[发明专利]一种基于法布里波罗光腔的外腔激光器

说明书

本发明涉及一种基于法布里波罗光腔的外腔激光器，所述激光器直接使用具有高品质因子的法布里波罗光腔作为外腔光反馈元件，同时，通过对激光偏振态的调整，有效的克服了光反馈时的模式竞争问题，使基于法布里波罗光腔进行光反馈的激光器具有稳定的超窄带激光输出；此外，本发明通过压电陶瓷、增益芯片、干涉滤波片等的配合，实现了在输出超窄带激光的同时对激光频率的大范围高速调制。

技术领域

本发明涉及一种激光领域，具体涉及一种基于法布里波罗光腔的外腔反馈激光器。

背景技术

激光器的相位噪声或者线宽和激光谐振腔的品质因子（下称Q值）直接相关。半导体激光器通常以工作介质，即半导体晶体的解理面为谐振腔，而受限于材料特性和晶体成型工艺，其Q值通常较低。

目前，降低激光器的相位噪声或者线宽的主流方案有两类。第一类是使用外腔反馈元件进行光反馈，增加轴向光的反射率，使得激光器与外腔反馈元件组成的复合光腔的整体Q值获得提高。图1-2描述了这类外腔反馈方案的两种典型方式(Optics Letters/Vol.13,No.10/October 1988 page 826)，图1中使用的外腔反馈元件为光栅，所述光栅可以旋转，进而可实现选择性的反馈特定波长的光返回激光器；图2中使用的外腔反馈元件为反射镜，并且其展示了在激光器与反射镜之间设置一个干涉滤波片，通过干涉滤波片的旋转可以实现对多个纵模的单一选择。这类方案本质上都是通过加长光腔和反射率提高复合光腔Q值进而降低激光噪声，并配合光栅或滤波片实现对单一纵模的选择和切换。

围绕上述方案衍生出了许多改进形式，典型的如图3所示（IEEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS, VOL. 24, NO. 18, SEPTEMBER 15, 2012）。其展示了基于两个干涉滤波片选择性产生单频激光的方案。

这类方案能够实现激光线宽从几个kHz到几百kHz的激光器，但是很难突破KHz及以下，其原因是光栅或单一反射镜构成的复合光腔Q值仍然较低。另外，干涉滤波片的Q值也很低。

虽然使用极窄的滤波器，如美国专利US8605760A1中所描述的，使用线宽在MHz左右的超高Q值的回音壁光腔作为滤波构建复合光腔，可以实现线宽在百Hz甚至Hz级别的激光。但这类超高Q值的回音壁光腔内的光强极大，受材料的非线性效应，热效应的限制，该类方案产生的激光能量和频率稳定性均受到很大限制，且其制作工艺极其复杂昂贵，难以实现工业化应用。

第二类方案是使用电的负反馈方法压制激光频率噪声，图4展示了这类方法的典型方式（Am. J. Phys., Vol. 69, No. 1, January 2001）。这类方法通常被称为Pound-Drever-Hall(PDH) 方法，其首先需要采用具有超高Q值的光腔对激光的频率噪声进行测量。法布里波罗腔（FabryPerot，下称F-P光腔）是目前各种光腔中Q值和稳定性最好的，研究的历史最久，常用来作为PDH 方法的光腔。使用这类方案，世界上很多科研小组实现了Hz以下的超低噪声和超稳定的激光器。但是采用该类方案的激光器系统极其复杂，并且电路反馈的带宽有限，通常最高仅至MHz，无法对高频的激光频率噪声进行压制。因此，该类方案目前还仅局限在实验室使用。

现有技术中也有直接使用F-P光腔进行光反馈以压低激光线宽的尝试，图5为典型的使用F-P腔进行光反馈的实施方案。这样的设计能够使整个系统大大简化，同时也避免了电反馈无法对高频激光噪声有效压制的缺陷。但由于F-P光腔的镜面反射率极高，其共振模式在镜面处总是垂直于镜面，激光要高效的耦合进入光腔，必须垂直于镜面入射。这种模式下在F-P光腔处，存在来自反射镜1的直接反射及来自光腔的两种光反馈，而这两种反馈之间的模式竞争会严重影响激光器的稳定性。目前还没有有效的办法能够克服这一问题。

发明内容