[發明專利]一種半導體激光頻率到高精細度法布里玻羅腔的鎖定方法

有效

• 申請號: 202110413960.0
• 申請日: 2021-04-16
• 公開（公告）號: CN113178774B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 趙剛;馬維光;尹王保;賈鎖堂
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: H01S5/062
• 分類號: H01S5/062;H01S5/065
• 代理公司: 太原申立德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14115
• 代理人: 程園園

本發明公開了一種半導體激光頻率到高精細度法布里玻羅腔的鎖定方法，屬于激光光譜技術領域。本發明采用光學反饋方式，通過二分之玻片、偏振分束棱鏡、四分之玻片的結合，實線對反饋系數的調節，可以在不損耗腔入射光強的情況下，對反饋系數進行大范圍調節；通過調節粘在反射鏡上的壓電陶瓷的伸縮控制反饋相位，從而避免直接反射光引起的光學反饋。這種方法可以實現半導體激光器到高精細度法布里玻羅光學腔的穩定鎖定，可以應用于激光線寬壓窄和高靈敏腔增強光譜技術中。相對于傳統的光學反饋腔鎖定系統，使用了線性光學腔取代V型腔，可以構造精細度更高的光學腔，從而實現更加靈敏的激光光譜技術。

技術領域

本發明屬于激光光譜技術領域，具體涉及一種半導體激光頻率到高精細度法布里玻羅腔的鎖定方法。

背景技術

從威脅人類安全生存的大氣污染問題到提升人類生活水平的現代工、農業的發展、再到先進制造行業如半導體、芯片的規模生產，最后到深海、青藏高原科考、極地探測、大型風洞以及基礎科學研究等領域，痕量氣體尤其是超靈敏痕量氣體檢測扮演著關鍵的角色，極大地影響著上述領域的快速發展。激光吸收光譜技術是當激光的頻率與目標分子能級共振時，激光會被分子吸收，利用吸收量的大小可以確定出分子的粒子數濃度，由于其靈敏度及分辨率高的優點被廣泛的應用于痕量氣體檢測領域。然而由于噪聲的存在，直接吸收光譜信號很容易淹沒在噪聲中，導致其靈敏度較低。因此，為了提升探測靈敏度，在激光直接吸收光譜技術上，人們發展的不同的激光譜技術。而腔增強光譜方法使用光學腔增強吸收信號，它利用耦合進入光學腔的光在腔內來回反射，增長激光與氣體介質作用路徑，從而具有很高探測靈敏度。其有效吸收長度與光學腔精細度成正比，精細度越高，吸收信號越強。因此，人們傾向于使用高精細度光學腔。

在腔增強光譜技術中，探測靈敏度主要受到透射激光幅度起伏的影響。這主要是由于激光頻率噪聲大，導致激光線寬寬，而高精細度光學腔模式的線寬很窄，導致只有部分激光頻率耦合進去光學腔，從而使得激光到腔的耦合效率很低，并且起伏很大，導致腔的透射信號起伏劇烈。為了解決這個問題，人們通常需要使用Pound-Drever-Hall(PDH)技術將激光器鎖定到線性法布里玻羅光學腔上，從而抑制激光頻率噪聲，壓窄激光線寬，使得激光高效率耦合進入光學腔。但是對于高精細度光學腔，腔模線寬非常窄(kHz量級)，PDH鎖定對伺服系統要求很高，同時穩定的鎖定也越難實現。特別是對于半導體激光器，它是目前為止應用最廣泛的激光器，但是它本身具有非常大的頻率噪聲，會大大增加了PDH鎖定的難度。

光學反饋是另一種可以實現激光到光學腔鎖定的方法。通過自注入鎖定，可以自動實現對激光高頻噪聲的抑制。但是為了分離光學腔前鏡的泄露光和直接反射光，通常光學反饋使用三鏡V型腔。但是相對于只需要兩個腔鏡的線性光學腔，三鏡腔增加一個反射鏡，反射鏡會引入損耗，從而影響光學腔的精細度，因此并不適合于高靈敏激光光譜技術中。也有部分工作基于線性光學腔，為了分離直接反射光和腔前鏡泄露光，人們一般使用腔的透射光進行光學反饋，或者人為引入阻抗失配，從而大大損耗直接反射光的功率，從而使得激光鎖定到光學腔模上，但是這樣大大增加了系統的復雜程度，并且降低了系統的通用性。

為了解決以上問題，就需要使用一種更加簡單的實現半導體激光器到高精細度線性光學腔(即法布里玻羅腔)鎖定的方法。

發明內容

針對上述問題本發明提供了一種半導體激光頻率到高精細度法布里玻羅腔的鎖定方法。

為了達到上述目的，本發明采用了下列技術方案：

一種半導體激光頻率到高精細度法布里玻羅腔的鎖定方法，由激光器控制器驅動半導體激光器輸出激光，經過一個二分之玻片、偏振分束棱鏡、反射鏡、四分之玻片、第二反射鏡和匹配透鏡，耦合進入高精細度法布里玻羅光學腔，透過光學腔的光被探測器探測，所述第二反射鏡粘在壓電陶瓷上；

所述光學腔由兩面反射鏡組成，反射率為r，透射率為t；