[发明专利]基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器

说明书

本发明公开了一种基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，包括多模外腔半导体激光器和激光稳频回路；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；激光二极管发出的相干光束经过准直透镜准直后进入干涉滤光片被选模，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反射光；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，超过激光器振荡阈值后经激光腔镜输出多模激光；多模激光经激光稳频回路将多模激光的一个模式锁定到原子跃迁频率上。本发明能够直接由光频信号拍频得到微波信号，产生的多模激光稳定性高且易于实现。

技术领域

本发明涉及一种基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，属于光学微波发生器技术领域。

背景技术

光学微波发生器近年来在时频计量、雷达系统、光纤通信和无线通信系统等领域受到了广泛的研究，进而提出了多种类型的光学微波生成技术，如直接调制半导体激光器，双激光源的光学异调，双波长光纤激光器，单片双波长半导体激光器等，其中，单片集成的双波长半导体激光器为光微波的产生提供了一个集成的解决方案，其降低了系统的复杂度和成本。但是，现有的光学微波生成方法很难得到高光谱纯度的光生微波，为了获取高质量线宽足够窄的微波，研究人员提出了光注入锁定，将光学频率梳锁定到超稳激光上等方法。但超稳激光往往需要将激光锁定到超稳腔上，其系统复杂且不容易集成，与此同时光学频率梳本身结构也很复杂，为各种应用带来不便。

将半导体激光器锁定到量子跃迁参考上可以得到高稳定度的激光器，且容易集成实现小型化，但通常要求其线宽窄且具有单模可调谐性。由于半导体激光器本身腔长很短，它的线宽往往很宽，因此人们采用增加外腔的方式压窄线宽并选模，常见的有光栅外腔半导体激光器和干涉滤光片外腔半导体激光器。干涉滤光片外腔半导体激光器的选模原理如图1所示。半导体增益介质的增益谱线内包含很多个模式，纵模间隔为c/2l，c是光速，l是内腔长度，经过外腔中的干涉滤光片后，只有透射带宽内的纵模损耗大大降低，经过反射镜被返回到增益介质中，在激光腔镜与半导体激光二极管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，由于干涉滤光片的透射带宽与增益谱线都存在最高峰，当增益谱线匹配适当时，只有对应最高峰的激光纵模通过模式竞争被输出，即得到单模激光。由于常用的干涉滤光片带宽很难做到极窄，因此透射带宽内会存在很多纵模，最靠近增益谱线中心的模式竞争很激烈，极易发生跳模现象，导致单模外腔半导体激光器的稳定性差，影响其应用。

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获取原子高精密光谱，这表明多纵模激光器也可以锁定到原子跃迁频率上从而得到高稳定度的多纵模激光。但是上述双频激光是经过电光调制或者声光调制产生的，系统复杂，且会带来光功率的损失，并不适合应用到光生微波系统。但是上述研究表明了打破了只有单纵模激光才能获取原子光谱的认知。

激光器的多模模式条件比较容易满足，目前市面上存在部分自由运行的多模激光器，但是其频率稳定性较差，模式跳跃严重，因此，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。因此需要研究出更稳定的多模激光，应用于原子光谱中。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于多模外腔半导体激光器的高稳定度光学微波发生器，在多模外腔半导体激光器增加衰减片，令激光器输出相对稳定的多模激光，通过激光稳频回路对多模激光的一个纵模进行稳频并锁定到原子跃迁频率上，生成高稳定度光学微波，解决现有的激光器容易跳摸的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：