[發明專利]一種小型化低成本大頻率調諧范圍穩頻激光器系統及方法

有效

• 申請號: 201810981511.4
• 申請日: 2018-08-27
• 公開（公告）號: CN110867720B
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 李薈;于佳晨;熊煒;陳徐宗
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01S3/13
• 分類號: H01S3/13;H01S3/098
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

1.一種小型化低成本大頻率調諧范圍穩頻激光器系統，其特征在于，所述激光器系統包括：垂直腔面發射VCSEL激光器、單模激光器、光纖、原子氣室、光電探測器以及第一至第四分光鏡片；其中，調制信號加載在VCSEL激光器的電源上，對VCSEL激光器的電流進行調制，從而輸出種子光，種子光具有一個載波和兩個邊帶，載波和邊帶的頻率差等于調制信號的頻率；VCSEL激光器輸出的種子光經過第一分光鏡片分成兩束，反射光束經過透鏡耦合進光纖，透射光束穿過自由空間，兩束光束在第二分光鏡片合束，由于具有光程差而形成自差拍頻信號，將種子光的線寬從百兆赫茲量級壓縮至兆赫茲量級；合束光經第二分光鏡片分成兩束，一束光透過第三分光鏡片作為泵浦光進入原子氣室，利用原子氣室自身的后窗片反射光作為探測光，原子氣室內產生飽和吸收光譜，此飽和吸收光譜在原子共振頻點及原子共振頻點加上調制信號頻率的頻點上都有透射峰；探測光沿原路返回再次經過第三分光鏡片反射進入光電探測器，光電探測器探測飽和吸收光譜，得到透射峰的位置，反饋給VCSEL激光器的電源，進行激光中心頻率鎖定，飽和吸收光譜的透射峰處都能進行激光中心頻率鎖定；經第二分光鏡片的另一束光經第四分光鏡片反射后進入單模激光器，對單模激光器進行注入鎖定，通過調節單模激光器的溫度和電流進行選模，使單模激光器的頻率等于VCSEL激光器的載波的頻率，抑制所有其他模式；單模激光器輸出選模后的激光，透過第四分光鏡片輸出激光。

2.如權利要求1所述的激光器系統，其特征在于，所述調制信號的頻率在10MHz～10GHz連續可調。

3.如權利要求2所述的激光器系統，其特征在于，所述VCSEL激光器鎖定后能夠在兩倍10GHz范圍內連續調諧。

4.如權利要求1所述的激光器系統，其特征在于，所述單模激光器的輸出功率為百毫瓦量級的激光。

5.如權利要求1所述的激光器系統，其特征在于，所述單模激光器采用小型化激光器，采用G封裝單模激光器或C封裝單模激光器。

6.如權利要求1所述的激光器系統，其特征在于，所述第一至第三分光鏡片采用分光平片，所述第四分光鏡片采用偏振分束棱鏡。

7.一種小型化低成本大頻率調諧范圍穩頻激光器系統的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步驟：

1)將調制信號加載在VCSEL激光器的電源上，對VCSEL激光器的電流進行調制，從而輸出種子光，種子光具有一個載波和兩個邊帶，載波和邊帶的頻率差等于調制信號的頻率；

2)VCSEL激光器輸出的種子光經過第一分光鏡片分成兩束，反射光束經過透鏡耦合進光纖，透射光束穿過自由空間，兩束光束在第二分光鏡片合束，由于具有光程差而形成自差拍頻信號，自差拍頻信號中包含激光的相位噪聲，自差拍頻信號與調制信號產生的鑒相信號反饋給VCSEL激光器，調整其頻率，將種子光的線寬從百兆赫茲量級壓縮至兆赫茲量級；

3)合束光經第二分光鏡片分成兩束，一束光透過第三分光鏡片作為泵浦光進入原子氣室，利用原子氣室自身的后窗片反射光作為探測光，原子氣室內產生飽和吸收光譜，此飽和吸收光譜在原子共振頻點及原子共振頻點加上調制信號頻率的頻點上都有透射峰；

4)探測光沿原路返回再次經過第三分光鏡片反射進入光電探測器，光電探測器探測飽和吸收光譜，得到透射峰的位置，反饋給VCSEL激光器的電源，進行激光中心頻率鎖定，飽和吸收光譜的透射峰處都能進行激光中心頻率鎖定，飽和吸收光譜的透射峰對應的頻率為原子超精細能級間躍遷頻率偏移調制信號頻率，由于調制信號頻率連續可調，所以VCSEL激光器鎖定后能夠在兩倍的最大調制信號頻率10GHz范圍內連續調諧；

5)經第二分光鏡片的另一束光經偏振分束棱鏡反射后進入單模激光器，對單模激光器進行注入鎖定，通過調節單模激光器的溫度和電流進行選模，使單模激光器的頻率等于VCSEL激光器的載波的頻率，抑制所有其他模式；

6)單模激光器輸出選模后的激光，透過第四分光鏡片輸出激光。

8.如權利要求7所述的控制方法，其特征在于，在步驟1)中，調制信號頻率在10MHz～10GHz范圍內連續可調。

9.如權利要求7所述的控制方法，其特征在于，在步驟4)中，由于調制信號頻率在10MHz～10GHz范圍內連續可調，所以VCSEL激光器鎖定后能夠在兩倍的最大調制信號頻率10GHz范圍內連續調諧。