CN116759877A - 一种具有双共振腔的多波长激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光器技术领域，尤其是一种具有双共振腔的多波长激光器，通过第一共振腔和第二共振腔耦合连接，调整反射率或位置来改变激光在腔内的传播路径和耦合效应，通过适当的调整，可以降低模式之间的相互影响，从而减轻波长漂移和功率波动；通过调节可变移相器的参数，来调节波长的激光进行放大和增强，可提高输出激光的选择性放大，减少对波长和功率的扰动；通过控制单元精确控制激发源、可变移相器和配置器件的参数，实现对激光输出的稳定性和精确调节，再调整系统参数，通过温度控制不同波长的光信号，来稳定腔长度或折射率，从而减少波长漂移，可以补偿由于热效应引起的波长漂移和功率波动。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其是一种具有双共振腔的多波长激光器。
背景技术
激光器是一种能够产生高度聚焦、相干、单色和高能量的光束的装置，它通过放大、激发和放射光子来实现这一目标。
波长激光器的工作原理是基于激光的自发辐射和反馈效应。每个共振腔包含有放大介质（如激光介质）和选频元件（如光栅或波分复用器）。激光通过这些腔时，选频元件会选择性地增强与其波长匹配的光模式，形成共振条件，从而产生相应波长的激光输出。
由于双振共腔结构中存在多个激光模式的耦合，热效应会导致各模式之间的相互影响，容易引起输出功率和波长的不稳定性，温度变化会引起腔长度或折射率的变化，进而影响激光的选择性放大，造成波长漂移和功率波动。
发明内容
本发明为了解决上述存在的技术问题，提供一种具有双共振腔的多波长激光器。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种具有双共振腔的多波长激光器，包括第一共振腔、第二共振腔、配置器件和控制单元，
第一共振腔包括半导体激光器、反射镜和增益介质，半导体激光器作为激发源产生初始的激光信号，这个激光信号经过反射镜的反射，并在增益介质中得到放大；
第二共振腔与第一共振腔耦合，并进行放大和增强不同波长的激光，第二共振腔中包括可变移相器，通过调节其参数来改变相位差，从而选择和调节波长，可变移相器的存在使得第二共振腔能够对不同波长的激光进行放大和增强；
配置器件用于控制两个共振腔之间的耦合效应，属于是可调谐元件、波导元件，通过调整配置器件的参数和位置，调节从第一共振腔与第二共振的能量传递和耦合效应，从而控制激光输出的波长和特性；
控制单元用于精确控制激光器的激发源、可变移相器和配置器件的参数；通过控制单元，实现对激光输出的稳定性和精确调节，根据需要改变激光器的电流或激光器的温度来调节激发源的参数，实现波长的调节。
作为优选的，所述半导体激光器用于作为激发源，产生初始的激光信号，通过注入电流到半导体激光器中，激活载流子并引起光辐射；
所述反射镜被放置在半导体激光器的一侧，运用反射镜的高反射率来反射半导体激光器的激光信号，将其重新投射回共振腔内，确保激光信号在共振腔中进行来回传播，形成稳定的光学腔模式。
所述增益介质在激光信号经过反射镜的反射后进入增益介质中，再通过光与增益介质的相互作用，再经过受激辐射使激光信号在增益介质中被放大。
作为优选的，所述第一共振腔通过耦合光纤与第二共振腔进行连接，激光信号从第一共振腔传播到第二共振腔，
其中，在第二共振腔中，通过调节参数来改变光信号的相位差，通过调节可变移相器的参数，来调节激光进行放大和增强，当可变移相器的参数被调整时，会改变不同波长的激光在第二共振腔中的相位差，从而选择性地增强或衰减激光信号。
作为优选的，所述可变移相器的参数由电光效应移相器、热光效应移相器和机械移相器影响，
其中，当施加电压V到电光效应移相器上时，其引起电光效应移相器的相位差Δφ使用以下公式计算：Δφ=V×L×r其中，L是可变移相器的长度，r是材料的电光系数。
作为优选的，所述可变移相器还受温度的影响，温度的变化会导致折射率的改变，从而引起相位差的变化，根据双波长激光器的材料特性和结构，存在两个不同波长的光信号，分别为λ1和λ2，热光效应移相器的相位差的计算公式为：
Δφ=ΔT×(dn/dT)×L×(Δn1/λ1-Δn2/λ2)
其中，Δφ是相位差的变化量；ΔT是温度的变化量；(dn/dT)是波导材料的温度系数；L是可变移相器的长度；Δn1和Δn2分别是波导材料在λ1和λ2波长下的折射率变化量。
作为优选的，所述可变移相器的机械移相器通过微调机械位置来调节相位差，机械移相器的调节与具体的几何结构和移动方式有关，机械移相器的相位差通过以下公式计算：Δφ=ΔL×k其中，ΔL是可变移相器的位移或长度变化，k是与具体结构相关的常数。
作为优选的，所述可调谐元件，当光经过可调谐元件时，其反射和透射特性会发生改变，通过调整配置器件的参数和位置，调节从第一共振腔到第二共振腔的能量传递比例和耦合效应强度，
其中，通过改变可调谐元件的反射率或透射率，调节光信号在两个腔体之间的能量传递比例，增加反射率增强能量在第一共振腔和第二共振腔之间的传递，而减小反射率则会降低传递效率，能量传递比例的计算公式：T = |t_m|^2 / (1 - R_1 * R_2 * exp(-2iβL))
t_m是可调谐元件的透射系数。
R_1和R_2分别是主腔和副腔的反射系数。
β是波矢差，与两个腔体的共振频率差相关。
L是两个腔体之间的距离。
作为优选的，所述可调谐元件的调节还影响光信号在两个腔体之间的相互作用强度，通过调整可调谐元件的位置距离或可调谐元件的形状，改变光信号的模式匹配，从而改变耦合效应的强弱，使用几何光学中的透镜或反射镜来控制光束的聚焦或分散，从而调整光信号在元件和腔体之间的匹配程度；
其中通过透镜成像和反射镜成像来计算光束的聚焦位置和焦距，透镜成像计算公式： 1/f = 1/v - 1/u 其中，f代表透镜的焦距，v代表像距，u代表物距；
反射镜成像计算公式： 1/f = 1/v + 1/u 其中，f代表反射镜的焦距，v代表像距，u代表物距。
作为优选的，所述可调谐元件通过调整形状，改变元件对入射光的反射和透射特性，从而影响耦合效应的强弱，控制激光输出的波长和特性。
作为优选的，所述控制单元还包括激光器的电流，用于激光器的输出波长通过调节激光器的注入电流来控制，当电流增加时，激射态能级与基态能级之间的能量差将减小，从而导致输出波长的红移，即是光的波长向长波方向偏移或移动，当电流减小时，能量差增大，导致输出波长的蓝移，即光的波长向短波方向偏移或移动；
激光器的温度通过调节激光器的温度控制输出波长的调节，随着温度升高，折射率降低，波长会向红移；而随着温度降低，折射率增加，波长向蓝移。
有益效果：
本发明通过第一共振腔和第二共振腔耦合连接，调整反射率或位置来改变激光在腔内的传播路径和耦合效应，通过适当的调整，可以降低模式之间的相互影响，从而减轻波长漂移和功率波动；通过调节可变移相器的参数，来调节波长的激光进行放大和增强，可提高输出激光的选择性放大，减少对波长和功率的扰动；通过控制单元精确控制激发源、可变移相器和配置器件的参数，实现对激光输出的稳定性和精确调节，再调整系统参数，通过温度控制不同波长的光信号，来稳定腔长度或折射率，从而减少波长漂移，可以补偿由于热效应引起的波长漂移和功率波动；
配置器件和控制单元的使用可以提供对双振共腔结构中热效应引起的不稳定性的补偿和调节能力，能够减少模式之间的相互干扰，提高激光输出的稳定性、选择性放大和精确调节能力，从而减轻波长漂移和功率波动的问题。
附图说明
图1是本发明的一种具有双共振腔的多波长激光器的第一共振腔结构图；
图2是本发明的一种具有双共振腔的多波长激光器的第二共振腔结构图；
图3是本发明的一种具有双共振腔的多波长激光器的配置器件结构图；
图4是本发明的一种具有双共振腔的多波长激光器的控制单元结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例通过第一共振腔和第二共振腔耦合连接，调整反射率或位置来改变激光在腔内的传播路径和耦合效应，减轻波长漂移和功率波动；通过调节可变移相器的参数，来调节波长的激光进行放大和增强，可提高输出激光的选择性放大，减少对波长和功率的扰动；通过控制单元精确控制激发源、可变移相器和配置器件的参数，实现对激光输出的稳定性和精确调节，再调整系统参数，通过温度控制不同波长的光信号，来稳定腔长度或折射率，从而减少波长漂移，可以补偿由于热效应引起的波长漂移和功率波动。
如图1-图4所示，一种具有双共振腔的多波长激光器,包括第一共振腔、第二共振腔、配置器件和控制单元，
第一共振腔包括半导体激光器、反射镜和增益介质，半导体激光器作为激发源产生初始的激光信号，这个激光信号经过反射镜的反射，并在增益介质中得到放大，增益介质通常是具有放大性质的物质，如光纤或半导体材料。
第二共振腔与第一共振腔耦合，并进一步放大和选择性地增强不同波长的激光，第二共振腔中包含一个可变移相器，通过调节其参数来改变相位差，从而选择和调节波长，可变移相器的存在使得第二共振腔能够对不同波长的激光进行放大和增强。
配置器件用于控制两个共振腔之间的耦合效应，属于是可调谐元件、波导元件，通过调整配置器件的参数和位置，可以调节从第一共振腔与第二共振的能量传递和耦合效应，从而控制激光输出的波长和特性。
控制单元用于精确控制激光器的激发源、可变移相器和配置器件的参数；通过控制单元，可以实现对激光输出的稳定性和精确调节。例如，可以根据需要改变激光器的电流或激光器的温度来调节激发源的参数，以实现波长的调节。
通过调节可变移相器和配置器件的参数，可以选择并增强特定的波长，从而实现同时输出多个不同波长的激光，通过改变可变移相器的参数，调节输出激光的波长，实现精确调谐，再借助增益介质的放大作用，可以实现高功率的激光输出，使激光信号得到更大的增益，获得更高的输出功率，再通过控制单元对激光器的激发源、可变移相器和配置器件等参数进行精确控制，可以实现激光输出的稳定性和精确调节。
所述半导体激光器用于作为激发源，产生初始的激光信号，例如波长、功率和频率，它是激光输出的起点。通过注入电流到半导体激光器中，激活载流子并引起光辐射；
所述反射镜被放置在半导体激光器的一侧，运用反射镜的高反射率来反射半导体激光器的激光信号，将其重新投射回共振腔内，确保激光信号在共振腔中进行来回传播，形成稳定的光学腔模式。
所述增益介质通常是具有放大性质的材料，如光纤或半导体材料。在激光信号经过反射镜的反射后进入增益介质中，再通过光与增益介质的相互作用，再经过受激辐射使激光信号在增益介质中被放大。增益介质的作用是提供激光信号的放大效果。
以半导体激光器为起点，通过两个共振腔和增益介质的配合，实现对激光信号的产生、稳定传播和放大，得到高功率的激光输出。
作为优选的，所述第一共振腔通过耦合光纤与第二共振腔进行连接，激光信号从第一共振腔传播到第二共振腔，
其中，在第二共振腔中，通过调节参数，如电压、温度或机械位置，改变光信号的相位差，通过调节可变移相器的参数，来调节激光进行放大和增强，当可变移相器的参数被调整时，会改变不同波长的激光在第二共振腔中的相位差，从而选择性地增强或衰减激光信号。
为了对不同波长的激光进行放大，通常使用掺杂具有适当能级结构的材料，例如掺铒或掺镱的光纤放大器。这些材料具有特定的吸收峰和发射峰，可以选择性地增强激光信号。
所述可变移相器的参数由电光效应移相器、热光效应移相器和机械移相器影响，调节可变移相器的参数，来调节波长的激光进行放大和增强，提高输出激光的选择性放大，减少对波长和功率的扰动；
其中，当施加电压V到电光效应移相器上时，其引起电光效应移相器的相位差Δφ可以使用以下公式计算：Δφ=V×L×r其中，L是可变移相器的长度，r是材料的电光系数。
所述可变移相器还受温度的影响，温度的变化会导致折射率的改变，从而引起相位差的变化，根据双波长激光器的材料特性和结构，存在两个不同波长的光信号，分别为λ1和λ2，热光效应移相器的相位差的计算公式可以表示为：
Δφ=ΔT×(dn/dT)×L×(Δn1/λ1-Δn2/λ2)
其中，Δφ是相位差的变化量；ΔT是温度的变化量；(dn/dT)是波导材料的温度系数；L是可变移相器的长度；Δn1和Δn2分别是波导材料在λ1和λ2波长下的折射率变化量。
所述可变移相器的机械移相器通过微调机械位置来调节相位差，机械移相器的调节与具体的几何结构和移动方式有关，机械移相器的相位差可以通过以下公式计算：Δφ=ΔL×k其中，ΔL是可变移相器的位移或长度变化，k是与具体结构相关的常数。
所述可调谐元件，当光经过可调谐元件时，其反射和透射特性会发生改变，通过调整配置器件的参数和位置，可以调节从第一共振腔到第二共振腔的能量传递比例和耦合效应强度，
其中，通过改变可调谐元件的反射率或透射率，调节光信号在两个腔体之间的能量传递比例，例如，增加反射率增强能量在第一共振腔和第二共振腔之间的传递，而减小反射率则会降低传递效率，能量传递比例的计算公式：T = |t_m|^2 / (1 - R_1 * R_2 *exp(-2iβL))
t_m是可调谐元件的透射系数。
R_1和R_2分别是主腔和副腔的反射系数。
β是波矢差，与两个腔体的共振频率差相关。
L是两个腔体之间的距离。
所述可调谐元件的调节还影响光信号在两个腔体之间的相互作用强度，通过调整可调谐元件的位置距离或可调谐元件的形状，改变光信号的模式匹配，从而改变耦合效应的强弱，使用几何光学中的透镜或反射镜来控制光束的聚焦或分散，从而调整光信号在元件和腔体之间的匹配程度；
其中通过透镜成像和反射镜成像来计算光束的聚焦位置和焦距，透镜成像计算公式： 1/f = 1/v - 1/u 其中，f代表透镜的焦距，v代表像距（物体到透镜的距离），u代表物距（像到透镜的距离）；
反射镜成像计算公式： 1/f = 1/v + 1/u 其中，f代表反射镜的焦距，v代表像距（物体到反射镜的距离），u代表物距（像到反射镜的距离）。
所述可调谐元件通过调整形状，例如改变其曲率、厚度或介质分布等，改变元件对入射光的反射和透射特性，从而影响耦合效应的强弱，控制激光输出的波长和特性。
所述控制单元还包括激光器的电流，用于激光器的输出波长通过调节激光器的注入电流来控制，当电流增加时，带宽较宽的激射态能级与带宽较窄的基态能级之间的能量差将减小，从而导致输出波长的红移，即是光的波长向长波方向偏移或移动，当电流减小时，能量差增大，导致输出波长的蓝移，即光的波长向短波方向偏移或移动；激光器的温度通过调节激光器的温度控制输出波长的调节，随着温度升高，折射率降低，波长会向红移；而随着温度降低，折射率增加，波长向蓝移。
控制激光器电流和温度可以实现对激光器输出波长的调节，减少波长漂移，可以补偿由于热效应引起的波长漂移和功率波动。
实施例2
本实施例为使用多个独立的激光器，并通过光路组合来实现不同波长的激光输出，每个激光器可以单独控制，互不干扰，可以实现更灵活的波长选择和调节，同时，由于使用了独立的激光器，波长之间的相互影响和干扰较小，可以降低波长漂移和功率波动的影响。
一种具有双共振腔的多波长激光器,包括多激光器配置、光路组合、波长选择和控制单元，
多激光器配置用于选择不同波长的独立激光器，例如选择半导体激光器作为激发源，且每个激光器分别对应一个固定的波长。
光路组合用于将多个激光器的输出光束通过光学器件进行合并和耦合，例如：波分复用器、光栅等，并形成一个共同的输出光路。
波长选择用于通过调节光学器件，如光栅、滤波器、光衰减器等，可对合并后的光束进行波长选择，以实现需要的固定波长输出，而其他波长则被抑制或隔离。
控制单元通过对波长的光束进行调节，使其具有相应的输出功率，还用来精确控制每个激光器的参数，如电流、温度等，以实现激光输出的稳定性和精确调节，使用功率调节器件，例如可变光衰减器、可变光衰减器阵列等。
Claims (10)
1.一种具有双共振腔的多波长激光器，其特征在于：包括第一共振腔、第二共振腔、配置器件和控制单元，
第一共振腔包括半导体激光器、反射镜和增益介质，半导体激光器作为激发源产生初始的激光信号，这个激光信号经过反射镜的反射，并在增益介质中得到放大；
第二共振腔与第一共振腔耦合，并进行放大和增强不同波长的激光，第二共振腔中包括可变移相器，通过调节其参数来改变相位差，从而选择和调节波长，可变移相器的存在使得第二共振腔能够对不同波长的激光进行放大和增强；
配置器件用于控制两个共振腔之间的耦合效应，属于是可调谐元件、波导元件，通过调整配置器件的参数和位置，调节从第一共振腔与第二共振的能量传递和耦合效应，从而控制激光输出的波长和特性；
控制单元用于精确控制激光器的激发源、可变移相器和配置器件的参数；通过控制单元，实现对激光输出的稳定性和精确调节，根据需要改变激光器的电流或激光器的温度来调节激发源的参数，实现波长的调节。
2.根据权利要求1所述的一种具有双共振腔的多波长激光器，其特征在于：所述半导体激光器用于作为激发源，产生初始的激光信号，通过注入电流到半导体激光器中，激活载流子并引起光辐射；
所述反射镜被放置在半导体激光器的一侧，运用反射镜的高反射率来反射半导体激光器的激光信号，将其重新投射回共振腔内，确保激光信号在共振腔中进行来回传播，形成稳定的光学腔模式；
所述增益介质在激光信号经过反射镜的反射后进入增益介质中，再通过光与增益介质的相互作用，再经过受激辐射使激光信号在增益介质中被放大。
3.根据权利要求1所述的一种具有双共振腔的多波长激光器，其特征在于：所述第一共振腔通过耦合光纤与第二共振腔进行连接，激光信号从第一共振腔传播到第二共振腔，
其中，在第二共振腔中通过调节参数来改变光信号的相位差，通过调节可变移相器的参数，来调节激光进行放大和增强，当可变移相器的参数被调整时，会改变不同波长的激光在第二共振腔中的相位差，从而选择性地增强或衰减激光信号。
4.根据权利要求1所述的一种具有双共振腔的多波长激光器，其特征在于：所述可变移相器的参数由电光效应移相器、热光效应移相器和机械移相器影响，
其中，当施加电压V到电光效应移相器上时，其引起电光效应移相器的相位差Δφ使用以下公式计算：Δφ=V×L×r其中，L是可变移相器的长度，r是材料的电光系数。
5.根据权利要求1所述的一种具有双共振腔的多波长激光器，其特征在于：所述可变移相器还受温度的影响，温度的变化会导致折射率的改变，从而引起相位差的变化，根据双波长激光器的材料特性和结构，存在两个不同波长的光信号，分别为λ1和λ2，热光效应移相器的相位差的计算公式为：
Δφ=ΔT×(dn/dT)×L×(Δn1/λ1-Δn2/λ2)
其中，Δφ是相位差的变化量；ΔT是温度的变化量；(dn/dT)是波导材料的温度系数；L是可变移相器的长度；Δn1和Δn2分别是波导材料在λ1和λ2波长下的折射率变化量。
6.根据权利要求4所述的一种具有双共振腔的多波长激光器，其特征在于：所述可变移相器的机械移相器通过微调机械位置来调节相位差，机械移相器的调节与具体的几何结构和移动方式有关，机械移相器的相位差通过以下公式计算：Δφ=ΔL×k其中，ΔL是可变移相器的位移或长度变化，k是与具体结构相关的常数。
7.根据权利要求1所述的一种具有双共振腔的多波长激光器，其特征在于：所述可调谐元件，当光经过可调谐元件时，其反射和透射特性会发生改变，通过调整配置器件的参数和位置，调节从第一共振腔到第二共振腔的能量传递比例和耦合效应强度，
其中，通过改变可调谐元件的反射率或透射率，调节光信号在两个腔体之间的能量传递比例，增加反射率增强能量在第一共振腔和第二共振腔之间的传递，而减小反射率则会降低传递效率，能量传递比例的计算公式：T = |t_m|^2 / (1 - R_1 * R_2 * exp(-2iβL))
t_m是可调谐元件的透射系数；
R_1和R_2分别是主腔和副腔的反射系数；
β是波矢差，与两个腔体的共振频率差相关；
L是两个腔体之间的距离。
8.根据权利要求1所述的一种具有双共振腔的多波长激光器，其特征在于：所述可调谐元件的调节还影响光信号在两个腔体之间的相互作用强度，通过调整可调谐元件的位置距离或可调谐元件的形状，改变光信号的模式匹配，从而改变耦合效应的强弱，使用几何光学中的透镜或反射镜来控制光束的聚焦或分散，从而调整光信号在元件和腔体之间的匹配程度；
其中通过透镜成像和反射镜成像来计算光束的聚焦位置和焦距，透镜成像计算公式：1/f = 1/v - 1/u 其中，f代表透镜的焦距，v代表像距，u代表物距；
反射镜成像计算公式： 1/f = 1/v + 1/u 其中，f代表反射镜的焦距，v代表像距，u代表物距。
9.根据权利要求8所述的一种具有双共振腔的多波长激光器，其特征在于：所述可调谐元件通过调整形状，改变元件对入射光的反射和透射特性，从而影响耦合效应的强弱，控制激光输出的波长和特性。
10.根据权利要求1所述的一种具有双共振腔的多波长激光器，其特征在于：所述控制单元还包括激光器的电流，用于激光器的输出波长通过调节激光器的注入电流来控制，当电流增加时，激射态能级与基态能级之间的能量差将减小，从而导致输出波长的红移，即是光的波长向长波方向偏移或移动，当电流减小时，能量差增大，导致输出波长的蓝移，即光的波长向短波方向偏移或移动；
激光器的温度通过调节激光器的温度控制输出波长的调节，随着温度升高，折射率降低，波长会向红移；而随着温度降低，折射率增加，波长向蓝移。
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