[发明专利]基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器

说明书

本发明公开了一种基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器，属于半导体激光器技术领域。多模外腔半导体激光器包括依序设置在光路上的激光二极管、准直透镜、干涉滤光片、衰减片、激光腔镜和压电陶瓷，在多模外腔半导体激光器的输出端光路上设有模间隔锁定回路。通过干涉滤光片能够对激光二极管产生的光束进行选模，衰减片能够调节反馈率，压电陶瓷能够控制腔长，通过多模外腔半导体激光器能够输出多模激光，而模间隔锁定回路则可以将多模激光的模间隔锁定在微波信号上，实现稳定的多模输出。本发明激光器能够输出稳定的多模激光，能够作为多模式的激光参考源，可以用于标定激光频率。

技术领域

本发明涉及一种基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

半导体激光器广泛用于原子钟领域，通常要求其线宽窄且具有单模可调谐性。为了获取高稳定度的激光频率输出，通常将激光频率锁定到原子参考频率或者超稳腔上，而上述方法中，原子稳频物理结构系统复杂，超稳腔不易集成，给其应用带来不便。此外，常见的单模可调谐外腔半导体激光器往往由于容易跳模而影响其使用，因此单模外腔半导体激光器的稳定性差，限制了其部分应用。

随着研究的深入，最近研究人员发现了双频激光光谱，具体参见J.Opt.Soc.Am.B38(2),435-440,(2021)，J.Phys.B:At.Mol.Opt.Phys.53,205402(2020)，该研究表明多纵模激光同样可以用于原子钟。但是上述双频激光是经过电光调制或者声光调制产生的，其系统复杂，且会带来光功率的损失。不过上述研究发现打破了只有单纵模激光才能用于原子钟的认知，传统摒弃的多模激光器不仅可以用于原子钟，还会大大减小系统的复杂度。相比外腔半导体激光器的单模模式，激光器的多模模式条件更容易满足，且对稳定性的要求不那么严格，给半导体激光器研发带来了新的方向。

目前市面上存在部分自由运行的多模激光器，因其频率稳定性较差，模式跳跃严重，从未应用于原子光谱，不能作为激光参考源，并且难以满足原子钟等高精密设备的应用，因此仍然需要研发更稳定的多模激光器。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器，通过在激光器外腔中增加一个衰减片，使激光器工作于多模状态，并通过选模实现激光器的多模输出，在此基础上，通过模间隔锁定技术锁定激光频率，实现高稳定度的多模激光输出。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

本发明提出了一种基于模间隔锁定的高稳定度多模外腔半导体激光器，包括依序设置在光路上的激光二极管、准直透镜、干涉滤光片、衰减片、激光腔镜和压电陶瓷；所述多模外腔半导体激光器的输出端光路上设有模间隔锁定回路；

所述激光二极管发出的相干光束进入准直透镜，经过准直透镜准直为平行光；所述平行光经过干涉滤光片后被选模，得到被选模的平行光；所述被选模的平行光经衰减片到达激光腔镜，经激光腔镜反射后得到与被选模的平行光共线反向的反射光；所述反射光经衰减片、干涉滤光片、准直透镜后返回到激光二极管，反射光在激光腔镜与激光二极管的输出光端面构成的谐振腔中振荡、放大，超过预设的激光器振荡阈值后，经激光腔镜输出多模激光；所述模间隔锁定回路接收多模激光，并对多模激光进行模间隔锁定。

进一步的，所述模间隔锁定回路包括半波片、偏振分光棱镜、高频探测器、微波源、混频器和伺服反馈电路；多模外腔半导体激光器输出的多模激光经半波片射入偏振分光棱镜，被偏振分光棱镜分为2束子激光；第一束子激光进入高频探测器，经高频探测器探测得到模间隔信号，所述模间隔信号经过混频器后与微波源的参考信号进行相位比较，得到误差信号，所述误差信号经过伺服反馈电路后反馈到多模外腔半导体激光器中，对多模外腔半导体激光器的模间隔进行锁定；第二束子激光作为多模外腔半导体激光器的输出光。

进一步的，所述干涉滤光片透射带宽水平或下凹。