CN116487995B - 基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器,属于半导体激光器技术领域。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,在多模外腔半导体激光器的输出端光路上设有模间隔锁定回路。通过干涉滤光片能够对激光二极管产生的光束进行选模,衰减片能够调节反馈率,压电陶瓷能够控制腔长,通过多模外腔半导体激光器能够输出多模激光,而模间隔锁定回路则可以将多模激光的模间隔锁定在微波信号上,实现稳定的多模输出。本发明激光器能够输出稳定的多模激光,能够作为多模式的激光参考源,可以用于标定激光频率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器,属于半导体激光器技术领域。
背景技术
半导体激光器广泛用于原子钟领域,通常要求其线宽窄且具有单模可调谐性。为了获取高稳定度的激光频率输出,通常将激光频率锁定到原子参考频率或者超稳腔上,而上述方法中,原子稳频物理结构系统复杂,超稳腔不易集成,给其应用带来不便。此外,常见的单模可调谐外腔半导体激光器往往由于容易跳模而影响其使用,因此单模外腔半导体激光器的稳定性差,限制了其部分应用。
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原子钟。但是上述双频激光是经过电光调制或者声光调制产生的,其系统复杂,且会带来光功率的损失。不过上述研究发现打破了只有单纵模激光才能用于原子钟的认知,传统摒弃的多模激光器不仅可以用于原子钟,还会大大减小系统的复杂度。相比外腔半导体激光器的单模模式,激光器的多模模式条件更容易满足,且对稳定性的要求不那么严格,给半导体激光器研发带来了新的方向。
目前市面上存在部分自由运行的多模激光器,因其频率稳定性较差,模式跳跃严重,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,因此仍然需要研发更稳定的多模激光器。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题,本发明提出了一种基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器,通过在激光器外腔中增加一个衰减片,使激光器工作于多模状态,并通过选模实现激光器的多模输出,在此基础上,通过模间隔锁定技术锁定激光频率,实现高稳定度的多模激光输出。
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模间隔锁定的高稳定度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;所述多模外腔半导体激光器的输出端光路上设有模间隔锁定回路;
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;所述模间隔锁定回路接收多模激光,并对多模激光进行模间隔锁定。
进一步的,所述模间隔锁定回路包括半波片、偏振分光棱镜、高频探测器、微波源、混频器和伺服反馈电路;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;第一束子激光进入高频探测器,经高频探测器探测得到模间隔信号,所述模间隔信号经过混频器后与微波源的参考信号进行相位比较,得到误差信号,所述误差信号经过伺服反馈电路后反馈到多模外腔半导体激光器中,对多模外腔半导体激光器的模间隔进行锁定;第二束子激光作为多模外腔半导体激光器的输出光。
进一步的,所述干涉滤光片透射带宽水平或下凹。
进一步的,所述干涉滤光片透射带宽大于多模外腔半导体激光器的相邻纵模间隔。
进一步的,通过改变衰减片的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,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模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器,通过干涉滤光片进行选模,从激光二极管发射的相干光束中选择多个纵模,通过衰减片控制激光器的反馈率,通过压电陶瓷控制激光器中谐振腔的腔长,最终实现激光器的多模输出。本发明还给激光器增加了模间隔锁定回路,通过模间隔锁定回路能够将模间隔锁定在微波信号上,间接锁定激光频率,实现高稳定度的多模外腔半导体激光器,解决了现有激光器容易跳模、稳定性差的问题。
本发明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的多模激光器,直接得到高稳定的光频信号,可以作为激光参考源。本发明激光器稳定性高,能够应用到原子钟中,减小系统复杂度且易于集成,满足原子钟等高精密设备的应用需求。
附图说明
图1为本发明基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器的结构示意图;
图2为本发明多模外腔半导体激光器的结构示意图;
图3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4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5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,2、半波片,3、偏振分光棱镜,4、高频探测器,5、混频器,6、微波源,7、伺服反馈电路,11、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。
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:
需要说明的是: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。因此,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,并通过压电陶瓷控制谐振腔的腔长。本发明采用透射带宽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,从而使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。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,可以与微波源的标准信号进行相位比较,因此,本发明将多模激光的模间隔锁定在微波信号上,间接锁定激光频率,实现高稳定度的多模外腔半导体激光器。
本发明实施例介绍一种基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器,工作波段为852nm,如图1、2所示,多模外腔半导体激光器1主要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,其中,激光二极管的输出光端面镀有增透膜,干涉滤光片的透射带宽水平或下凹,压电陶瓷设置在激光腔镜上。在多模外腔半导体激光器的输出端光路上设置有模间隔锁定回路,模间隔锁定回路主要包括半波片2、偏振分光棱镜3、高频探测器4、微波源5、混频器6和伺服反馈电路7。
多模外腔半导体激光器1的工作原理如下:工作时,镀增透膜的激光二极管11发出的相干光束,相干光束进入准直透镜12,经过准直透镜12准直为平行光;该平行光经过干涉滤光片14后被选模,得到多个模式;选模后的平行光经衰减片14到达激光腔镜15,经激光腔镜15反射,此时,通过调整激光腔镜15与被选模的平行光的角度,使得激光腔镜14的反射光与被选模入射的平行光共线反向;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,在由激光腔镜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,直至超过预设的激光器振荡阈值,从激光腔镜15后端输出多模激光。
在本发明实施例中,干涉滤光片13透射带宽大于多模激光的相邻纵模间隔,满足透射带宽内存在多个纵模。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,激光会工作在混沌状态,太弱会处于单模状态,只有适中时,才会稳定在多模状态。因此,本发明可以通过旋转衰减片14,获得最佳的反馈率,有利于多纵模的稳定输出。
本发明并不限于采用激光二极管11作为增益介质,也包括其它端面镀了增透膜的固体增益介质。
多模外腔半导体激光器1的选模原理如图3所示,852nm半导体增益介质的增益谱线内包含很多个模式,在内腔中多模激光的相邻纵模间隔为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13后,只有透射带宽内的纵模损耗大大降低且几乎相等,经过激光腔镜15被返回到增益介质中,在激光腔镜15与半导体激光二极管11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,经过外腔的多模激光的相邻纵模间隔为c/2L,L是外腔长度。
在本发明中,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。
现有的理论分析表明,激光模间隔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》),为了实现激光器的高稳定输出,本发明通过对多模激光的模间隔进行锁定,进而同时锁定多个模式。
对多模外腔半导体激光器1进行模间隔锁定的具体操作为:多模外腔半导体激光器1输出的多模激光经半波片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。分光后,第一束子激光进入高频探测器,经高频探测器探测得到模间隔信号,模间隔信号经过混频器后与微波源的参考信号进行相位比较得到误差信号,误差信号经过伺服反馈电路后反馈到多模外腔半导体激光器中,对多模外腔半导体激光器的模间隔(电流和腔长)进行锁定,从而同时实现多个激光模式的频率稳定。分光后,第二束子激光作为多模外腔半导体激光器的输出光。
在本发明中,对于多模外腔半导体激光器1,通过改变激光器电流和温度,能够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,配合模间隔锁定技术,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。介质增益谱线和干涉滤光片透射带宽的匹配,确保了腔镜反馈输出多模外腔半导体激光器的多个模式,且长期稳定工作。
在本发明实施例中,将本发明多模外腔半导体激光器运用到铯原子852nm中,验证本发明的效果。852nm多模外腔半导体激光器输出多个激光模式,腔长L=8.15cm,多模激光的纵模间隔为c/2L=1.84GHz,则852nm多模外腔半导体激光器的模间隔信号如图4所示,图4中横坐标是频率,纵坐标是信号强度。从图4可以看出,在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与铯原子相互作用产生的原子光谱如图5所示,图5中横坐标是频率,纵坐标是幅度,图上显示了铯原子亚多普勒光谱,根据图5可以看出本发明激光器的激光频率可以调谐到铯原子跃迁频率,证明本发明激光器可以用于铯原子钟。
由此可见,本实施例的852nm多模外腔半导体激光器实现了多纵模输出,并且相邻模间隔相等,可以用于激光参考源。并且还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。
本发明提出的创新型结构和原理能够实现基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器,852nm多模外腔半导体激光器模间隔可以锁定在微波源的参考信号上。
本发明多模激光器能够作为多模式的激光参考源,可以用于标定激光频率。与现有技术相比,本发明不需要复杂的原子稳频系统,通过对多模外腔半导体激光器的纵模间隔进行锁定,进而相当于对多个模式同时锁定,实现了一种高稳定的多模外腔半导体激光器,解决了现有激光器容易跳模、稳定性差的问题,能够满足原子钟等高精密设备的应用需求,减小系统复杂度且易于集成。
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 (4)
1.基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器,其特征在于,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;所述多模外腔半导体激光器的输出端光路上设有模间隔锁定回路;
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;所述模间隔锁定回路接收多模激光,并对多模激光进行模间隔锁定;
所述模间隔锁定回路包括半波片、偏振分光棱镜、高频探测器、微波源、混频器和伺服反馈电路;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;第一束子激光进入高频探测器,经高频探测器探测得到模间隔信号,所述模间隔信号经过混频器后与微波源的参考信号进行相位比较,得到误差信号,所述误差信号经过伺服反馈电路后反馈到多模外腔半导体激光器中,对多模外腔半导体激光器的模间隔进行锁定;第二束子激光作为多模外腔半导体激光器的输出光;
通过改变衰减片的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。
2.根据权利要求1所述的基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器,其特征在于,所述干涉滤光片透射带宽水平或下凹。
3.根据权利要求1所述的基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器,其特征在于,所述干涉滤光片透射带宽大于多模外腔半导体激光器的相邻纵模间隔。
4.根据权利要求1所述的基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器,其特征在于,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。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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