CN116073224A - 基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器，该激光器通过将谐振倍频腔共振时透射输出的基频光经注入锁定耦合光路入射到半导体种子源中形成注入锁定，可使得半导体种子源出射的种子光与谐振倍频腔始终处于共振状态，实现自动谐振倍频。相较于传统谐振倍频激光器，本发明的激光器无需额外的主动光学、电学控制链路即可实现种子光与谐振倍频腔自动谐振，实现持续高效率的透射激光输出，结构简单，且传统需要主动锁定的谐振倍频激光方案中，要求基频光为单频激光，本发明没有这一要求，谐振倍频腔透射输出的基频光在半导体种子源中注入锁定形成多个与谐振倍频腔共振的模式也可以运行。

Description

基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器。

背景技术

谐振倍频是一种利用多光束干涉来增强基频光电场强度获得高倍频效率的技术。基于这一技术可以产生高功率的绿光、紫外激光、蓝光灯，扩展了激光的波长范围。但是传统的谐振倍频激光器，都需要利用HC稳频、PDH稳频技术来产生激光频率与谐振倍频腔共振峰的误差信号，再通过PID控制将基频激光与谐振倍频腔锁定在一起，实现持续的高效率的倍频。这极大地增加了系统的复杂度。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器，该激光器通过将倍频腔透射的基频光注入锁定到半导体种子源，实现自动谐振倍频，无需主动锁定。

本发明的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器，包括半导体种子源、注入锁定耦合光路、谐振倍频腔和倍频晶体，半导体种子源用于出射种子光，倍频晶体位于谐振倍频腔内，种子光入射到谐振倍频腔内，在谐振倍频腔内振荡，并通过倍频晶体的倍频处理后，从谐振倍频腔透射输出的基频光经注入锁定耦合光路入射到半导体种子源中形成注入锁定。

较佳地，注入锁定耦合光路包括后向耦合光路，谐振倍频腔透射输出的基频光通过后向耦合光路入射到半导体种子源中。

进一步地，后向耦合光路包括第一后向耦合透镜，谐振倍频腔透射输出的基频光经第一后向耦合透镜入射到半导体种子源中；后向耦合光路包括第二后向耦合透镜和后向传输光纤，后向传输光纤与半导体种子源连接，谐振倍频腔透射输出的基频光经第二后向耦合透镜和后向传输光纤后入射到半导体种子源中。

进一步的，该激光器还包括第一放大器，第一放大器位于半导体种子源和谐振倍频腔之间，种子光经第一放大器入射到谐振倍频腔内。

进一步地，注入锁定耦合光路还包括前向耦合光路，后向耦合光路与前向耦合光路连接，种子光经前向耦合光路入射到谐振倍频腔内，谐振倍频腔透射输出的基频光经后向耦合光路、前向耦合光路后入射到半导体种子源中。

再进一步地，前向耦合光路包括部分透射反射镜，部分透射反射镜位于半导体种子源和谐振倍频腔之间，种子光经部分透射反射镜入射到谐振倍频腔内，谐振倍频腔透射输出的基频光依次经过后向耦合光路、部分透射反射镜后入射到半导体种子源中；前向耦合光路包括光纤环形器，光纤环形器位于半导体种子源和谐振倍频腔之间，后向耦合光路与光纤环形器连接，种子光经光纤环形器入射到谐振倍频腔内，谐振倍频腔透射输出的基频光依次经过后向耦合光路、光纤环形器后入射到半导体种子源中。

更进一步地，该激光器还包括第二放大器，第二放大器位于光纤环形器与谐振倍频腔之间，种子光经光纤环形器、第二放大器入射到谐振倍频腔内。

更更进一步地，该激光器还包括种子光耦合透镜，种子光耦合透镜位于第二放大器与谐振倍频腔之间，种子光经光纤环形器、第二放大器、种子光耦合透镜入射到谐振倍频腔内。

与现有技术相比，本发明的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器，通过将谐振倍频腔共振时透射输出的基频光经注入锁定耦合光路入射到半导体种子源中形成注入锁定，可使得半导体种子源出射的种子光与谐振倍频腔始终处于共振状态，实现自动谐振倍频。相较于传统谐振倍频激光器，本发明的激光器无需额外的主动光学、电学控制链路即可实现种子光与谐振倍频腔自动谐振，实现持续高效率的透射激光输出，结构简单，且传统需要主动锁定的谐振倍频激光方案中，要求基频光为单频激光，本发明没有这一要求，谐振倍频腔透射输出的基频光在半导体种子源中注入锁定形成多个与谐振倍频腔共振的模式也可以运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的谐振倍频激光器的结构示意图。

图2为本发明一实施例的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器的结构示意图。

图3为本发明另一实施例的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器的结构示意图。

图4为本发明第三实施例的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器的结构示意图。

图5为本发明第四实施例的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器的结构示意图。

图6为本发明第五实施例的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器的结构示意图。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参见图1，图1为传统的谐振倍频激光器的结构示意图。在该图中，谐振倍频激光器包括半导体种子源1’、放大器2’、谐振倍频腔3’和倍频晶体4’，倍频晶体4’位于谐振倍频腔3’内。半导体种子源1’发射的种子光经放大器2’入射到谐振倍频腔3’中，通过倍频晶体4’进行非线性频率变换，产生倍频激光。谐振倍频腔3’由几个对种子光高反射的腔镜构成，利用多光束干涉原理，只有当种子光与谐振倍频腔3’共振时，种子光才能入射到谐振倍频腔3’中，并在腔内多次反射，电场强度成倍增强，通过倍频晶体4’的倍频转换，效率得到极大增加。

但是，由于种子光以及谐振倍频腔的漂移，激光无法时刻与谐振倍频腔共振。为了持续获得高倍频效率，需要采用额外的方法，例如基于HC稳频以及PDH稳频，将谐振倍频腔锁定到激光上，或者将激光锁定到谐振倍频腔上，这需要额外复杂的光学、电学控制链路，增加了复杂度。

请参见图2，图2为本发明一实施例的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器的结构示意图。在本实施例中，谐振倍频激光器包括半导体种子源1、注入锁定耦合光路2、谐振倍频腔3和倍频晶体4。

半导体种子源1用于出射种子光。

倍频晶体4位于谐振倍频腔3内。

种子光入射到谐振倍频腔3内，在谐振倍频腔3内振荡，并通过倍频晶体4的倍频处理后，从谐振倍频腔3透射输出的基频光经注入锁定耦合光路2入射到半导体种子源1中形成注入锁定。

本实施例通过将谐振倍频腔3共振时透射输出的基频光经注入锁定耦合光路2入射到半导体种子源1中形成注入锁定，可使得半导体种子源1出射的种子光与谐振倍频腔3始终处于共振状态，实现自动谐振倍频。相较于传统谐振倍频激光器，本实施例的激光器无需额外的主动光学、电学控制链路即可实现种子光与谐振倍频腔自动谐振，实现持续高效率的透射激光输出，结构简单，且传统需要主动锁定的谐振倍频激光方案中，要求基频光为单频激光，本实施例没有这一要求，谐振倍频腔3透射输出的基频光在半导体种子源1中注入锁定形成多个与谐振倍频腔共振的模式也可以运行。

请参见图3和图4，图3为本发明另一实施例的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器的结构示意图，图4为本发明第三实施例的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器的结构示意图。与图2中实施例相比，在图3和图4的实施例中，注入锁定耦合光路2包括后向耦合光路21，谐振倍频腔3透射输出的基频光通过后向耦合光路21入射到半导体种子源中。

请参见图3，在图3实施例中，后向耦合光路21包括第一后向耦合透镜211，谐振倍频腔3透射输出的基频光经第一后向耦合透镜211入射到半导体种子源1中，通过空间光路将谐振倍频腔3共振时透射输出的基频光入射到半导体种子源1中形成注入锁定。

请参见图4，在图4实施例中，后向耦合光路21包括第二后向耦合透镜212和后向传输光纤213，后向传输光纤213与半导体种子源1连接，第二后向耦合透镜212用于将谐振倍频腔3共振时透射输出的基频光聚焦到后向传输光纤213中，谐振倍频腔3透射输出的基频光经第二后向耦合透镜212和后向传输光纤213后入射到半导体种子源1中。

请继续参见图3和图4，在一优选的实施方式中，谐振倍频腔3为四腔镜折叠型环腔，谐振倍频腔3包括第一腔镜31、第二腔镜32、第三腔镜33和第四腔镜34，倍频晶体4位于第三腔镜33和第四腔镜34之间，种子光从第一腔镜31透射输入，在谐振倍频腔3内振荡，并通过倍频晶体4的倍频处理后，从第一腔镜31或第二腔镜32或第三腔镜33或第四腔镜34透射输出的基频光经后向耦合光路21入射到半导体种子源1中，目标激光从第四腔镜34透射输出。

优选地，后向耦合光路21位于第三腔镜33与半导体种子源1之间，以使后向耦合光路21的路径较短。

请继续参见图3和图4，该激光器还包括第一放大器51，第一放大器51用以对进入其中的激光进行受激辐射放大，增加输出功率，第一放大器51位于半导体种子源1和谐振倍频腔3之间，种子光经第一放大器51入射到谐振倍频腔3内。

在图3实施例中，半导体种子源1和第一放大器51之间为空间光路，在图4实施例中，半导体种子源1和第一放大器51之间通过传输光纤连接。

在实际使用中，后向耦合光路21也可以采用其他结构，只要谐振倍频腔3透射输出的基频光能够通过后向耦合光路21部分入射到半导体种子源1中即可；谐振倍频腔3不限于四腔镜折叠型环腔，也可以是其他结构的谐振倍频腔，谐振倍频腔任一腔镜透射输出的基频光部分通过后向耦合光路21入射到半导体种子源1中形成注入锁定；第一放大器51可以是以半导体材料为增益介质的放大器、以光纤为增益介质的放大器、以固态晶体为增益的放大器等。

请参见图5和图6，图5为本发明第四实施例的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器的结构示意图，图6为本发明第五实施例的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器的结构示意图。与图1中实施例相比，在图5和图6的实施例中，注入锁定耦合光路2包括后向耦合光路21’和前向耦合光路22’，后向耦合光路21’与前向耦合光路22’连接，种子光经前向耦合光路22’入射到谐振倍频腔3内，谐振倍频腔3透射输出的基频光经后向耦合光路21’、前向耦合光路22’后入射到半导体种子源1中。

请参见图5，在图5实施例中，前向耦合光路22’包括部分透射反射镜221’，部分透射反射镜221’位于半导体种子源1和谐振倍频腔3之间，种子光经部分透射反射镜221’入射到谐振倍频腔3内，谐振倍频腔3透射输出的基频光依次经过后向耦合光路21’、部分透射反射镜221’后入射到半导体种子源1中。

后向耦合光路21’可以采用与图3中实施例相同的结构，即后向耦合光路21’包括第一后向耦合透镜211’，谐振倍频腔3透射输出的基频光依次经第一后向耦合透镜211’、部分透射反射镜221’后入射到半导体种子源1中，通过空间光路将谐振倍频腔3共振时透射输出的基频光入射到半导体种子源1中形成注入锁定。

请继续参见图5，该激光器还包括第二放大器52，第二放大器52用以对进入其中的激光进行受激辐射放大，增加输出功率，第二放大器52位于部分透射反射镜221’和谐振倍频腔3之间，种子光经部分透射反射镜221’、第二放大器52后入射到谐振倍频腔3内。

请参见图6，在图6实施例中，前向耦合光路22’包括光纤环形器222’，光纤环形器222’位于半导体种子源1和谐振倍频腔3之间，后向耦合光路21’与光纤环形器222’连接，种子光经光纤环形器222’入射到谐振倍频腔3内，谐振倍频腔3透射输出的基频光依次经过后向耦合光路21’、光纤环形器222’后入射到半导体种子源1中。

后向耦合光路21’可以采用与图4中实施例相同的结构，即后向耦合光路21’包括第二后向耦合透镜212’和后向传输光纤213’，后向传输光纤213’与光纤环形器222’连接，谐振倍频腔3透射输出的基频光依次经过第二后向耦合透镜212’、后向传输光纤213’、光纤环形器222’后入射到半导体种子源1中。

请继续参见图6，该激光器还包括第三放大器53，第三放大器53用以对进入其中的激光进行受激辐射放大，增加输出功率，第三放大器53位于光纤环形器222’和谐振倍频腔3之间，种子光经光纤环形器222’、第三放大器53入射到谐振倍频腔3内。

进一步地，该激光器还包括种子光耦合透镜6，种子光耦合透镜6用于对种子光进行整形，种子光耦合透镜6位于第三放大器53与谐振倍频腔3之间，种子光经光纤环形器222’、第三放大器53、种子光耦合透镜6入射到谐振倍频腔3内。

在图5实施例中，半导体种子源1和部分透射反射镜221’之间、第一后向耦合透镜211’和部分透射反射镜221’之间、部分透射反射镜221’和第二放大器52之间均为空间光路，在图6实施例中，半导体种子源1和光纤环形器222’之间、光纤环形器222’和第三放大器53之间、光纤环形器222’和第二后向耦合透镜212’之间均通过传输光纤连接。

在实际使用中，无论注入锁定形成与否，半导体种子源始终有输出，不会对依赖输入激光功率的放大器造成损坏；前向耦合光路22’也可以采用其他结构，只要能够使部分基频光入射半导体种子源1中、同时输出部分激光即可。

请继续参见图5或图6，谐振倍频腔3可以采用与图3中实施例相同的结构，即谐振倍频腔3为四腔镜折叠型环腔，谐振倍频腔3包括第一腔镜31’、第二腔镜32’、第三腔镜33’和第四腔镜34’，倍频晶体4位于第三腔镜33’和第四腔镜34’之间，种子光从第一腔镜31’透射输入，在谐振倍频腔3内振荡，并通过倍频晶体4的倍频处理后，从第三腔镜33’透射输出的基频光依次经过后向耦合光路21’、前向耦合光路22’后入射到半导体种子源1中，目标激光从第四腔镜34’透射输出。

谐振倍频腔3也可以是其他结构的谐振倍频腔，谐振倍频腔任一腔镜透射输出的基频光部分通过后向耦合光路21’、前向耦合光路22’入射到半导体种子源1中形成注入锁定。

本发明的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器，通过将谐振倍频腔共振时透射输出的基频光经注入锁定耦合光路入射到半导体种子源中形成注入锁定，可使得半导体种子源出射的种子光与谐振倍频腔始终处于共振状态，实现自动谐振倍频。相较于传统谐振倍频激光器，本发明的激光器无需额外的主动光学、电学控制链路即可实现种子光与谐振倍频腔自动谐振，实现持续高效率的透射激光输出，结构简单，且传统需要主动锁定的谐振倍频激光方案中，要求基频光为单频激光，本发明没有这一要求，谐振倍频腔透射输出的基频光在半导体种子源中注入锁定形成多个与谐振倍频腔共振的模式也可以运行。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。此外，上面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器，其特征在于，包括半导体种子源、注入锁定耦合光路、谐振倍频腔和倍频晶体；

所述半导体种子源用于出射种子光；

所述倍频晶体位于所述谐振倍频腔内；

所述种子光入射到所述谐振倍频腔内，在所述谐振倍频腔内振荡，并通过所述倍频晶体的倍频处理后，从所述谐振倍频腔透射输出的基频光经所述注入锁定耦合光路入射到所述半导体种子源中形成注入锁定。

2.如权利要求1所述的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器，其特征在于，所述注入锁定耦合光路包括后向耦合光路，所述谐振倍频腔透射输出的基频光通过所述后向耦合光路入射到所述半导体种子源中。

3.如权利要求2所述的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器，其特征在于，所述后向耦合光路包括第一后向耦合透镜，所述谐振倍频腔透射输出的基频光经所述第一后向耦合透镜入射到所述半导体种子源中。

4.如权利要求2所述的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器，其特征在于，所述后向耦合光路包括第二后向耦合透镜和后向传输光纤，所述后向传输光纤与所述半导体种子源连接，所述谐振倍频腔透射输出的基频光经所述第二后向耦合透镜和所述后向传输光纤后入射到所述半导体种子源中。

5.如权利要求2所述的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器，其特征在于，还包括第一放大器，所述第一放大器位于所述半导体种子源和所述谐振倍频腔之间，所述种子光经所述第一放大器入射到所述谐振倍频腔内。

6.如权利要求2所述的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器，其特征在于，所述注入锁定耦合光路还包括前向耦合光路，所述后向耦合光路与所述前向耦合光路连接，所述种子光经所述前向耦合光路入射到所述谐振倍频腔内，所述谐振倍频腔透射输出的基频光经所述后向耦合光路、所述前向耦合光路后入射到所述半导体种子源中。

7.如权利要求6所述的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器，其特征在于，所述前向耦合光路包括部分透射反射镜，所述部分透射反射镜位于所述半导体种子源和所述谐振倍频腔之间，所述种子光经所述部分透射反射镜入射到所述谐振倍频腔内，所述谐振倍频腔透射输出的基频光依次经过所述后向耦合光路、所述部分透射反射镜后入射到所述半导体种子源中。

8.如权利要求6所述的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器，其特征在于，所述前向耦合光路包括光纤环形器，所述光纤环形器位于所述半导体种子源和所述谐振倍频腔之间，所述后向耦合光路与所述光纤环形器连接，所述种子光经所述光纤环形器入射到所述谐振倍频腔内，所述谐振倍频腔透射输出的基频光依次经过所述后向耦合光路、所述光纤环形器后入射到所述半导体种子源中。

9.如权利要求8所述的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器，其特征在于，还包括第二放大器，所述第二放大器位于所述光纤环形器与所述谐振倍频腔之间，所述种子光经所述光纤环形器、所述第二放大器入射到所述谐振倍频腔内。

10.如权利要求9所述的基于注入锁定半导体种子源的自动谐振倍频激光器，其特征在于，还包括种子光耦合透镜，所述种子光耦合透镜位于所述第二放大器与所述谐振倍频腔之间，所述种子光经所述光纤环形器、所述第二放大器、所述种子光耦合透镜入射到所述谐振倍频腔内。

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