CN110854659B - 双频法拉第半导体激光器及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双频法拉第半导体激光器，包括激光二极管(1)、准直透镜(2)、法拉第原子滤光器和激光腔镜(7)，所述法拉第原子滤光器包括第一偏振分光棱镜(3)、碱金属原子气室(4)和第二偏振分光棱镜(5)；激光二极管(1)的输出光入射碱金属原子气室(4)后被选出两个激光模式，调节激光腔镜(7)与入射光之间的角度，使激光腔镜(7)的反射光返回到半导体激光二极管(1)，在谐振腔中振荡、放大至超过激光器振荡阈值，使第一偏振分光棱镜或第二偏振分光棱镜处输出双频激光。通过改变原子气室的温度和磁场条件能够实现双频半导体激光器输出频率的可调谐性，且透射谱包含两个稳定且透射率相近的透射峰，能够长期稳定工作。

Description

双频法拉第半导体激光器及其实现方法
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种利用法拉第原子滤光器选频来实现双波长半导体激光器。
背景技术
双波长激光器是一种能够在一个装置中产生两个激光波长的激光器。波长间隔较大的双波长激光器可以在单个器件中提供双重用途，从而实现成本效益、效率和通用性的提高。
双波长激光器在许多领域都有着广泛的应用，如超快光通信、波分复用和太赫兹辐射产生等。传统的双波长激光器主要基于光纤激光器和固体激光器。虽然光纤激光器具有诸如窄线宽和低噪声等吸引人的特性，但它们通常需要使用诸如分布式布拉格反射镜之类的滤光元件来选择激光模式。因此，大多数这类激光器都是由相对较长的腔构成的，这可能使在每个期望的波长处获得单一的纵模变得困难，并且具有随机性。另一方面，双波长固体激光器通常需要泵浦光作用于激光介质，基于激光介质的发射谱的两个发射峰实现双波长输出，激光介质如掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG），掺钕氟化钇锂（Nd：YLF），掺钕钒酸钇（Nd：YVO），掺钕铝酸钇(Nd：YAP)，掺铒钇铝石榴石（Er：YAG）等；或采用基于激光介质的宽带发射光谱的激光器发射的光，如钛宝石激光器，然后通过选频器件实现双波长运转。另外，谐波发生器和参量振荡器等非线性光学器件，也提供了一种对现有激光源的频率范围进行扩展的方法；除此之外还有基于外腔的使用非线性晶体元件选择波长的双波长半导体激光器。
近几年，基于法拉第原子滤光器选模的半导体激光器被提出，根据报道，这种激光器输出的单一频率对激光二极管的电流和温度变化不敏感，具有很好的稳定性。还有报道采用只有一个频率透射峰的级联原子滤光器滤光的方法，激光输出频率始终为单一稳定频率，尚未发现能够实现稳定双频输出的激光器。
随着双波长激光器在光通信、光动力学医疗、光计算、非线性频率变换、环境监测、激光遥感、激光雷达及光谱学研究等许多重要领域越来越广泛的应用，双波长激光器已经成为重要的研究方向。目前，很多应用都正在寻找新的激光设备，多波长激光器的概念从激光的早期就已经存在了，但其在激光领域的地位仍然相当模糊。探索这些多波长激光器件的机会可能为寻找多波长、多任务器件的新应用领域铺平道路。
发明内容
本发明目的是克服现有技术缺陷，提供一种结构简单、具备稳定的双频输出的半导体激光器。
本发明的思路是采用法拉第原子滤光技术，基于法拉第原子滤光器在特定的温度和磁场条件下，其透射谱包含两个透射率相近的透射峰，从而实现在半导体激光内腔选出两个激光模式，最终实现激光器的双频输出，从而产生微波频率下的拍频信号，进而用作信号处理***中的微波信号源。
基于上述思路，本发明提供双频法拉第半导体激光器，所述激光器包括依序设置在光路上的激光二极管1、准直透镜2、法拉第原子滤光器、激光腔镜7和压电陶瓷8，其中在所述激光二极管1的输出光端面镀增透膜；所述法拉第原子滤光器包括依序设置的第一偏振分光棱镜3、碱金属原子气室4和第二偏振分光棱镜5，通过永磁体5向碱金属原子气室4施加轴向静磁场，且第一偏振分光棱镜3与第二偏振分光棱镜5的位置关系为正交；
所述激光二极管1发出相干光束经过准直透镜2准直为平行光，所述平行光经过第一偏振分光棱镜1后得到与激光二极管1出射方向相同的水平偏振光或垂直偏振光，入射碱金属原子气室4后被选模，经第二偏振分光棱镜5到达激光腔镜7；通过调节激光腔镜7与入射光之间的角度，使得激光腔镜7的反射光与入射光共线反向，所述反射光经第二偏振分光棱镜5、原子气室4、第一偏振分光棱镜3、准直透镜2后返回到半导体激光二极管1，在激光腔镜7与半导体激光二极管1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，使第一偏振分光棱镜或第二偏振分光棱镜处输出双波长激光。
在本发明中，所述碱金属原子气室内充铷原子或铯原子。
根据一种优选的实施方式，在激光腔镜7上设置压电陶瓷8，通过压电陶瓷8调节所述谐振腔的腔长。
本发明的双频法拉第半导体激光器的透射谱包含两个透射率相近的透射峰，且所述两个透射峰间距为5GHz-10GHz。
根据另一种优选的实施方式，增益介质可以有多种选择，例如采用端面镀了增透膜的固体增益介质替代半导体激光二极管作为增益介质。
根据另一种优选的实施方式，可以用充缓冲气体原子气室替代真空原子气室，从而增加透射谱带宽。
作为一种特别优选的实施方式，碱金属原子气室4内充铯原子，原子气室温度为36-53℃，通过永磁体5向原子气室施加300-350高斯磁场。
作为另一种特别优选的实施方式，碱金属原子气室4内充5乇氩气作为缓冲气体，原子气室温度为43-55℃，通过永磁体5向原子气室施加500-700高斯磁场。
可选地，还可以在激光二极管1的另一面镀高反膜。
在本发明中，增透膜、高反膜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。
通过改变半导体激光二极管的放置位置可以获得水平或垂直方向的出射光，在满足第一偏振分光棱镜3与第二偏振分光棱镜5为正交位置关系的情况下，本发明的半导体激光器有两种实现方式：
第一种，激光二极管1发出水平偏振的相干光束，经过准直透镜准直成为平行光，入射至第一偏振分光棱镜后获得水平偏振光，该水平偏振光经过原子气室4选模，被选模的入射光偏振方向转换成垂直偏振光，未被选模的入射光偏振方向依然是水平偏振光。因此，被选模的得到的垂直偏振光入射至第二偏振分光棱镜后到达激光腔镜7，而未被选模的水平偏正光第二偏振分光棱镜5反射输出。通过调整激光腔镜7与被选模的入射光的角度，使得激光腔镜7的反射光与被选模入射光共线反向，反射光全部沿原光路返回到半导体激光二极管，在由半导体激光二极管输出光端面与激光腔镜组成的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，使得被第二偏振分光棱镜反射输出的光直接输出作为输出激光。
另一种，区别在于改变激光二极管1的放置位置，使之发出垂直方向相干光束，被准直为垂直平行光后入射至第一偏振分光棱镜后获得垂直偏振光。由于镀增透膜的激光二极管1发出的垂直偏振相干光束含有少部分水平偏振光，这部分水平偏振光经过第一偏振分光棱镜3时被反射输出。透过第一偏振分光棱镜的垂直光作为入射光，经过原子气室4被选模，被选模的入射光偏振方向转换成水平偏振光，因此被选模的光透过第二偏振分光棱镜5到达激光腔镜7，通过调整激光腔镜7与被选模入射光的角度，使得激光腔镜7的反射光与被选模入射光共线反向，然后反射光全部沿原光路返回到半导体激光二极管1，在由半导体激光二极管1输出光端面与激光腔镜7组成的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，使得被第一偏振分光棱镜反射输出的光直接输出作为输出激光。
本发明通过实验证实，通过调整温度和磁场条件，本发明的法拉第原子滤光器的透射谱可以获得两个稳定且透射率相近的透射峰，从而选出两个激光模式，实现双波长激光器的稳定输出。
进一步地，本发明还证实通过改变法拉第原子滤光器中原子气室的温度和磁场条件，可以改变所述法拉第原子滤光器的两个透射峰对应的频率，从而改变选出的两个激光模式，实现双频半导体激光器输出频率的可调谐性。本发明采用镀增透膜的激光二极管配合由法拉第原子滤光器和激光腔镜反馈的方法，实现了一种双频法拉第半导体激光器。由于法拉第原子滤光器工作在特定的温度和磁场条件下时，法拉第原子滤光器的透射谱包含两个稳定且透射率相近的透射峰，从而确保激光腔镜反馈输出双频法拉第半导体激光器的频率分别对应法拉第原子滤光器的双透射峰，且能够长期稳定工作。
在本发明中，镀增透膜的激光二极管由于没有内腔模的竞争，其输出频率对外界环境因素、二极管的工作温度、二极管的工作电流等因素的波动噪声有很好的免疫能力，双频激光能够长期连续地工作在法拉第原子滤光器透射谱的双透射峰对应的频率上。本发明创造性地采用法拉第原子滤光器实现双频激光输出，当改变所述法拉第原子滤光器中原子气室的温度和磁场条件时，可以改变所述法拉第原子滤光器的两个透射峰对应的频率，从而改变选出的两个激光模式，实现双频半导体激光器输出波长的可调谐性。
附图说明
图1 为实施例1的铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器；
图2 为实施例2的铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器；
图3 为实施例1的铯原子852nm法拉第反常色散原子滤光器的透射谱；
图4 为实施例1的铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器与单频852 nm干涉滤光片外腔半导体激光器的拍频信号；
图5为实施例1的铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器输出两个激光模式的拍频信号中心频率与铯原子气室温度的变化关系；
图6为实施例1的铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器输出双波长激光的拍频信号线宽与法拉第反常色散原子滤光器温度的变化关系；
图7为实施例3的铯原子852nm法拉第原子滤光器的透射谱。
其中：1、镀了增透膜的激光二极管，2、准直透镜，3、第一偏振分光棱镜，4、铯原子气室， 5、永磁铁，6、第二偏振分光棱镜，7、激光腔镜，8、压电陶瓷。
具体实施方式
以下实施例用于非限制性地解释本发明的技术方案。
实施例1
铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器如图1所示，包括依序设置在光路上的激光二极管1、准直透镜2、第一偏振分光棱镜3、长3厘米、直径1.5厘米的圆柱形铯原子气室4、第二偏振分光棱镜6、激光腔镜7和设置在激光腔镜7上的压电陶瓷8，其中，铯原子气室外设置永磁体5，铯原子气室4、永磁体5和位于两侧的偏振分光棱镜构成铯原子法拉第原子滤光器。在激光二极管1的输出光端面镀增透膜、另一面镀高反膜，并将第一、第二偏振分光棱镜放置为正交关系。
工作时，镀增透膜的激光二极管1发出水平偏振的相干光束，经过准直透镜2被准直为平行光，该平行光作为铯原子法拉第原子滤光器的入射光，经过第一偏振分光棱镜3后依然是水平偏振光，再被铯原子气室4选模。被选模的入射光偏振方向转换成垂直偏振光，未被选模的入射光偏振方向不变、依然是水平偏振光，因此，被选模的垂直偏振光透过第二偏振分光棱镜6到达激光腔镜7，而未被选模的水平偏振光被第二偏振分光棱镜6反射输出。
调整激光腔镜7与被选模的垂直偏正光入射光的角度，使得激光腔镜7的反射光与被选模入射光共线反向，被激光腔镜7反射的光全部沿原路返回到镀增透膜的半导体激光二极管1，在由半导体激光二极管1输出光端面与激光腔镜7组成的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，使得被第二偏振分光棱镜6反射输出的光直接输出作为输出激光。
这样，在36-53℃温度和300-350高斯磁场条件下，验证了本实施例的铯原子法拉第反常色散原子滤光器的透射谱包含两个稳定且透射率相近的透射峰，从而选出两个激光模式，实现铯原子852 nm双波长激光器的稳定输出。在该温度和磁场条件范围内，调整铯原子法拉第反常色散原子滤光器中铯原子气室的温度和磁场条件，可以改变这两个透射峰对应的频率，从而改变选出的两个激光模式，实现铯原子852 nm双波长半导体激光器输出波长的可调谐性。
图3给出了不同的原子气室温度和磁场强度条件下，铯原子852nm法拉第反常色散原子滤光器的透射谱，横坐标是频率，纵坐标是透射率，其中左图对应铯原子852 nm 基态F=3跃迁的透射谱，右图对应铯原子852 nm基态F=4跃迁的透射谱，从第一组图可以看出基态F=3和基态F=4频率间隔9.19GHz，即铯原子852nm法拉第反常色散原子滤光器的透射谱包含基态F=3跃迁和基态F=4跃迁处的两个透射峰。第二组图对应温度43℃、磁场330高斯时，铯原子852nm法拉第原子滤光器的透射谱包含基态F=3跃迁和基态F=4跃迁处的两个透射峰。第三组图对应温度53℃、磁场330高斯时的透射峰，虽然包含很多小峰，但F=4和F=3明显分别有两个最高的峰，也可以输出双频激光。
铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器与通过现有技术实现的单频852 nm干涉滤光片外腔半导体激光器的拍频信号如图4所示。横坐标是频率，纵坐标是信号强度，由于本实施例的铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器输出两个激光波长，分别对应基态F=3和F=4跃迁，将单频852 nm干涉滤光片外腔半导体激光器波长调节到与基态F=4对应，如图所示，出现四个拍频信号，从左到右依次是：单频852 nm干涉滤光片外腔半导体激光器与铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器F=4激光模式的拍频信号；第一个信号与第三个信号的拍频信号；铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器F=3激光模式与F=4激光模式的拍频信号；单频852 nm干涉滤光片外腔半导体激光器与铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器F=3激光模式的拍频信号。
由此可见，本实施例的铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器实现了双波长输出，而且分别对应铯原子852nm法拉第反常色散原子滤光器的透射谱包含基态F=3跃迁和基态F=4跃迁处的两个透射峰。
考察铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器输出两个激光模式的拍频信号中心频率与铯原子气室温度的变化关系，如图5所示。横坐标为铯原子气室温度，纵坐标为频率。
由图5可见，通过调整铯原子气室的温度，双波长激光两个模式间隔会随温度变化，从而实现铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器输出波长的可调谐性。
进一步考察的铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器输出双波长激光的拍频信号线宽与铯原子气室温度的变化关系，如图6所示。横坐标为铯原子气室温度，纵坐标为线宽。
由图6可见，通过调整铯原子气室温度，双波长激光两个模式激光线宽会发生一定变化，但基本处于约1kHz，证明了铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器在36-53℃温度和300-350高斯磁场条件下输出激光的窄线宽特性。
实施例 2
如图2所示的铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器，用于说明另一种第一、第二偏振分光棱镜的位置关系。
与实施例1不同的是改变了激光二极管的设置方向使其输出光为垂直偏振的相干光束，并使第一偏振分光棱镜的设置方向随激光二极管而改变（同时为了保持第二偏振分光棱镜与之正交，第二偏振分光棱镜的放置角度也随之改变）。
这样，镀增透膜的激光二极管1的发出的垂直偏振的相干光束经准直透镜准直后成为垂直偏振光，使垂直偏振光入射至第一偏振分光棱镜后，出射的依然是垂直偏振光，由于所述镀了增透膜的激光二极管1发出的垂直偏振相干光束中含有部分水平偏振光，这部分水平偏振光经过第一偏振分光棱镜3时被反射输出。第一偏振分光棱镜出射的垂直光作为入射光，经过原子气室4被选模，被选模的入射光偏振方向转换成水平偏振光，因此被选模的光透过第二偏振分光棱镜5到达激光腔镜7，通过调整激光腔镜7与被选模入射光的角度，使得激光腔镜7的反射光与被选模入射光共线反向，然后反射光全部沿原光路返回到半导体激光二极管1，在由半导体激光二极管1输出光端面与激光腔镜7组成的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，使得被第一偏振分光棱镜反射输出的光直接输出作为输出激光。
实施例 3
与实施例1相同结构和位置关系的双频法拉第半导体激光器，区别在于铯原子气室内充5乇氩气作为缓冲气体，在磁场500-700高斯、温度从43-55℃条件下验证其透射谱如图7所示，确认同样可以获得稳定的双频激光输出。
以上实施例表明铯原子852 nm双频法拉第半导体激光器中所用的频率控制单元是包含基态F=3跃迁和基态F=4跃迁处的两个透射峰的铯原子852nm法拉第反常色散原子滤光器，本发明首次利用这种创新型结构和原理来实现双波长半导体激光器，与已有的双波长激光器波长存在基于本质的区别。
应当指出的是，本发明并不限于采用激光二极管作为增益介质，也包括其它的端面镀了增透膜固体增益介质。本发明也不限于铯原子，同样适用于各种具有双透射峰碱金属原子滤光器对应的所有可能谱线。

Claims (4)

1.双频法拉第半导体激光器，所述激光器包括依序设置在光路上的激光二极管（1）、准直透镜（2）、法拉第原子滤光器和激光腔镜（7），其特征在于在所述激光二极管（1）的输出光端面镀增透膜；所述法拉第原子滤光器包括依序设置的第一偏振分光棱镜（3）、碱金属原子气室（4）和第二偏振分光棱镜（5），所述碱金属原子气室（4）内充铯原子，通过永磁体（5）向碱金属原子气室（4）施加轴向静磁场，且第一偏振分光棱镜（3）与第二偏振分光棱镜（5）的位置关系为正交；
其中，碱金属原子气室（4）内充铯原子，原子气室温度为36-53℃，通过永磁体（5）向原子气室施加300-350高斯磁场；或
碱金属原子气室（4）内充5乇氩气作为缓冲气体，原子气室温度为43-55℃，通过永磁体（5）向原子气室施加500-700高斯磁场；
所述激光二极管（1）发出相干光束经过准直透镜（2）准直为平行光，所述平行光经过第一偏振分光棱镜（1）后得到与激光二极管（1）出射方向相同的水平偏振光或垂直偏振光，入射碱金属原子气室（4）后被选出两个激光模式，经第二偏振分光棱镜（5）到达激光腔镜（7）；通过调节激光腔镜（7）与入射光之间的角度，使得激光腔镜（7）的反射光与入射光共线反向，所述反射光经第二偏振分光棱镜（5）、原子气室（4）、第一偏振分光棱镜（3）、准直透镜（2）后返回到半导体激光二极管（1），在激光腔镜（7）与半导体激光二极管（1）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，使第一偏振分光棱镜或第二偏振分光棱镜处输出双频激光。
2.根据权利要求1所述的双频法拉第半导体激光器，其特征在于在激光腔镜（7）上设置压电陶瓷（8），通过压电陶瓷（8）调节所述谐振腔的腔长。
3.根据权利要求1所述的双频法拉第半导体激光器，其特征在于所述双频法拉第半导体激光器的透射谱包含两个透射率相近的透射峰，且所述两个透射峰间距为5GHz-10GHz。
4.根据权利要求1所述的双频法拉第半导体激光器，其特征在于在激光二极管（1）的另一面镀高反膜。
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