CN206236953U - 一种双频光源 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于光学技术领域，提供一种双频光源，包括泵浦单元、耦合单元及设置于耦合单元的输出光路上的谐振腔单元，谐振腔单元包括共程光路段和非共程光路段，共程光路段设有增益介质，非共程光路段包括独立传输且光程不同的第一分段和第二分段，共程光路段和第一分段构成第一谐振腔，共程光路段和所述第二分段构成第二谐振腔，还包括用于将第一谐振腔产生的第一频率激光和第二谐振腔产生的第二频率激光输出的输出单元。本实用新型采用特殊的谐振腔单元，两个谐振腔共用相同泵浦单元和增益介质，既能够获得不同频率激光，又可采用该双频激光进行外差干涉。其频率调节容易，调节范围大，且抗干扰性强。

Description

一种双频光源

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，特别涉及一种双频光源。

背景技术

激光技术的发展有力的推动了光通信、非线性光学、高分辨光学等领域的发展，尤其在精密干涉测量方面占据了很大优势。精密干涉测量主要以激光波长作为“尺子”，利用干涉原理来测定各种参量，如加速度、位移、角位移等等。由于光波长为nm数量级，因此其分辨精度是电学、磁学元件无法比拟的。激光干涉仪以其特有的大测量范围、高分辨率和高测量精度等优点，在精密和超精密测长领域获得了广泛的应用。激光干涉主要使用的激光器为单频激光器和双频激光器。较早使用的激光测量仪器是以单频激光为基础的单频干涉仪，但该干涉仪受环境因素的影响比较严重，尤其是在测量环境恶劣，测量距离较长时受影响更为突出。主要是因为它产生的是一直流信号，在大距离测量时光能的衰减、空气湍流的存在、背景光强的变化等对激光束的干扰都会使光束发生偏移，不可避免的使激光束强度发生变化，从而导致直流光强和电平的漂移。由于单频干涉仪在测量时很大程度上受直流放大器的漂移、光接收器灵敏度和激光功率起伏的限制，因此单频激光干涉仪在高精度测量中是很难利用的。

在单频激光干涉仪的基础上发展起来的双频激光干涉仪是一种外差干涉仪，其最显著的特点是利用载波技术将被测物理量信息转换成调频或调幅信号，它克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移的问题，具有信号噪声小、抗环境干扰、允许光源多通道复用等诸多优点，被广泛应用于先进制造行业和纳米技术领域作为距离测量、速度测量、振动测量、形貌测量，实时位置测控等。

目前使用的双频激光器主要有塞曼双频激光、双纵模双频激光以及清华大学张书练教授课题组提出的双折射率双频激光。塞曼双频激光利用塞曼效应，该效应是指若把光源放在磁场中，光源发出的谱线将发生分裂的这种现象。塞曼双频激光器输出频差一般在1MHz以下，一般不用于高速精密激光外差干涉测量。双纵模激光器是通过控制激光器的腔长等，实现在一个激光谐振腔中输出两个纵模频率的激光，纵模频差可达600MHz－1GHz(对应的激光管长度为150mm－250mm)。双折射双频激光为在单纵模激光谐振腔内，插入一块具有双折射效应的光学元件如石英晶体、方解石等等，使得腔内的激光分裂成具有不同光学谐振腔长的o光和e光，这两束正交线偏振的双频激光振荡输出，其频差为3－40MHz之间，可通过调节双折射晶体的应力得到所需的频差。

在上述的三种双频激光器中，其共同特点为激光频率调整难度较大，且频率差调整范围较有限，比如塞曼的频差只能在比较小的范围调节，双纵模激光频差只能在比较大的范围调节，而双折射双频只能在中间某个范围调节。另外，这些双频激光器的两个频率的激光谐振腔在几何光路上完全共程，两个频率相互影响，在改变激光器的一个频率时，往往对另外一个频率造成影响，不易调频。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种双频光源，旨在解决传统双频光源频率调节范围小、频率调节困难的问题。

本实用新型是这样实现的，一种双频光源，包括用于产生泵浦光的泵浦单元、谐振腔单元以及用于将所述泵浦光耦合至所述谐振腔单元的耦合单元；所述谐振腔单元包括共程光路段和非共程光路段，所述共程光路段设有增益介质，所述非共程光路段包括独立传输且光程不同的第一分段和第二分段，所述共程光路段和所述第一分段构成第一谐振腔，所述共程光路段和所述第二分段构成第二谐振腔，所述双频光源还包括用于将所述第一谐振腔产生的第一频率激光和所述第二谐振腔产生的第二频率激光输出的输出单元。

作为本实用新型的优选技术方案：

所述共程光路段包括位于所述非共程光路段一侧的第一共程段和位于所述非共程光路段另一侧的第二共程段，所述第一分段和第二分段并列连接于所述第一共程段和第二共程段之间，所述增益介质发出的光经所述第一谐振腔形成所述第一频率激光，所述增益介质发出的光经所述第二谐振腔形成所述第二频率激光。

所述输出单元设置于所述共程光路段。

所述输出单元为可同时输出所述第一频率激光和第二频率激光的输出单元；

或者，所述输出单元包括用于输出第一频率激光的第一输出单元和用于输出第二频率激光的第二输出单元。

所述第一分段和第二分段各设有一所述输出单元。

所述第一分段的一端和第二分段的一端通过第一分光合光单元共同连接于所述共程光路段的一端，所述第一分段的另一端和第二分段的另一端通过第二分光合光单元共同连接于所述共程光路段的另一端。

在所述第一分段和第二分段上各设有一隔离器。

在所述共程光路段设有一单纵模单元，或者在所述第一分段和第二分段各设有一单纵模单元。

在所述第一分段和/或第二分段设有可调衰减单元。

所述共程光路段、第一分段及第二分段的传输媒介均为光纤；

或者，所述共程光路段、第一分段及第二分段的传输媒介均为自由空间；

或者，所述共程光路段的传输媒介为自由空间，所述第一分段及第二分段的传输媒介为光纤；

或者，所述共程光路段的传输媒介为光纤，所述第一分段及第二分段的传输媒介为自由空间。

本实用新型提供的双频光源具有如下优点：

1、该双频光源存在两个谐振腔(第一谐振腔和第二谐振腔)，这两个谐振腔有共同的部分(共程光路段)，也有不同的部分(第一分段和第二分段)，第一分段和第二分段的光程不同导致第一谐振腔和第二谐振腔产生不同的频率，获得双频激光，该双频光源不同于两个独立的单频光源的组合，第一谐振腔和第二谐振腔共用相同的增益介质、相同的泵浦单元，因此产生的双频激光能够实现外差干涉，可用于多种物理量的精密测量，而两个独立的单频激光产生的激光不能发生外差干涉。

2、由于存在非共程光路，第一分段和第二分段相互独立，因此调整其中一个激光谐振腔的频率不会影响另外一个激光谐振腔的频率，因此改变频率便捷，还能实现宽带的频率调节范围；

3、由于存在共程光路段，使得温度等外界环境变化对两个谐振腔的频率影响基本相同，在利用第一频率激光和第二频率激光进行外差干涉时，其频率差值可以抵消这种影响，因此该双频光源具有较强的抗干扰性。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例提供的第一种双频光源结构示意图；

图2是本实用新型第一实施例提供的第二种双频光源结构示意图；

图3是本实用新型第二实施例提供的第一种双频光源结构示意图；

图4是本实用新型第二实施例提供的第二种双频光源结构示意图；

图5是本实用新型第二实施例提供的第三种双频光源结构示意图；

图6是本实用新型第三实施例提供的双频光源结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

以下结合具体实施例对本实用新型的具体实现进行详细描述：

请参考图1，本实用新型实施例提供一种双频光源，具体是一种可产生两种不同频率激光的光源，包括泵浦单元10、耦合单元20，以及谐振腔单元，其中，泵浦单元10发出泵浦光，耦合单元20将泵浦光耦合至谐振腔单元。该谐振腔单元包括共程光路段和非共程光路段，其中，共程光路段设有增益介质30，非共程光路段包括独立传输且光程不同的第一分段401和第二分段402，共程光路段和第一分段401构成第一谐振腔，共程光路段和第二分段402构成第二谐振腔，该双频光源还包括用于将第一谐振腔产生的第一频率激光和第二谐振腔产生的第二频率激光输出的输出单元50。该双频光源是一种双谐振腔光源，即第一谐振腔和第二谐振腔，而这两个谐振腔存在一段共用光路，还存在一段独立的非共用光路，即第一分段401和第二分段402，由于第一分段401和第二分段402的光程不同，使第一谐振腔和第二谐振腔产生频率不同的第一频率激光和第二频率激光。又由于这两个谐振腔共用同一增益介质30和泵浦单元10，使得该双频光源不同于传统的两个单频光源的组合。

具体地，使第一分段401和第二分段402形成一定的光程差的手段有很多，例如第一分段401和第二分段402的传输介质相同而长度不同，或者第一分段401和第二分段402的传输介质相同，长度相同但是在第一分段401或第二分段402上设置一改变光程的晶体等等，本实施例不局限于通过上述手段产生光程差。

本实用新型实施例提供的双频光源具有如下优点：

1.该双频光源存在两个谐振腔(第一谐振腔和第二谐振腔)，这两个谐振腔有共同的部分(共程光路段)，也有不同的部分(第一分段401和第二分段402)，第一分段401和第二分段402的光程不同产生不同的频率，获得双频激光，该双频光源不同于两个独立的单频光源的组合，第一谐振腔和第二谐振腔共用相同的增益介质30、相同的泵浦单元10，因此产生的双频激光能够实现外差干涉，可用于多种物理量的精密测量，而两个独立的单频激光产生的激光不能发生外差干涉。

2.由于存在非共程光路，第一分段401和第二分段402相互独立，因此调整其中一个激光谐振腔的频率不会影响另外一个激光谐振腔的频率，因此改变频率便捷，还能实现宽带的频率调节范围；

3.由于存在共程光路段，使得温度等外界环境变化对两个谐振腔的频率影响基本相同，在利用第一频率激光和第二频率激光进行外差干涉时，其频率差值可以抵消这种影响，因此该双频光源具有较强的抗干扰性。

作为本实用新型实施例的一种改进方案，如图3，当泵浦单元和耦合单元之间为自由空间时，双频光源还包括设置于泵浦单元10和耦合单元20之间的准直聚焦单元60，用于将泵浦光准直并聚焦到耦合单元20中。具体地，该耦合单元20的类型和结构可以根据该双频光源的传输介质(光纤或自由空间)合理选择。

在本实用新型实施例中，共程光路段包括位于增益介质30一侧的第一共程段和位于增益介质30另一侧的第二共程段，也就是说增益介质30位于共程光路段上，而非共程光路段中的第一分段401和第二分段402是并列光路，且连接于第一共程段和第二共程段之间，具体是第一分段401的一端和第二分段402的一端共同连接于第一共程段的一端，第一分段401的另一端和第二分段402的另一端共同连接于第二共程段的一端。增益介质30向第一共程段和第二共程段发光，经第一谐振腔(即第一共程段、第二共程段和第一分段401)形成第一频率激光，经第二谐振腔(第一共程段、第二共程段和第二分段402)形成第二频率激光，第一频率激光和第二频率激光具有不同的频率，可用于外差干涉。

进一步地，第一分段401的一端和第二分段402的一端可以通过第一分光合光单元701共同连接于共程光路段的一端，第一分段401的另一端和第二分段402的另一端可以通过第二分光合光单元702共同连接于共程光路段的另一端。具体地，该第一、第二分光合光单元的类型和结构可以根据该双频光源的传输介质(光纤或自由空间)合理选择。

以下按照不同的传输介质进行划分，通过几个具体实施例对本实用新型进行进一步说明：

实施例一：

如图1，本实用新型第一实施例提供的双频光源，其具有上述双频光源的上述基本结构，此处不进行重复说明。进一步地，在本实施例中，上述共程光路段、第一分段401及第二分段402的传输媒介均为光纤。泵浦单元10通过输入光纤801连接耦合单元20，该耦合单元20可以采用波分复用器，耦合单元20通过第一光纤802连接增益介质30，该增益介质30为独立的增益器件，非共程光路段的两侧分别连接第一光纤802和第二光纤803，在其他实施例中，增益介质30也可以和第一光纤802或者第二光纤803合二为一，即第一光纤802或者第二光纤803中含有增益物质，本身即为增益光纤。该第一光纤802和第二光纤803为共程光路段的传输媒介。第一分段401和第二分段402分别采用第三光纤804和第四光纤805作为传输媒介，第一光纤802的另一端通过第一分光合光单元701连接着第一分段401(第三光纤804)的一端和第二分段402(第四光纤805)的一端，在第二光纤803的另一端通过第二分光合光单元702连接着第一分段401(第三光纤804)的另一端和第二分段402(第四光纤805)的另一端。

在本实施例中，该第一分光合光单元701、第二分光合光单元702可以采用高分光比(如95:5以上)的耦合器，或者采用环形器，环形器是一个多端口器件，其中光在环形器内传输只能沿单方向环行，反方向是隔离的，采用环形器可以准确的使第一频率激光经第三光纤804传输，使第二频率激光经第四光纤805传输。

为了进一步防止第一频率激光和第二频率激光受到逆向激光的干扰，可以在第三光纤804和第四光纤805上各设一个隔离器90。另外，本实施例中的第一频率激光和第二频率激光是反向传输的。

在本实施例中，第一频率激光和第二频率激光由输出单元50输出，具体地，可以在第一分段401和第二分段402(即第三光纤804和第四光纤805)各设置一输出单元50，即第一输出单元501和第二输出单元502，如图2。也可以在共程光路段设置第一输出单元501和第二输出单元502，分别输出第一频率激光和第二频率激光。还可以在共程光路段上设置一个可输出第一频率激光和第二频率激光的输出单元503，如图1。

在本实施例中，激光在谐振腔中传输会有损耗，为了避免第一谐振腔和第二谐振腔的光功率相差过大，可以在第三光纤804和第四光纤805上各设置一个可调衰减单元100，或者在二者之一上设置一个可调衰减单元100。

在本实施例中，还可以在共程光路段的第一光纤802或第二光纤803上设置单纵模单元110，或者在第一分段401和第二分段402(即第三光纤804和第四光纤805)上各设置一单纵模单元110，用于实现激光器的单纵模，以便实现激光的高相干性，甚至接近于理想相干光源。具体地，该单纵模单元110可以是窄带滤波器，也可以是由两个准直透镜和二者之间的F-P干涉仪构成的单元。

实施例二：

本实用新型第二实施例也具有上述双频光源的基本结构，此处不再重复，与实施例一不同的是，本实施例的双频光源的光传输媒介为全自由空间。如图3，上述共程光路段、第一分段401及第二分段402的传输媒介均为自由空间。泵浦单元10输出泵浦光在空气中传输至耦合单元20，或者通过准直聚焦单元60进一步传输至耦合单元20，泵浦光经耦合单元20进入共程光路段。增益介质30位于共程光路段中，具体可以位于第一共程段或者第二共程段上，第一分段401的一端和第二分段402的一端通过第一分光合光单元701共同连接第一共程段的一端，第一分段401的另一端和第二分段402的另一端通过第二分光合光单元702共同连接第二共程段的一端。该第一共程段、第二共程段、第一分段401和第二分段402的传输媒介均为自由空间。

上述增益介质30可以为独立的增益器件，或者，增益介质30采用增益气体，该增益气体由一容器密封，该容器的两端直接无间隙对接于相邻器件，或者，该容器的两端密封且距离相邻器件还有一段自由空间。

进一步地，还可以在泵浦单元10和耦合单元20之间设置准直聚焦单元60。

进一步地，该耦合单元20可以采用双色镜，如图3，泵浦光经双色镜入射进入共程光路段，由若干个反射镜120与该双色镜形成了闭合的光路，该闭合光路的一部分是共程光路段，另一部分是非共程光路段，即第一分段401和第二分段402。共程光路段以非共程光路段为界划分为第一共程段和第二共程段，而第一分段401和第二分段402的两端分别通过第一合光分光单元701和第二合光分光单元702连接于第一共程段和第二共程段之间。第一共程段、第二共程段和第一分段401为第一谐振腔，第一共程段、第二共程段和第二分段402为第二谐振腔。

参考图3，关于激光输出，可以在共程光路段设置一个可输出第一频率激光和第二频率激光的输出单元。具体可以是一输出镜504，其具有两个输出方向。可以直接将第一频率激光和第二频率激光沿着这两个输出方向分别输出。

进一步参考图4，还可以在上述输出镜504之后进一步设置一棱镜505和一半反半透镜506，此时可以将第一频率激光和第二频率激光同向输出。具体地，在输出镜504的一个输出方向设置棱镜505，在该输出镜504的另一输出方向设置半反半透镜506，第一频率激光经过该棱镜505反射至半反半透镜506，第二频率激光由输出镜504直接向半反半透镜506输出，两束激光于半反半透镜506处同方向输出，待使用时进行分离。

进一步参考图5，还可以在第一分段401和第二分段402分别设置一输出单元，即第一输出单元501和第二输出单元502，分别输出第一频率激光和第二频率激光。

在本实施例中，也可以在共程光路段设置第一输出单元501和第二输出单元502，分别输出第一频率激光和第二频率激光，图中未示。

进一步地，还可以如实施例一在第一分段401和第二分段402上各设置一隔离器90。

进一步地，还可以如实施例一在第一分段401和第二分段402上各设置一单纵模单元110，或者在共程光路段设置一单纵模单元110。

进一步地，还可以如实施例一在第一分段401或者第二分段402上设置可调衰减单元100。或者在第一分段401和第二分段402上各设置一可调衰减单元100。

实施例三：

本实用新型第三实施例也具有上述双频光源的基本结构，此处不再重复，与实施例一不同的是，本实施例的双频光源的光传输介质采用光纤和自由空间混合。如图6，上述共程光路段采用自由空间，由双色镜和若干个反射镜120形成环形的光路，第一分段401及第二分段402采用光纤，具体地，第一分段401和第二分段402分别采用第五光纤806和第六光纤807传输。增益介质30位于共程光路段的自由空间，增益介质30可以为独立的增益器件或者采用增益气体，该增益气体由一容器密封，该容器的两端直接无间隙对接于相邻器件，或者，该容器的两端密封且距离相邻器件还有一段自由空间。第五光纤806和第六光纤807的两端分别通过第一合光分光单元701和第二合光分光单元702连接至第一共程段和第二共程段之间。

当然，也可以将共程光路段设置为光纤传输，将第一分段401和第二分段402设置为自由空间传输。此时，增益介质30为独立的增益器件，增益介质30也可以和共程光路段的光纤合二为一，即共程光路段采用增益光纤。

进一步地，关于双频激光的输出，可以在共程光路段设置一个可输出第一频率激光和第二频率激光的输出单元50。也可以在共程光路段设置第一输出单元501和第二输出单元502，分别输出第一频率激光和第二频率激光，还可以在第五光纤806和第六光纤807上分别设置第一输出单元501和第二输出单元502，分别输出第一频率激光和第二频率激光。

具体参考图6，输出单元50设置于共程光路段时，包括一输出镜504、还可以进一步包括一棱镜505和一半反半透镜506，具体地，第一频率激光和第二频率激光可以沿着不同的方向通过输出镜504输出。还可以在输出镜504的一个输出方向设置半反半透镜506，在另一输出方向设置棱镜505，第一频率激光经过该棱镜505反射至半反半透镜506，第二频率激光由输出镜504直接向半反半透镜506输出，两束激光于半反半透镜506处同方向输出，待使用时进行分离。

进一步地，还可以如实施例一在第一分段401和第二分段402上各设置一隔离器90。

进一步地，还可以如实施例一在第一分段401和第二分段402上各设置一单纵模单元110，或者在共程光路段设置一单纵模单元110。

进一步地，还可以如实施例一在第一分段401或者第二分段402上设置可调衰减单元100，或者在第一分段401和第二分段402上均设置一可调衰减单元100。

本实用新型实施例提供的双频光源采用特殊的谐振腔单元，即两个谐振腔共用相同泵浦单元10和增益介质30，即能够获得不同频率激光，又可采用该双频激光进行外差干涉。与传统的双频光源相比，其频率调节容易，调节范围大，且抗干扰性强。

如上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双频光源，其特征在于，包括用于产生泵浦光的泵浦单元、谐振腔单元以及用于将所述泵浦光耦合至所述谐振腔单元的耦合单元；所述谐振腔单元包括共程光路段和非共程光路段，所述共程光路段设有增益介质，所述非共程光路段包括独立传输且光程不同的第一分段和第二分段，所述共程光路段和所述第一分段构成第一谐振腔，所述共程光路段和所述第二分段构成第二谐振腔，所述双频光源还包括用于将所述第一谐振腔产生的第一频率激光和所述第二谐振腔产生的第二频率激光输出的输出单元。

2.如权利要求1所述的双频光源，其特征在于，所述共程光路段包括位于所述非共程光路段一侧的第一共程段和位于所述非共程光路段另一侧的第二共程段，所述第一分段和第二分段并列连接于所述第一共程段和第二共程段之间，所述增益介质发出的光经所述第一谐振腔形成所述第一频率激光，所述增益介质发出的光经所述第二谐振腔形成所述第二频率激光。

3.如权利要求1所述的双频光源，其特征在于，所述输出单元设置于所述共程光路段。

4.如权利要求1所述的双频光源，其特征在于，所述输出单元为可同时输出所述第一频率激光和第二频率激光的输出单元；或者，所述输出单元包括用于输出第一频率激光的第一输出单元和用于输出第二频率激光的第二输出单元。

5.如权利要求1所述的双频光源，其特征在于，所述第一分段和第二分段各设有一所述输出单元。

6.如权利要求1所述的双频光源，其特征在于，所述第一分段的一端和第二分段的一端通过第一分光合光单元共同连接于所述共程光路段的一端，所述第一分段的另一端和第二分段的另一端通过第二分光合光单元共同连接于所述共程光路段的另一端。

7.如权利要求1所述的双频光源，其特征在于，在所述第一分段和第二分段上各设有一隔离器。

8.如权利要求1所述的双频光源，其特征在于，在所述共程光路段设有一单纵模单元，或者在所述第一分段和第二分段各设有一单纵模单元。

9.如权利要求1所述的双频光源，其特征在于，在所述第一分段和/或第二分段设有可调衰减单元。

10.如权利要求1～9任一项所述的双频光源，其特征在于，所述共程光路段、第一分段及第二分段的传输媒介均为光纤；

或者，所述共程光路段、第一分段及第二分段的传输媒介均为自由空间；

或者，所述共程光路段的传输媒介为自由空间，所述第一分段及第二分段的传输媒介为光纤；

或者，所述共程光路段的传输媒介为光纤，所述第一分段及第二分段的传输媒介为自由空间。