一种基于光学微腔反馈注入锁定的窄线宽倍频激光器的制作方法

1.本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种基于光学微腔反馈注入锁定的窄线宽倍频激光器。


背景技术：

2.紫外及可见光波段激光在现代显示技术、量子科技、冷原子物理、激光探测及生物医学等领域具有不可或缺的作用，紫外及可见光波段的激光源通常为固态激光器和半导体激光器，或者通过红外激光器倍频产生。固态激光器具备极窄的线宽，但是其涉及精密光路设计和机械加工，因此其在稳定性、转换效率、尺寸和成本方面的劣势限制了其应用范围；半导体激光器在体积和成本方面具备显著优势，但面临着输出功率难以提升和线宽难以压窄的问题，虽然利用外腔可以压窄半导体激光器的线宽，形成外腔半导体激光器(ecdl)，但是外腔结构会导致较高的装调难度和成本，从而抵消半导体激光器带来的优势。利用窄线宽红外光纤激光器放大倍频是获得紫外及可见光波段高功率窄线宽光源的有效方式，但是光纤激光器依然面临着体积和成本的制约。
3.以原子物理研究领域中常用的780nm激光源为例，常用方案为dbr半导体激光器和光纤倍频激光器。大功率dbr半导体激光器在转换效率、体积功耗及成本方面性能优越，但是其线宽约为1mhz水平；而红外波段1560nm光纤激光器倍频的方案可以实现较窄的线宽，但是光纤激光器的体积远大于半导体激光器。
4.为此，本发明提出一种基于低成本红外激光器通过微腔反馈注入锁定后倍频获得高性能窄线宽紫外或可见光波段激光的基于光学微腔反馈注入锁定的窄线宽倍频激光器。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光学微腔反馈注入锁定的窄线宽倍频激光器，可以基于低成本激光器(如半导体激光二极管)通过微腔反馈注入锁定后倍频获得高性能窄线宽紫外或可见光波段激光；由于光学微腔的极小尺寸和极高q值，本发明窄线宽激光器可以在显著压窄泵浦光源线宽、降低相位噪声的基础上，同时保持系统较小的体积，较低的系统复杂度，进而也就保证了其具备优异的稳定性和适装性；另外，片上光学微腔的制造工艺与半导体工艺兼容，因此可以将片上光学微腔与半导体激光器进行片上集成，进一步减小系统体积，提升集成度和稳定性。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.一种基于光学微腔反馈注入锁定的窄线宽倍频激光器，包括但不限于泵浦光源、光学微腔、温控装置、光学放大器、隔离器和倍频器，所述泵浦光源用于输出波长为中红外波段、近红外波段、可见光波段、和/或紫外波段的泵浦光；所述温控装置用于控制光学微腔的温度，调节光学微腔的腔长，进而对泵浦光源的输出波长进行微调，实现波长调谐；所述光学微腔与泵浦光源耦合，且泵浦光源和光学微腔之间的距离满足注入锁定的相位条件，泵浦光在进入光学微腔中传播并产生后向散射光信号，后向散射光信号经过光学微腔与泵
浦光源之间的耦合光路反馈至泵浦光源，让泵浦光源实现注入锁定，经反馈注入锁定后，光学微腔输出的光信号依次经过光学放大器、隔离器和倍频器后输出窄线宽的激光。
8.进一步地，所述泵浦光源为激光二极管、dfb半导体激光器、dbr半导体激光器或量子级联激光器。在实际使用过程中，将泵浦光源与光学微腔进行耦合，当泵浦光源的波长与光学微腔的纵模匹配时，泵浦光将被耦合进微腔中，泵浦光在光学微腔中由于后向散射将会有极小一部分光会沿着反方向反馈注入到泵浦光源中；由于微腔具备极高的q值，泵浦光源及后向反馈光源的光信号经过微腔滤波后其线宽将被显著压窄，当泵浦光源谐振腔与微腔之间的相位延迟满足锁定的相位条件时，将会产生注入锁定效应；在注入锁定模式下，泵浦光源中自由运转模式被抑制，其输出光的频率及模式特性将与反馈注入光信号保持一致；经过高q值微腔反馈注入锁定后的泵浦光源输出光信号的线宽将被显著压窄，噪声显著降低；同时利用温控装置调节光学微腔的腔长可以微调泵浦光源的输出波长，实现波长调谐；再经光学放大器、隔离器及倍频器后可以输出高功率窄线宽的激光。
9.进一步地，所述光学微腔为基于氮化硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、融融石英或氟化物材料制作的微盘腔、微球腔或片上微环腔。光学微腔是一种尺寸极小的光学谐振腔，它利用在介质常数不连续的材料界面的反射、散射或衍射，将光能量限制在很小的区域内振荡，从而增加光子寿命，减少光场模式数目，从而获得极高的q值。相比于传统的由反射镜构成的光学谐振腔，光学微腔在品质因素、体积、制作成本、环境适应性等方面均具备巨大优势。光学微腔的形态可以是微球、微盘、微环等，可用于制作光学微腔的材料的种类也有很多，不同的材料具有不同的物理光学特性。光学微球和光学微盘易于制作，而且容易实现很高的q值，如熔融石英微盘可以实现超过10
10
的q值。片上微环腔可用半导体工艺制作，如片上氮化硅微腔制作工艺与cmos工艺兼容，可以实现与波导、泵浦光源及探测器等器件的片上集成，适合大规模商业化批量生产。
10.进一步地，所述光学放大器为稀土掺杂光纤放大器、光纤拉曼放大器、稀土掺杂的固体放大器、固体拉曼放大器或半导体放大器。
11.进一步地，所述隔离器用于防止光学放大器输出光反射回光学放大器造成放大器损伤。
12.进一步地，所述隔离器为空间隔离器或光纤隔离器。
13.进一步地，所述倍频器所用的倍频晶体为周期极化铌酸锂、周期极化钽酸锂、周期极化磷酸钛氧化钾、β-偏硼酸钡、三硼酸锂、硼酸铋、硼酸锂铯或磷酸钛氧钾晶体。
14.进一步地，所述倍频器所用倍频晶体的晶体形态为体块晶体或波导晶体。
15.本发明的有益效果是：本发明一种基于光学微腔反馈注入锁定的窄线宽倍频激光器，可以基于低成本红外激光器(如半导体激光二极管)通过微腔反馈注入锁定后倍频获得高性能窄线宽紫外或可见光波段激光；由于光学微腔的极小尺寸和极高q值，本发明窄线宽激光器可以在显著压窄泵浦光源线宽、降低相位噪声的基础上，同时保持系统较小的体积，较低的系统复杂度，进而也就保证了其具备优异的稳定性和适装性；另外，片上光学微腔的制造工艺与半导体工艺兼容，因此可以将片上光学微腔与半导体激光器进行片上集成，进一步减小系统体积，提升集成度和稳定性。
附图说明
16.图1为本发明窄线宽倍频激光器的光路示意图；
17.图中，1、泵浦光源；2、光学微腔；3、光学放大器；4、隔离器；5、倍频器；6、温控装置。
具体实施方式
18.下面结合具体实施例和附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
19.注入锁定是通过将弱激光信号注入到激光器谐振腔中，谐振腔内在一定条件下能够在注入光频率处建立起稳定振荡，从而抑制激光器自由运转模式，最终将激光器谐振腔内的光场锁定到注入光的频率及模式特性上的技术。利用这一现象可以用一束低功率但性能优良的光信号控制激光器输出的光谱特性及模式相位特性。注入锁定技术可以改善激光器性能，如增大调制带宽、压窄线宽、降低噪声等。
20.如图1所示，一种基于光学微腔反馈注入锁定的窄线宽倍频激光器，包括但不限于泵浦光源1、光学微腔2、温控装置6、光学放大器3、隔离器4和倍频器5，所述泵浦光源1用于输出波长为中红外波段、近红外波段、可见光波段、和/或紫外波段的泵浦光；所述温控装置6用于控制光学微腔2的温度，调节光学微腔2的腔长，进而对泵浦光源1的输出波长进行微调，实现波长调谐；所述光学微腔2与泵浦光源1耦合，且泵浦光源1和光学微腔2之间的距离满足注入锁定的相位条件，泵浦光在进入光学微腔2中传播并产生后向散射光信号，后向散射光信号经过光学微腔2与泵浦光源1之间的耦合光路反馈至泵浦光源1，让泵浦光源1实现注入锁定，经反馈注入锁定后，光学微腔1输出的光信号依次经过光学放大器3、隔离器4和倍频器5后输出窄线宽的激光。
21.具体地，所述泵浦光源1为激光二极管、dfb半导体激光器、dbr半导体激光器或量子级联激光器。在实际使用过程中，将泵浦光源1与光学微腔2进行耦合，当泵浦光源1的波长与光学微腔2的纵模匹配时，泵浦光将被耦合进光学微腔2中，泵浦光在光学微腔2中由于后向散射将会有极小一部分光会沿着反方向反馈注入到泵浦光源1中；由于微腔具备极高的q值，泵浦光源1及后向反馈光源的光信号经过微腔2滤波后其线宽将被显著压窄，当泵浦光源1谐振腔与光学微腔2之间的相位延迟满足锁定的相位条件时，将会产生注入锁定效应；在注入锁定模式下，泵浦光源1中自由运转模式被抑制，其输出光的频率及模式特性将与反馈注入光信号保持一致；经过高q值光学微腔2反馈注入锁定后的泵浦光源1输出光信号的线宽将被显著压窄，噪声显著降低；同时利用温控装置6调节光学微腔2的腔长可以微调泵浦光源1的输出波长，实现波长调谐；再经光学放大器3、隔离器4及倍频器5后可以输出高功率窄线宽的激光。在一个优选实施例中，在不要求高功率的情况下，可以省略光学放大器3和隔离器4；在不要求输出倍频波长的情况下，可以省略倍频装置5。
22.具体地，所述光学微腔2为基于氮化硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、融融石英或氟化物材料制作的微盘腔、微球腔或片上微环腔。光学微腔2是一种尺寸极小的光学谐振腔，它利用在介质常数不连续的材料界面的反射、散射或衍射，将光能量限制在很小的区域内振荡，从而增加光子寿命，减少光场模式数目，从而获得极高的q值。相比于传统的由反射镜构成的光学谐振腔，光学微腔2在品质因素、体积、制作成本、环境适应性等方面均具备巨大优势。光学微腔2的形态可以是微球、微盘、微环等，可用于制作光学微腔的材料的种类也有
很多，不同的材料具有不同的物理光学特性。光学微球和光学微盘易于制作，而且容易实现很高的q值，如熔融石英微盘可以实现超过10
10
的q值。片上微环腔可用半导体工艺制作，如片上氮化硅微腔制作工艺与cmos工艺兼容，可以实现与波导、泵浦光源及探测器等器件的片上集成，适合大规模商业化批量生产。
23.具体地，所述光学放大器3为稀土掺杂光纤放大器、光纤拉曼放大器、稀土掺杂的固体放大器、固体拉曼放大器或半导体放大器。
24.具体地，所述隔离器4用于防止光学放大器输出光反射回光学放大器造成放大器损伤。
25.具体地，所述隔离器4为空间隔离器或光纤隔离器。
26.具体地，所述倍频器5所用的倍频晶体为周期极化铌酸锂、周期极化钽酸锂、周期极化磷酸钛氧化钾、β-偏硼酸钡、三硼酸锂、硼酸铋、硼酸锂铯或磷酸钛氧钾晶体。
27.具体地，所述倍频器5所用倍频晶体的晶体形态为体块晶体或波导晶体。
28.实施例1
29.将线宽在ghz量级的1560nm波长的普通激光二极管与q值为107的片上氮化硅微腔进行耦合，微腔中的后向散射光经过微腔自身滤波后其线宽被显著压窄、噪声显著降低，通过调整激光二极管与微腔之间的距离使得反馈回路具备合适的相位延迟量，后向散射光通过耦合光路反馈到激光二极管中实现注入锁定，使得二极管输出光的线宽也被显著压窄至低于mhz量级，同时相位噪声降低13db以上。经反馈注入锁定后的光信号经过光学放大及倍频即可实现高功率窄线宽的780nm激光输出。
30.实施例2
31.将线宽在ghz量级的515nm波长的商用激光二极管与q值为109的片上二氧化硅微腔进行耦合，通过调整激光二极管与微腔之间的距离使得反馈回路具备合适的相位延迟量，微腔中的后向散射光通过耦合光路反馈到激光二极管中实现注入锁定，使得二极管输出光的线宽被显著压窄至100khz量级，同时相位噪声降低22db以上。
32.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。