CN113764980A - 一种自脉冲激光器及脉冲产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种自脉冲激光器及脉冲产生方法。自脉冲激光器包括泵浦源、偏振控制器、环行器、光纤和光学微腔；光纤包括锥状结构，光纤通过锥状结构与光学微腔耦合；光学微腔包括衬底和位于衬底一侧的支撑柱和腔体；泵浦源出射的泵浦光经过偏振控制器和环行器后耦合入光纤；偏振控制器用于调节泵浦光的偏振方向；泵浦光通过锥状结构耦合入光学微腔，通过调整锥状结构与光学微腔的距离来改变泵浦光与光学微腔的耦合强度，泵浦光在光学微腔中交替产生布里渊散射和热光效应，形成自脉冲振荡。本发明实施例的技术方案，利用布里渊散射和热光效应产生的新型弛豫振荡现象，且所用的光学微腔工艺流程简单，降低了自脉冲激光产生的难度。
Description
技术领域
本发明实施例涉及激光技术，尤其涉及一种自脉冲激光器及脉冲产生方法。
背景技术
回音壁型光学微腔有超高的品质因子和较低的模式体积，可以将光束缚在微腔内，增强光与物质的相互作用，极大的推进了光腔力学，腔量子力学，克尔光梳，窄线宽激光器，集成光子学等领域的研究。
基于光学微腔产生的布里渊激光器因其良好的窄线宽特性，广泛用于研究微波光子学，集成陀螺仪，高性能光频梳等方面。依据激光输出时域特性的不同，可以分将激光划分为连续激光和脉冲激光。目前广泛应用在光学微腔内产生的布里渊激光都属于连续激光，而缺少脉冲激光。自脉冲的布里渊激光在光学微光中往往难以实现，主要原因是在光学微腔中产生自脉冲的激光***结构复杂，操作困难。此外，为了在光学微腔中得到自脉冲激光使用的光学微腔样品的制备困难，不易广泛推广等因素的存在，使得基于光学微腔的自脉冲激光的生产面临难度。
发明内容
本发明实施例提供了一种自脉冲激光器及脉冲产生方法，以实现降低自脉冲激光的生产难度，简化了微腔内生产自脉冲激光的工艺流程。
第一方面，本发明实施例提供了一种自脉冲激光器，包括：泵浦源、偏振控制器、环行器、光纤和光学微腔；
所述泵浦源的输出端与所述偏振控制器的输入端连接，所述偏振控制器的输出端与所述环行器的第一端连接，所述环行器的第二端与所述光纤连接；
所述光纤从所述环行器的第二端延伸至所述光学微腔，延伸至所述光学微腔的所述光纤包括锥状结构，所述光纤通过所述锥状结构与所述光学微腔耦合；
其中，所述光学微腔包括衬底和位于所述衬底一侧的支撑柱和腔体；
所述泵浦源出射的泵浦光经过所述偏振控制器和所述环行器后耦合入所述光纤；
所述偏振控制器用于调节所述泵浦光的偏振方向；
所述泵浦光通过所述锥状结构耦合入所述光学微腔，通过调整所述锥状结构与所述光学微腔的距离来改变所述泵浦光与所述光学微腔的耦合强度，所述泵浦光在所述光学微腔中交替产生布里渊散射和热光效应，形成自脉冲振荡；
所述自脉冲振荡产生的脉冲光耦合入所述光纤，并从所述环行器的第二端输入，从所述环行器的第三端输出。
可选的，还包括设置于所述泵浦源和所述偏振控制器之间的光放大器，所述光放大器用于将所述泵浦光放大。
可选的，所述光放大器为半导体光放大器；
所述自脉冲激光器还包括第一准直器、光隔离器和第二准直器；
所述第一准直器、所述半导体光放大器、所述光隔离器和所述第二准直器在所述泵浦源和所述偏振控制器之间沿光路依次排列；
所述第一准直器的输入端与所述泵浦源的输出端耦合，用于将所述泵浦光准直后输入所述半导体光放大器；
所述半导体光放大器用于将所述泵浦光放大；
所述光隔离器用于使放大后的泵浦光单向传输；
所述第二准直器的输出端与所述偏振控制器的输入端连接。
可选的，所述光放大器为光纤放大器；
所述泵浦源与所述光纤放大器的输入端连接；
所述光纤放大器的输出端与所述偏振控制器连接。
可选的，所述的自脉冲激光器还包括耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、示波器以及光谱仪；
从所述光学微腔延伸出的所述光纤与所述第一光电探测器连接，所述耦合器的输入端与所述环行器的第三端连接，所述耦合器的第一输出端与所述第二光电探测器连接，第二输出端与所述光谱仪连接，所述光谱仪用于测量所述耦合器的第二输出端的输出光谱，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器均与所述示波器连接，所述示波器用于输出所述第一光电探测器和所述第二光电探测器探测的时域波形。
可选的，所述光纤与所述光学微腔集成于同一基片衬底上。
可选的，所述泵浦源包括固定波长的激光器。
可选的，所述光学微腔的衬底材料包括硅，所述腔体的材料包括二氧化硅。
第二方面，本发明实施例还提供一种脉冲产生方法，利用上述的自脉冲激光器输出脉冲，包括：
泵浦源输出泵浦光，所述泵浦光通过光纤耦合入光学微腔；
调节所述泵浦光的功率和偏振态，使所述泵浦光在所述光学微腔交替产生布里渊散射和热光效应，形成自脉冲振荡输出脉冲。
本发明实施例提供的自脉冲激光器，包括泵浦源、偏振控制器、环行器、光纤和光学微腔；其中，光学微腔的光纤包括锥状结构，光纤可以通过锥状结构和光学微腔进行耦合，光学微腔包括衬底和位于所述衬底一侧的支撑柱和腔体。泵浦光通过光纤中的锥状结构耦合进入光学微腔，通过调节锥状结构与光学微腔的距离来改变泵浦光和光学微腔的耦合效率，当泵浦光功率超过布里渊散射的阈值时，先在光学微腔中产生布里渊散射；随着布里渊激光的产生，光学微腔的腔内能量增加，光学微腔的温度上升，导致腔模发生热红移，同时泵浦光频率失谐量增大；然后受激布里渊散射产生的斯托克斯光场随泵浦光频率失谐量的变化而发生变化，当泵浦光频率失谐量过大时，布里渊激光就会消失；随着布里渊激光的消失，光学微腔冷却，腔模会回到初始的位置，完成一次自脉冲振荡后准备开始下一周期的自脉冲振荡，进而实现了在光学微腔片上的自脉冲布里渊激光。本实施例提供的自脉冲激光器，所采用的光学微腔中工艺流程简单，降低了自脉冲激光产生的难度，进一步的拓宽了自脉冲布里渊激光在激光雷达和测距方面的应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种自脉冲激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种自脉冲激光器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种自脉冲激光器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种自脉冲激光器的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种自脉冲激光器的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种光学微腔的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种脉冲产生方法的流程示意图；
图8为本发明实施例中泵浦光和布里渊激光的透射谱的示意图；
图9为本发明实施例中光谱仪采集泵浦光和布里渊激光的光谱示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1所示为本发明实施例提供的一种自脉冲激光器的结构示意图。参考图1，本实施例提供的自脉冲激光器包括泵浦源10、偏振控制器20、环行器30、光纤40和光学微腔50；泵浦源10的输出端与偏振控制器20的输入端连接，偏振控制器20的输出端与环行器30的第一端连接，环行器30的第二端与光纤40连接；光纤40从环行器30的第二端延伸至光学微腔50，延伸至光学微腔50的光纤40包括锥状结构(图1中未示出)，光纤40通过锥状结构与光学微腔50耦合；其中，光学微腔50包括衬底和位于所述衬底一侧的支撑柱和腔体；泵浦源10出射的泵浦光经过偏振控制器20和环行器30后耦合入所述光纤40；偏振控制器20用于调节泵浦光的偏振方向；泵浦光通过锥状结构耦合入光学微腔50，泵浦光在光学微腔50中交替产生布里渊散射和热光效应，形成自脉冲振荡；自脉冲振荡产生的脉冲光耦合入光纤40，并从环行器30的第二端输入，从环行器30的第三端输出。
其中，本实施例中，泵浦源10可以包括固定波长的激光器，能够输出预设波长范围内固定波长的泵浦光，例如1550nm波段的泵浦光。可以理解的是，由于激光具有亮度高、方向性好、单色性好等诸多优点，在具体实施时，泵浦源10中的波长固定的激光器可以通过光纤输出高功率的泵浦光。泵浦源10、偏振控制器20和环形器30可以采用光纤40连接。
可选的，光学微腔50为一种片上集成器件，光纤40和光学微腔50可以集成于同一基片衬底上，可以理解的是，光纤40中传输的光在锥形结构产生倏逝场，实现光学微腔50与光纤40的耦合，锥状结构可以通过光纤熔融拉锥得到。通过控制锥状结构与光学微腔50的距离，可以调节泵浦光与光学微腔50的耦合效率。通过偏振控制器20来控制泵浦光的偏振态，其中偏振控制器20可以采用三环式偏振控制器。
其中，布里渊散射是回音壁型光学微腔中常见的非线性现象，起源于激光电场与分子或固体中的声波场的相互作用，也就是光子与声子的相互作用，又称声子散射。在激光的电场作用下，通过电致伸缩效应，使介质发生周期性密度和介电常数的变化，感生声波场，从而导致入射光与声波场间发生相干散射过程。换言之，当一个泵浦光子湮灭，同时产生一个斯托克斯光子和一个声子的过程。布里渊散射现象产生的方法是需要两个间隔刚好为布里渊频移量的光学模式，一个作为泵浦模式去激发另一个布里渊模式，在反向光路中观察布里渊激光。布里渊激光能有效压窄泵浦激光的线宽，可以实现窄线宽激光器，在制作陀螺仪等方面有重要应用。
自脉冲振荡是由于激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的，当注入电流达到某个范围时，输出激光中出现持续等幅高频振荡的现象。现有技术中，有学者曾在掺铒微环芯腔激光器中观察到自脉冲振荡现象。该技术使用铒离子浓度为2e19ion/cm3的掺杂微环芯腔，样品主直径为43μm，利用离子间的交叉弛豫，通过入射1444.8nm的泵浦光，产生了波长为1560.2nm的脉冲光。所谓的交叉弛豫，就是当铒离子浓度过高时，离子间距离减小，离子-离子相互作用增强导致离子间的能量转移，使一个离子返回基态，阻止了离子对的完全反转，此时离子对相当于饱和吸收体。这种饱和吸收体使得激光***很不稳定，从而导致了自脉冲振荡现象的产生。但目前基于微腔产生的自脉冲激光***复杂，操作困难，且使用的微腔样品制备困难，不易推广。
本实施例中，申请人在微腔中发现一种由布里渊散射和热光效应相互竞争产生的新型的弛豫振荡现象，并且基于此实现了片上的自脉冲布里渊激光器，且使用的微盘腔工艺流程简单，降低了自脉冲激光产生的难度。具体的，在泵浦光在光学微腔50中交替产生布里渊散射和热光效应，形成自脉冲振荡的过程可以划分为四个阶段。第一阶段，光学微腔中受激布里渊散射的响应速度比热光效应响应速度快，当固定泵浦光的频率，随着泵浦光功率的不断增加，当泵浦光功率超过布里渊激光的阈值时，首先是布里渊激光被观察到；第二阶段，随着布里渊激光的产生，使得光学微腔50的腔内能量增加，光学微腔50的温度上升，导致腔模发生热红移，同时泵浦光频率失谐量增大；第三阶段，受激布里渊散射产生的斯托克斯光场随泵浦光频率失谐量的变化而发生变化，当泵浦光频率失谐量过大时，布里渊激光就会消失；第四阶段，随着布里渊激光的消失，使得光学微腔50冷却，腔模会回到初始的位置，完成一次自脉冲振荡后准备开始下一周期的自脉冲振荡。布里渊散射和热光效应交替产生，从而激发出脉冲。
本实施例的技术方案，通过波长固定的泵浦源提供泵浦光，通过偏振控制器调节泵浦光的偏振态，泵浦光通过光纤中的锥状结构耦合进入光学微腔，通过调节锥状结构与光学微腔的距离来改变泵浦光和光学微腔的耦合效率，当泵浦光功率超过布里渊散射的阈值时，先在光学微腔中产生布里渊散射；随着布里渊激光的产生，光学微腔的腔内能量增加，光学微腔的温度上升，导致腔模发生热红移，同时泵浦光频率失谐量增大；然后受激布里渊散射产生的斯托克斯光场随泵浦光频率失谐量的变化而发生变化，当泵浦光频率失谐量过大时，布里渊激光就会消失；随着布里渊激光的消失，光学微腔冷却，腔模会回到初始的位置，完成一次自脉冲振荡后准备开始下一周期的自脉冲振荡，进而实现了在光学微腔片上的自脉冲布里渊激光。本实施例提供的自脉冲激光器，所采用的光学微腔中工艺流程简单，降低了自脉冲激光产生的难度，进一步的拓宽了自脉冲布里渊激光在激光雷达和测距方面的应用。
在上述技术方案的基础上，图2所示为本发明实施例提供的另一种自脉冲激光器的结构示意图。参考图2，可选的，自脉冲激光器还包括设置于泵浦源10和偏振控制器20之间的光放大器11，光放大器用于将泵浦光放大。
可以理解的是，在具体实施时，泵浦源10输出的泵浦光的功率可能较小，无法达到激发出可以发生布里渊激光的泵浦光的阈值功率，因此，可以在波长可调光源10和偏振控制器20之间光路上设置光放大器11，以将泵浦光的功率放大到阈值功率之上。
图3所示为本发明实施例提供的另一种自脉冲激光器的结构示意图。参考图3，可选的，光放大器11为半导体光放大器；自脉冲激光器还包括第一准直器12、光隔离器13和第二准直器14；第一准直器12、半导体光放大器、光隔离器13和第二准直器14在泵浦源10和偏振控制器20之间沿光路依次排列；第一准直器13的输入端与泵浦源10的输出端耦合，用于将泵浦光准直后输入所述半导体光放大器；半导体光放大器用于将泵浦光放大；光隔离器13用于使放大后的泵浦光单向传输；第二准直器14的输出端与偏振控制器20的输入端连接。
可以理解的是，半导体光放大器一般传输自由空间的光束，泵浦源10可以通过光纤40输出泵浦光，在经过第一准直器12后，将光纤40中的传输光转变为自由空间中的平行光，并在通过半导体光放大器提高光功率后对泵浦光进行增益放大，在经过光隔离器13后使得放大后的泵浦光只能沿着正向传输，防止背向反射光对半导体光放大器造成损伤，在经过第二准直器14后将功率放大后的自由空间平行光重新耦合进入至光纤40中继续传输。
在另一实施例中，可选的，光放大器11为光纤放大器；泵浦源10与光纤放大器的输入端连接；光纤放大器的输出端与偏振控制器20连接。
可以理解的是，光放大器11还可以为光纤放大器，光路只在光纤40中传输，降低光路的耦合难度。在其他实施例中，也可以选用其他类型的光放大器，本发明实施例对此不作限定。
图4所示为本发明实施例提供的另一种自脉冲激光器的结构示意图。参考图4，可选的，自脉冲激光器还包括设置于光放大器11和偏振控制器20之间的可调衰减器15，可调衰减器15用于调整放大后的泵浦光的输出功率。
图5所示为本发明实施例提供的另一种自脉冲激光器的结构示意图。参考图5，可选的，自脉冲激光器还包括耦合器60、第一光电探测器70、第二光电探测器80、示波器90以及光谱仪100；从光学微腔50延伸出的光纤40与第一光电探测器70连接，耦合器60的输入端与环行器30的第三端连接，耦合器60的第一输出端与第二光电探测器80连接，第二输出端与光谱仪100连接，光谱仪100用于测量耦合器60的第二输出端的输出光谱，第一光电探测器70和第二光电探测器80均与示波器90连接，示波器90用于输出第一光电探测器70和第二光电探测器80探测的时域波形。
可以理解的是，经过环形器30的泵浦光，从环形器30第二输出端通过锥状结构耦合后进入光学微腔50，透过的泵浦光通过第一光电探测器70进行探测，并用示波器90进行监测，反向的布里渊激光通过环形器30第三输出端口输出后进入耦合器进行分路，其中一路直接进入光谱仪100，另外一路经第二光电探测器80探测，最后接入示波器90中观察。
可选的，自脉冲激光器中的光学微腔40的衬底材料包括硅，腔体的材料包括二氧化硅。
可以理解的是，选用的布里渊频移约为10.8GHz，而二氧化硅材料中的布里渊频移也接近10.8GHz，换言之，光学微腔40的衬底和腔体材料选择二氧化硅，保证了二氧化硅材料的布里渊频率与泵浦模式和布里渊模式间距对应的频率相接近。
示例性的，图6所示为本发明实施例提供的一种光学微腔的结构示意图。参考图6，该光学微腔为包括衬底51和位于衬底一侧的支撑柱52和微盘腔53。衬底51和支撑柱52都可以选用硅，微盘腔53可以选用二氧化硅。在本实施例中，微盘腔53为圆台状，且圆台通过光纤的锥状结构与光纤实现耦合。
图7所示为本发明实施例提供的一种脉冲产生方法的流程示意图，该脉冲由上述实施例提供的任意一种自脉冲激光器产生，参考图7，该脉冲产生方法包括：
步骤S110、泵浦源输出泵浦光，泵浦光通过光纤耦合入光学微腔。
步骤S120、调节泵浦光的功率和偏振态，使泵浦光在光学微腔交替产生布里渊散射和热光效应，形成自脉冲振荡输出脉冲。
示例性的，本发明的一个实施例中，选用1550nm波段附近的泵浦光，光学微腔选用氧化硅微盘腔，直径为2.7mm，自由光谱区FSR约为24.5GHz。微盘腔经过光刻，氢氟酸刻蚀，二氟化氙刻蚀等步骤完成。图8所示为本发明实施例提供的泵浦光和布里渊激光的透射谱的示意图，在选定好泵浦模式和布里渊模式后，将泵浦光功率慢慢增加使其超过布里渊激光的阈值，同时调节微腔与光纤锥状结构之间的耦合和泵浦光的偏振，随着反向光路功率慢慢增加，进而产生了布里渊激光。再慢慢加大功率，当泵浦功率达到约50mW时，泵浦光和反向的布里渊激光同时表现出自脉冲振荡。同时导致泵浦光的频率失谐量不断增大。当泵浦光频率失谐量过大时，布里渊激光消失，微腔冷却，腔模回到原来的位置，完成一次自脉冲振荡后准备开始下一周期的自脉冲振荡。振荡周期大概为12μs，进一步的，改变泵浦光频率的失谐量可以改变产生的自脉冲布里渊激光的脉冲周期。图9所示为本发明实施例中光谱仪采集的泵浦光和反向布里渊激光的光谱示意图，其中泵浦光和布里渊激光可以从光谱图中观察到。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种自脉冲激光器，其特征在于，包括泵浦源、偏振控制器、环行器、光纤和光学微腔；
所述泵浦源的输出端与所述偏振控制器的输入端连接，所述偏振控制器的输出端与所述环行器的第一端连接，所述环行器的第二端与所述光纤连接；
所述光纤从所述环行器的第二端延伸至所述光学微腔，延伸至所述光学微腔的所述光纤包括锥状结构，所述光纤通过所述锥状结构与所述光学微腔耦合；
其中，所述光学微腔包括衬底和位于所述衬底一侧的支撑柱和腔体；
所述泵浦源出射的泵浦光经过所述偏振控制器和所述环行器后耦合入所述光纤；
所述偏振控制器用于调节所述泵浦光的偏振方向；
所述泵浦光通过所述锥状结构耦合入所述光学微腔，通过调整所述锥状结构与所述光学微腔的距离来改变所述泵浦光与所述光学微腔的耦合强度，所述泵浦光在所述光学微腔中交替产生布里渊散射和热光效应，形成自脉冲振荡；
所述自脉冲振荡产生的脉冲光耦合入所述光纤，并从所述环行器的第二端输入，从所述环行器的第三端输出。
2.根据权利要求1所述的自脉冲激光器，其特征在于，还包括设置于所述泵浦源和所述偏振控制器之间的光放大器，所述光放大器用于将所述泵浦光放大。
3.根据权利要求2所述的自脉冲激光器，其特征在于，所述光放大器为半导体光放大器；
所述自脉冲激光器还包括第一准直器、光隔离器和第二准直器；
所述第一准直器、所述半导体光放大器、所述光隔离器和所述第二准直器在所述泵浦源和所述偏振控制器之间沿光路依次排列；
所述第一准直器的输入端与所述泵浦源的输出端耦合，用于将所述泵浦光准直后输入所述半导体光放大器；
所述半导体光放大器用于将所述泵浦光放大；
所述光隔离器用于使放大后的泵浦光单向传输；
所述第二准直器的输出端与所述偏振控制器的输入端连接。
4.根据权利要求2所述的自脉冲激光器，其特征在于，所述光放大器为光纤放大器；
所述泵浦源与所述光纤放大器的输入端连接；
所述光纤放大器的输出端与所述偏振控制器连接。
5.根据权利要求2所述的自脉冲激光器，其特征在于，还包括设置于所述光放大器和所述偏振控制器之间的可调衰减器，所述可调衰减器用于调整放大后的泵浦光的输出功率。
6.根据权利要求1～5任一所述的自脉冲激光器，其特征在于，还包括耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、示波器以及光谱仪；
从所述光学微腔延伸出的所述光纤与所述第一光电探测器连接，所述耦合器的输入端与所述环行器的第三端连接，所述耦合器的第一输出端与所述第二光电探测器连接，第二输出端与所述光谱仪连接，所述光谱仪用于测量所述耦合器的第二输出端的输出光谱，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器均与所述示波器连接，所述示波器用于输出所述第一光电探测器和所述第二光电探测器探测的时域波形。
7.根据权利要求1所述的自脉冲激光器，其特征在于，所述光纤与所述光学微腔集成于同一基片衬底上。
8.根据权利要求1所述的自脉冲激光器，其特征在于，所述泵浦源包括固定波长的激光器。
9.根据权利要求1所述的自脉冲激光器，其特征在于，所述光学微腔的衬底材料包括硅，所述腔体的材料包括二氧化硅。
10.一种脉冲产生方法，其特征在于，利用权利要求1～9任一所述的自脉冲激光器输出脉冲，包括：
泵浦源输出泵浦光，所述泵浦光通过光纤耦合入光学微腔；
调节所述泵浦光的功率和偏振态，使所述泵浦光在所述光学微腔交替产生布里渊散射和热光效应，形成自脉冲振荡输出脉冲。
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