窄线宽激光频率线性调谐装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及激光频率调谐，特别是一种窄线宽激光大范围线性频率快速调谐的装 置。
【背景技术】
[0002] 具有窄线宽及大范围快速线性调频能力的激光光源在合成孔径激光雷达、相干激 光通信、高分辨率光谱、射频信号光学产生、原子相干操纵等前沿基础学科和高科技领域有 着重要和广泛的应用需求。经过几十年的发展，激光器的相干性已经得到大幅提高，由激光 器直接输出激光的线宽可W达到1曲Z W下，并且通过外部稳频技术可W将激光线宽进一 步压窄到mz W下；而直接控制激光器腔内元件的外腔半导体激光器可W获得几十乃至上 百纳米的波长调谐，利用腔外部调制器或光学锁相的方法可W实现对激光频率快速灵活的 操控，但如何在保证激光器相干性的同时提高其调频的速度、范围及线性度是目前激光技 术发展面临的一个很大的挑战，故发展腔内或腔外的激光大范围线性调频技术具有重要意 义和应用价值。
[0003]目前激光线性频率调谐的方案主要有：
[0004] 在先方案之一是利用主动光电反馈技术实现激光器的线性调频技术，采用自零差 或自外差探测技术表征调频过程中的非线性，并利用所得到的拍频信号经鉴频电路给出相 对于理想线性调频的偏移，从而获得误差信号反馈到激光器的调频端构成光电反馈环路， 主动控制调频线性化，该方案的调频范围、速度及调频过程中激光的线宽主要由调频激光 器本身决定，且设及到复杂的反馈控制电路，调频的速度会进一步受到反馈控制电路反馈 带宽的限制【吴映，陈迪俊，孙延光，蔡海文，崔荣辉.半导体激光器光电负反馈线性调频 技术研究.中国激光，vol. 40, 0902001，2013】【唐禹，林涛，汪路锋，秦宝，胡眷南.一 种产生激光线性调频信号的方法.201410317540. 2. 2014】。
[0005] 在先方案之二是利用声光调制器（A0M)及电光调制器巧0M)等可调谐移频器 件在激光器外部实现的，通过线性调谐器件的射频驱动信号便可得到快速调频激光。 声光调制器一般用于几百兆赫兹量级的移频，对lOOMHz范围内的频率调谐转换效率高 达90%，但对于上吉赫兹的移频衍射效率会发生下降【J.Biesheuvel,D.W.E.Noom,E. J.Salumbides,K.T.Sheridan,W.Ubachs,J.C.J.Koelemeij.Widelytunablelaser frequencyoffsetlockwith30GHzrangeand5THzoffset.OpticsExpress,v ol. 21，14008-14016, 2013】;电光调制器可w产生大范围的频率调谐，目前已经实现了0. 2s 内120GHz的频率调谐，但是对于电光相位调制器及强度调制器而言，往往会产生高阶边 带而导致信噪比下降，并且理论上其一阶边带转换效率最高只能达到34%，单边带调制器 可W有效地抑制其它边带成份而只保留+1或一1阶边带，但其转换效率理论上最高也只 會b达到58%【D.Y.Kubo,民.Srinivasan,H.Kiuchi,ChenMin咨一Tan咨.Developmentofa Mach-ZehnderModulatorPhotonicLocalOscillatorSource.MicrowaveTheoryand Techniques,IEEETransactionson,vol, 61，3005-3014, 2013】【T.Kawanishi,M.Izutsu. Linear single-sideband modulation for high-SNR wavelength conversion. leee Photonics Technology Letters, vol, 16, 15:34-1536,2004】。该方案可 W在调频过程中保 留激光的窄线宽特性，且调频速度很快，但其调频范围及转换效率较低。
[0006] 在先方案之=是将从激光器通过注入锁定的方法锁定到方案二中经过调制后的 主激光器高阶边带上，该样不仅可W将主激光器的窄线宽、高频率稳定性等完全复制到从 激光器上，有效地提高输出功率，还可臥通过控制E0M驱动频率的方法对从激光器的频 率进行快速夷活地控制，并利用高阶边带效应进行扩频，降低对射频驱动源的要求，目前 已经实现了调频范围15GHz，调频速率2.5THz/s的线性调频。【Fang Wei，Bin Lu，Jian Wang, Dan Xu, Zhengqing Pan,Dijun Chen, Haiwen Cai,民onghui Qu. Precision and broadband frequency swept laser source based on high-order modulation-sideband injection-locking. Optics E邱ress,vol, 23, 4970-4980, 2015】。
[0007] W上方案基本上都设及到复杂的控制电路，搭建难度大，使用需要较高的电子学 技术支持。
【发明内容】
[000引本发明的目的是提出了一种窄线宽激光大范围频率线性调谐的装置。该装置可W 解决常用的激光器频率调谐中存在的非线性问题，可利用银齿波信号驱动直接驱动二次电 光效应相位调制器实现大范围的窄线宽激光快速线性调频。
[0009] 本发明的核屯、思想是：利用二次电光效应材料产生的二次相位调制，结合线性光 频转换技术W实现激光快速调频。由于激光光场相位的导数为激光的频率，在线性光频转 换技术中，若想实现激光的线性调频（即激光频率随时间线性变化），需要光场的相位与时 间成平方关系，而二次电光效应材料的折射率变化刚好与外加电场为平方关系，故利用银 齿波信号驱动二次电光效应材料制成的相位调制器就可W得到与时间成平方关系的周期 性相位信号，如果每个周期内产生的最大相移为2m JT (n为整数），在理论上固定频率的银 齿波就能产生连续的线性调频激光输出，该方法直接直接改变光场的相位引起频率调谐， 响应速度快，转换效率高，并且控制电路简单，调频范围不限。
[0010] 本发明的技术解决方案如下；
[0011] 一种窄线宽激光大范围频率线性调谐的装置，特点在于其构成包括窄线宽激光 器、保偏光纤、光纤准直器、第一 1/2波片、二次电光效应相位调制器、第二1/2波片、光纤禪 合器、任意波形发生器、高压放大器，所述的窄线宽激光器的输出光依次经过保偏光纤及光 纤准直器后输出准直的线偏振光，再经过第一 1/2波片进入到二次电光效应相位调制器中 获得相位调制，所述的相位调制器输出的激光经过第二1/2波长后由光纤禪合器禪合入保 偏光纤中得到线性调频激光输出；所述的任意波形发生器经过高压放大器后得到高压银齿 波信号加载到所述的二次电光效应相位调制器的电压输入端。
[0012] 所述的二次电光效应电光调制器为体光学电光调制器，由上下表面锻金电极的二 次电光效应材料构成，所述的银齿波高压信号可通过上下两个电极对电光材料施加电场， 从而使材料的折射率发生改变并对激光的光场相位进行调制。
[0013] 本发明的特点和优点是：
[0014] 本发明把电光材料的二次电光效应应用到线性光频调谐技术当中，在激光腔的外 部实现线性调频，该样既可w充分地延续单频激光器的高相干性及稳定性，又可w同步实 现激光的快速大范围线性调频，且具有控制电路简单、转换效率高的优点。
[0015] 本发明的具体原理如下；
[0016] 在本发明中，所述的二次电光效应相位调制器为核屯、元件，可采用近两年最新研 究的魄儀酸铅-铁酸铅（PMNT)电光陶瓷或者错铁酸铅铜（PLZT)陶瓷进行制作，该些材料 为典型的二次电光效应陶瓷材料，当在电光陶瓷的两端施加电压后，其材料内部会产生电 场V，则材料的折射率An将会发生如下变化：
[0017]
(1)
[0018] 其中Rrff为有效电光系数，材料的折射率变化与外加电场的平方成正比，对于长度 为L的相位调制器，其附加相位变化有A 4 = A nL。假定待调频的单频激光输入光波的振 幅为E。，角频率为该光通过一个基于二次电光效应的相位调制器，其调制