CN116487975A - 基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，包括多模外腔半导体激光器和激光稳频回路；多模外腔半导体激光器包括依序设置在光路上的激光二极管、准直透镜、干涉滤光片、衰减片、激光腔镜和压电陶瓷；激光二极管发出的相干光束经过准直透镜准直后进入干涉滤光片被选模，被选模的平行光经衰减片到达激光腔镜，经激光腔镜反射后得到反射光；反射光在激光腔镜与激光二极管的输出光端面构成的谐振腔中振荡、放大，超过激光器振荡阈值后经激光腔镜输出多模激光；多模激光经激光稳频回路将多模激光的一个模式锁定到原子跃迁频率上。本发明能够直接由光频信号拍频得到微波信号，产生的多模激光稳定性高且易于实现。

Description

基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器

技术领域

本发明涉及一种基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，属于光学微波发生器技术领域。

背景技术

光学微波发生器近年来在时频计量、雷达系统、光纤通信和无线通信系统等领域受到了广泛的研究，进而提出了多种类型的光学微波生成技术，如直接调制半导体激光器，双激光源的光学异调，双波长光纤激光器，单片双波长半导体激光器等，其中，单片集成的双波长半导体激光器为光微波的产生提供了一个集成的解决方案，其降低了系统的复杂度和成本。但是，现有的光学微波生成方法很难得到高光谱纯度的光生微波，为了获取高质量线宽足够窄的微波，研究人员提出了光注入锁定，将光学频率梳锁定到超稳激光上等方法。但超稳激光往往需要将激光锁定到超稳腔上，其系统复杂且不容易集成，与此同时光学频率梳本身结构也很复杂，为各种应用带来不便。

将半导体激光器锁定到量子跃迁参考上可以得到高稳定度的激光器，且容易集成实现小型化，但通常要求其线宽窄且具有单模可调谐性。由于半导体激光器本身腔长很短，它的线宽往往很宽，因此人们采用增加外腔的方式压窄线宽并选模，常见的有光栅外腔半导体激光器和干涉滤光片外腔半导体激光器。干涉滤光片外腔半导体激光器的选模原理如图1所示。半导体增益介质的增益谱线内包含很多个模式，纵模间隔为c/2l，c是光速，l是内腔长度，经过外腔中的干涉滤光片后，只有透射带宽内的纵模损耗大大降低，经过反射镜被返回到增益介质中，在激光腔镜与半导体激光二极管的输出光端面构成的谐振腔中振荡、放大至超过激光器振荡阈值，由于干涉滤光片的透射带宽与增益谱线都存在最高峰，当增益谱线匹配适当时，只有对应最高峰的激光纵模通过模式竞争被输出，即得到单模激光。由于常用的干涉滤光片带宽很难做到极窄，因此透射带宽内会存在很多纵模，最靠近增益谱线中心的模式竞争很激烈，极易发生跳模现象，导致单模外腔半导体激光器的稳定性差，影响其应用。

随着研究的深入，最近研究人员发现了双频激光光谱，具体参见J.Opt.Soc.Am.B38(2),435-440,(2021)，J.Phys.B:At.Mol.Opt.Phys.53,205402(2020)，该研究表明多纵模激光同样可以用于获取原子高精密光谱，这表明多纵模激光器也可以锁定到原子跃迁频率上从而得到高稳定度的多纵模激光。但是上述双频激光是经过电光调制或者声光调制产生的，系统复杂，且会带来光功率的损失，并不适合应用到光生微波系统。但是上述研究表明了打破了只有单纵模激光才能获取原子光谱的认知。

激光器的多模模式条件比较容易满足，目前市面上存在部分自由运行的多模激光器，但是其频率稳定性较差，模式跳跃严重，因此，从未应用于原子光谱，不能作为激光参考源，并且难以满足原子钟等高精密设备的应用。因此需要研究出更稳定的多模激光，应用于原子光谱中。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，在多模外腔半导体激光器增加衰减片，令激光器输出相对稳定的多模激光，通过激光稳频回路对多模激光的一个纵模进行稳频并锁定到原子跃迁频率上，生成高稳定度光学微波，解决现有的激光器容易跳摸的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

本发明提出了一种基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，包括多模外腔半导体激光器和设置在多模外腔半导体激光器输出端的激光稳频回路；其中，所述多模外腔半导体激光器包括依序设置在光路上的激光二极管、准直透镜、干涉滤光片、衰减片、激光腔镜和压电陶瓷；

所述激光二极管发出的相干光束进入准直透镜，经过准直透镜准直为平行光；所述平行光经过干涉滤光片后被选模，得到被选模的平行光；所述被选模的平行光经衰减片到达激光腔镜，经激光腔镜反射后得到与被选模的平行光共线反向的反射光；所述反射光经衰减片、干涉滤光片、准直透镜后返回到激光二极管，反射光在激光腔镜与激光二极管的输出光端面构成的谐振腔中振荡、放大，超过预设的激光器振荡阈值后，经激光腔镜输出多模激光；所述多模激光经激光稳频回路将多模激光的一个模式进行稳频并且锁定到原子跃迁频率上。

进一步的，所述激光稳频回路包括设置在多模外腔半导体激光器的输出端光路上的半波片、偏振分光棱镜、调制转移谱模块、伺服反馈模块和宽带探测器；

所述多模外腔半导体激光器输出的多模激光经半波片射入偏振分光棱镜，被偏振分光棱镜分为2束子激光；第一束子激光进入调制转移谱模块获取原子光谱信号，所述原子光谱信号经伺服反馈模块对第一条子激光的一个模式进行稳频并且锁定到原子跃迁频率上；第二束子激光进入宽带探测器，经宽带探测器获取多模激光的频谱。

进一步的，所述多模外腔半导体激光器中谐振腔腔长的取值范围为3cm-30cm；所述多模激光的相邻纵模间隔的取值范围为500MHz-5GHz。

进一步的，所述干涉滤光片透射带宽水平或下凹，干涉滤光片透射带宽大于10GHz。

进一步的，在多模外腔半导体激光器中，通过改变衰减片角度控制外腔的反馈率，令多模外腔半导体激光器工作在多模状态。

进一步的，在多模外腔半导体激光器中，通过改变多模外腔半导体激光器的电流和温度，调整介质增益谱线与干涉滤光片透射带宽的匹配程度，得到多个损耗和增益相等的纵模。

采用以上技术手段后可以获得以下优势：

本发明提出了一种基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，通过在外腔中增加一个衰减片用于调节反馈率，使其工作与多模状态，采用干涉滤光片从激光二极管发射光束中选出多个纵模，实现激光器的多模输出，并通过激光稳频回路将多模激光中的一个激光模式锁定到原子跃迁频率上，从而同时提高多模激光的频率稳定性，产生高稳定、高光谱纯度的光学微波。本发明解决了现有的半导体激光器容易跳模的问题，产生的多模激光不容易跳模、稳定性高且易于实现，本发明光学微波发生器能够直接由光频信号拍频得到微波信号，且秒稳定度可以达到10^-14，将其运用到相关领域内能够减小系统复杂度、降低系统成本，提高系统性能，应用更广泛。

附图说明

图1为干涉滤光片外腔半导体激光器的选模原理示意图；

图2为本发明基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器的结构示意图；

图3为本发明实施例中多模外腔半导体激光器的结构示意图；

图4为本发明实施例中852nm多模外腔半导体激光器的选模原理示意图；

图5为本发明实施例中852nm多模外腔半导体激光器的频谱信号示意图；

图6为本发明实施例中852nm多模外腔半导体激光器两纵模模式的拍频信号示意图；

图7为本发明实施例中852nm多模外腔半导体激光器与铯原子相互作用产生的原子光谱示意图；

图中，1、多模外腔半导体激光器，11、镀了增透膜的激光二极管，12、准直透镜，13、干涉滤光片，14、衰减片，15、激光腔镜，16、压电陶瓷，2、半波片，3、偏振分光棱镜，4、调制转移谱稳频模块，5、伺服反馈电路，6、宽带探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

由于激光器的单模状态和多模状态不仅与滤光片有关，还与反馈率和腔长有关。特别是腔长会直接决定激光器的纵模间隔，为了得到辨识度较好的原子光谱，需要设计特定的激光腔长，满足相邻纵模间隔大于原子多普勒宽度，并且基态间隔约等于相邻纵模间隔的整数倍。本发明在外腔中增加一个衰减片用于调节反馈率，使其工作于多模状态。采用透射带宽峰值水平或者下凹的滤光片选出增益谱线中心的多个纵模，使其在腔内损耗和增益相等，从而实现半导体激光器在腔内选出多个模式，最终实现激光器的多模输出。本发明用多模激光器输出的部分光束与原子相互作用获取原子高精密光谱，将其中一个激光模式锁定到原子跃迁频率上，从而同时提高多模激光的频率稳定性，由于激光器两两纵模之间都能够产生微波频率下的拍频信号，可以用作信号处理系统中的微波信号源。

基于上述思路，本实施例介绍一种基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，如图1、2所示，包括多模外腔半导体激光器1和激光稳频回路，其中，多模外腔半导体激光器1包括依序设置在光路上的激光二极管11、准直透镜12、干涉滤光片13、衰减片14、激光腔镜15和压电陶瓷16，激光稳频回路包括设置在多模外腔半导体激光器1输出端光路上的半波片2、偏振分光棱镜3、调制转移谱模块4、伺服反馈模块5、宽带探测器6。

在本发明实施例中，激光二极管11的输出光端面上镀有增透膜；干涉滤光片13透射带宽水平或下凹，干涉滤光片13透射带宽大于10GHz，覆盖原子两个基态跃迁范围，满足透射带宽内存在频差为原子基态间隔附近的两个纵模。

在本发明实施例中，增透膜、高反膜、干涉滤光片制作等均为本领域常规技术，本领域技术人员可以根据现有技术的教导在激光二极管上镀增透膜和高反膜，并制备满足相关要求的干涉滤光片。

本发明在激光腔镜15的前后分别设置聚焦透镜和准直透镜，组成“猫眼结构”，可以提高激光器的稳定性。

由于外腔的反馈率会影响激光器的工作模式，反馈率太强，激光器会工作在混沌状态，反馈率太弱，激光器会处于单模状态，只有反馈率适中时，才会稳定在多模状态，因此，本发明在多模外腔半导体激光器1的谐振腔内设置衰减片14，通过旋转衰减片控制外腔的反馈率，使其工作在多模状态。

本发明高稳定度光学微波发生器工作时，多模外腔半导体激光器1中的激光二极管11发出相干光束经过准直透镜12准直为平行光，平行光经过干涉滤光片13后被选模，被选模后的平行光经衰减片14到达激光腔镜15；通过调节激光腔镜15与平行光之间的角度，使得激光腔镜15的反射光与平行光共线反向，反射光全部沿原路返回，经衰减片14、干涉滤光片13、准直透镜12后返回到激光二极管11，在激光腔镜15与激光二极管11的输出光端面构成的谐振腔中振荡、放大，直至超过预先设置的激光器振荡阈值，最终使激光腔镜15处输出多模激光；多模激光经半波片2射入偏振分光棱镜3，被偏振分光棱镜3分为2束子激光；第一束子激光进入调制转移谱模块4获取原子光谱信号，原子光谱信号进入伺服反馈模块5得到伺服控制信号，伺服控制信号反馈回多模外腔半导体激光器1，实现对第一束子激光中一个模式的稳频操作并锁定到原子跃迁频率上；第二束子激光进入宽带探测器6，经宽带探测器6获取多模激光的频谱。在多模外腔半导体激光器1中，通过压电陶瓷16控制谐振腔的腔长，调谐激光频率。

在本发明实施例中，多模外腔半导体激光器1的选模原理如图4所示：半导体增益介质的增益谱线内包含很多个模式，纵模间隔为c/2l，c是光速，l是内腔长度；经过外腔中透射峰水平的干涉滤光片后，只有透射带宽内的纵模损耗大大降低且几乎相等，经过反射镜被返回到增益介质中，在激光腔镜15与激光二极管11的输出光端面构成的谐振腔中振荡、放大，直至超过激光器振荡阈值，由于干涉滤光片13的透射带宽与增益谱线顶部几乎水平，当增益谱线匹配适当时，对应水平峰值处的激光纵模增益和损耗都几乎相等，即得到多模激光，多模激光的相邻纵模间隔为c/2L，L是外腔长度。

在本发明实施例中，多模外腔半导体激光器1的谐振腔的腔长大于3cm，小于30cm，满足纵模间隔c/2L大于500MHz，小于5GHz，从而大于原子多普勒宽度，小于原子基态间隔。

对于本发明的多模外腔半导体激光器1，通过透射带宽水平或下凹的干涉滤光片13和角度可调的衰减片14能够保证多模模式不跳模。通过改变激光器电流和温度，可以调整介质增益谱线与干涉滤光片透射带宽的匹配程度，使得滤光带宽内存在多个损耗和增益相等的纵模，旋转衰减片以获得最佳的反馈率，进而得到多纵模的稳定输出。

在本发明实施例中，将本发明光学微波发生器运用到铯原子852nm中，验证本发明的效果。852nm多模外腔半导体激光器的腔长L＝8.15cm，则纵模间隔为c/2L＝1.84GHz，该852nm多模外腔半导体激光器的频谱信号如图5所示，图中，横坐标是频率，纵坐标是信号强度。根据图5可知，在宽带探测器和频谱仪带宽内出现7个拍频信号，相邻纵模间隔为1.84GHz。铯原子852nm基态F＝3和基态F＝4频率间隔9.2GHz，9.2GHz是1.84GHz的整数倍，图中第5个拍频信号为9.2GHz，因此，证明多模外腔半导体激光器输出的多模激光存在两个纵模间隔等于基态间隔的激光模式。

852nm多模外腔半导体激光器任意两个纵模模式的拍频信号如图6所示，图中，横坐标是频率，纵坐标是幅度。根据图6可知，自由运行条件下两纵模拍频信号的拟合线宽为950Hz，表明纵模之间具有极好的相干性。

852nm多模外腔半导体激光器与铯原子相互作用产生的原子光谱如图7所示，图中，横坐标是频率，纵坐标是幅度，图上标注了对应基态F＝4到F'＝5和基态F＝3到F'＝2的两个峰，方向相反，这是由两个频率间隔约等于基态间隔的纵模与铯原子相互作用产生的。这两个峰对应的激光频率即为原子共振跃迁频率，可以用于调制转移谱锁定激光频率。

根据图5-图7综合分析，本发明实施例的852nm多模外腔半导体激光器实现了多纵模输出，满足相邻纵模间隔大于铯原子多普勒宽度，而且存在两个对应铯原子852nm基态间隔的纵模。852nm多模外腔半导体激光器可以与铯原子相互作用产生铯原子高精密光谱，实现基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，与已有的光学微波发生器存在基于本质的区别。本发明实施例的光学微波发生器能够摆脱光梳，直接由光频信号拍频得到微波信号，且稳定度好很高。

本发明通过实验证实，通过调整电流、干涉滤光片角度以及衰减片，本发明的多模外腔半导体激光器可以获得多个稳定的激光模式，实现多模激光器的稳定输出。

理论分析表明，激光纵模之间拍频频率的稳定度与激光频率稳定度相同(详见中国激光第34卷第9期《基于纵模拍频控制的激光稳频技术》)。本发明通过调制转移谱模块对多模激光的一个模式进行锁定，也即相当于同时锁定多个模式，实现了一种多模外腔半导体激光器实现的高稳定度光学微波发生器。由于多个模式两两之间都能够产生微波频率下的拍频信号，可以用作标准的微波信号源。

本发明首次利用多模外腔半导体激光器这种结构和原理来实现高稳定度光学微波发生器，通过原理和结构改进摆脱光梳，也同时实现了光学频率标准向射频频率标准的传递，直接由光频信号拍频得到微波信号，且秒稳定度可以达到10^-14，比当前最好的微波钟稳定度提升两个量级。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，其特征在于，包括多模外腔半导体激光器和设置在多模外腔半导体激光器输出端的激光稳频回路；其中，所述多模外腔半导体激光器包括依序设置在光路上的激光二极管、准直透镜、干涉滤光片、衰减片、激光腔镜和压电陶瓷；

所述激光二极管发出的相干光束进入准直透镜，经过准直透镜准直为平行光；所述平行光经过干涉滤光片后被选模，得到被选模的平行光；所述被选模的平行光经衰减片到达激光腔镜，经激光腔镜反射后得到与被选模的平行光共线反向的反射光；所述反射光经衰减片、干涉滤光片、准直透镜后返回到激光二极管，反射光在激光腔镜与激光二极管的输出光端面构成的谐振腔中振荡、放大，超过预设的激光器振荡阈值后，经激光腔镜输出多模激光；所述多模激光经激光稳频回路将多模激光的一个模式进行稳频并且锁定到原子跃迁频率上。

2.根据权利要求1所述的基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，其特征在于，所述激光稳频回路包括设置在多模外腔半导体激光器的输出端光路上的半波片、偏振分光棱镜、调制转移谱模块、伺服反馈模块和宽带探测器；

所述多模外腔半导体激光器输出的多模激光经半波片射入偏振分光棱镜，被偏振分光棱镜分为2束子激光；第一束子激光进入调制转移谱模块获取原子光谱信号，所述原子光谱信号经伺服反馈模块对第一条子激光的一个模式进行稳频并且锁定到原子跃迁频率上；第二束子激光进入宽带探测器，经宽带探测器获取多模激光的频谱。

3.根据权利要求1所述的基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，其特征在于，所述多模外腔半导体激光器中谐振腔腔长的取值范围为3cm-30cm；所述多模激光的相邻纵模间隔的取值范围为500MHz-5GHz。

4.根据权利要求1所述的基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，其特征在于，所述干涉滤光片透射带宽水平或下凹，干涉滤光片透射带宽大于10GHz。

5.根据权利要求1所述的基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，其特征在于，在多模外腔半导体激光器中，通过改变衰减片角度控制外腔的反馈率，令多模外腔半导体激光器工作在多模状态。

6.根据权利要求1所述的基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，其特征在于，在多模外腔半导体激光器中，通过改变多模外腔半导体激光器的电流和温度，调整介质增益谱线与干涉滤光片透射带宽的匹配程度，得到多个损耗和增益相等的纵模。