磁致旋光法拉第原子滤光器的外部设有控温装置和磁屏蔽装置。
5.根据权利要求1所述的坏腔双频法拉第激光器，其特征在于，所述法拉第原子滤光器为利用光抽运方法实现感生二向色型法拉第原子滤光器。
6.根据权利要求5所述的坏腔双频法拉第激光器，其特征在于，所述法拉第原子滤光器包括第一格兰泰勒棱镜(1201)、原子气室(1203)、第二格兰泰勒棱镜(1205)、外腔半导体激光器(2204)、第一反射镜(2205)、四分之一波片(2206)、第二反射镜(2207)、原子气室控温装置(1206)、原子气室磁屏蔽装置(1207)；所述外腔半导体激光器(2204)输出的泵浦光经过所述四分之一波片(2206)后成为圆偏振光，从所述原子气室(2202)后端进入，对具有速度选择性的原子进行泵浦；所述半导体激光二极管作为光源发出信号光，经过所述第一格兰泰勒棱镜(1201)成为线偏振光后从所述原子气室(2202)前端进入，与所述原子气室(2202)内的速度选择性原子相互作用，满足偏振方向旋转90°的圆偏振分量能够通过所述第二格兰泰勒棱镜(1205)输出至所述第二腔镜；调节所述原子气室控温装置(1206)，使所述法拉第原子滤光器输出两个透过率相当的透射谱，从而在谐振腔内形成光反馈，输出坏腔双频法拉第激光。
7.根据权利要求5所述的坏腔双频法拉第激光器，其特征在于，所述感生二向色型原子滤光器中设有偏置磁场，用于提高法拉第原子滤光器的透过率。
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