光纤耦合半导体激光器的线宽压窄方法及装置

本发明技术属于激光，具体涉及一种基于原子滤波器的大功率光纤耦合半导体激光器的线宽压窄方法及装置。

背景技术：

1、大功率半导体激光器凭借高效紧凑、可靠性高、拓展性强等优势，近年来发展极为迅速，输出功率持续提升、价格不断下降，在军事、材料制造、医疗等领域均得到了重要应用。其中，基于单发光源合束的光纤耦合半导体激光器是一种实现大功率输出的常用方案。

2、一台大功率光纤耦合半导体激光器通常包含多个激光二极管，每个激光二极管为一个独立的单发光源，单管输出功率已从20世纪90年代的数瓦量级提升至几十瓦的水平，通过对多个单发光源发出的激光进行合束可以实现半导体激光器的功率提升。例如，一个商用光纤耦合半导体激光模块包含十几个发光源，每个发光源的功率约为十瓦级，整个半导体激光模块的输出功率可达百瓦量级，进一步通过对多台百瓦级光纤耦合半导体模块进行合束，激光器输出功率可进一步提升至千瓦级。

3、单发光源合束由于热源相对分散，热流密度相对低，相同热功率影响下可以采用更高电流驱动，具备亮度高、成本低、可靠性好等优势，因此逐渐成为半导体激光器合束的主流方式。常用的合束方式包括阶梯合束和偏振合束，首先通过阶梯合束,将多发光源发出的激光在空间上进行拓展实现功率提升，再利用偏振合束将偏振方向相互垂直的两路线偏振光叠加，进一步提高功率。合束后的半导体激光采用微光学系统进行准直、整形等变换，耦合进光纤中。这种方式从根本上改变了激光器的输出光束，解决了自由空间输出的光束在快慢轴方向不一致、无法柔性传输的问题。激光在光纤中传输时，光场分布由发光源发出的矩形光斑转变为适合在光纤中传输的圆形光斑，在光纤的作用下输出高功率圆形光斑；同时，这也使得大功率半导体激光器的使用变得极其方便，因为光纤可弯曲实现柔性传输，能够便捷地将激光能量导向任意方向。因此，基于单发光源合束的光纤耦合方式极大提高了大功率半导体激光器的输出性能并扩展了其应用场景。

4、半导体激光器自由运转条件下的输出光谱宽度一般为2-3nm，然而在很多应用中，不仅需要高功率，还要求其光谱具有精准的中心波长和很窄的线宽。例如，在医学肺极化成像中的自旋极化光泵浦应用中，要求采用大功率半导体激发铷原子，该原子在d1线的吸收谱线精确位于794.9nm、吸收谱宽通常≤0.1nm，要求大功率半导体激光器的中心波长和光谱线宽与其精确匹配，实现高效泵浦吸收。在碱金属激光器、亚稳态惰性原子激光器、高鲁棒性固态激光器等一系列光源的研制中也需要对大功率半导体激光器进行精密的光谱调控。

5、目前，大功率光纤耦合半导体激光器的线宽压窄主要通过外腔反馈法实现，即通过构建半导体激光器外腔以调控不同波长的光在外腔中的损耗，通过调整外腔的参数及选择合适的外腔选频元件即可实现令特定波长的光在外腔的损耗低，则半导体激光器更容易以相应波长的光出射，从而实现波长锁定和线宽压窄。在工业上该方法的应用已经非常成熟，常用的外腔衍射元件为体布拉格光栅。目前，国内外报道的基于体布拉格光栅的外腔半导体激光器在大功率(百瓦至千瓦)运转下能够实现0.1nm量级的输出线宽(这主要受限于布拉格衍射的物理极限)，而该技术指标难以满足部分应用需求；另外，由于材料本身的本底吸收，在实际大功率负载条件下体布拉格光栅会发生热致形变，进而导致外腔反馈的中心波长不稳。基于上述问题，需要提出一种新的外腔压窄技术方案，设计实现更为稳定可靠、光谱线宽极窄同时中心波长稳定的大功率光纤耦合半导体激光器。

6、原子滤波器全称法拉第反常色散光学滤波器(fadof)，它由一对正交放置的偏振分光棱镜、原子气室以及施加磁场的磁铁构成，其具体结构如图1所示。其中1、5为两个正交放置的偏振分光棱镜，3为真空碱金属原子气室，2、4为用于产生磁场的磁铁对。在使用过程中，非偏振入射光首先通过偏振分光棱镜1，在原子气室内基于法拉第反常色散旋光效应发生偏振状态的旋转，其旋转角度与波长紧密相关。对于目标波长的光，通过合理设置fadof工作参数(如温度、磁场等)，可使目标波长光的旋转角度刚好为90°，其将会完全透过与偏振分光棱镜1正交放置的偏振分光棱镜5；而旋转角度大于或小于90°波长的光，通过偏振分光棱镜5的透过率则不如目标波长的光。此时fadof对目标波长的整体透过率达到峰值，从而达到对目标波长进行选频滤波的效果。作为一种光学滤波器件，原子滤波器具有滤波带宽极窄，带外抑制比高，透射峰对应原子吸收线等优点，其滤波效果如图2所示，其滤波带宽可达到mhz量级。

7、目前，以原子滤波器为外腔元件的外腔半导体激光器种类繁多，但多用于小功率应用场景，如原子钟、磁力计等，面向大功率的应用相对较少，且主要为空间输出的大功率外腔半导体激光器，输出功率在数十瓦到百瓦量级。而将原子滤波器用于光纤耦合输出的半导体激光器实现外腔构建目前还处于空白状态。

技术实现思路

1、本发明的发明目的是旨在实现波长精准、线宽极窄、高均匀光斑输出的大功率半导体激光器，提出一种基于原子滤波器的大功率光纤耦合半导体激光器的线宽压窄方法及装置，能够将大功率半导体激光器的输出波长精确锁定于原子或分子的谱线。构建的外腔半导体激光器具有中心波长稳定度好的特点，线宽能够从自由运转的nm级压缩至10pm级，能够在高能气体激光器泵浦、自旋交换泵浦(seop)、量子光学等诸多领域提供基础支撑作用。

2、本发明的技术方案为：光纤耦合半导体激光器的线宽压窄方法，分为以下步骤：

3、s1根据所需波长，选择输出光谱覆盖原子滤波器工作波长的半导体激光器；

4、s2使用光学整形调制系统对半导体激光器输出激光进行整形及调制，一方面使输出激光束准直，使光束在外腔传输及返回过程中光斑形貌不变，以提高外腔反馈效率；另一方面产生线偏振光并对线偏振光的偏振方向进行调制，进而调节入射至原子滤波器内的偏振分量，最终实现反馈光比例可调的效果；具体过程如下：

5、s2.1光束准直通过光学透镜实现，激光从传能光纤输出时，其发散角与传能光纤的芯径及数值孔径相关，根据传能光纤参数选择合适焦距的光学透镜，使激光在外腔往返的过程中近似为平行光传输，反馈光形貌相较于出射光形貌基本不变，达到提高反馈效率的目的；

6、s2.2光束偏振态的调制通过偏振分光棱镜和半波片实现：偏振分光棱镜用于将传能光纤出射的圆偏振光分解为两束偏振方向互相垂直的线偏振光，从而获得原子滤波器工作所需的线偏振光，然后通过半波片调制线偏振光实现任意偏振方向的输出光；

7、s3经过准直调制后的光束进入原子滤波器中进行选频，在原子气室内光偏振态发生偏转，且偏转量与光波长密切相关，其中偏振状态偏转90°的光透射率达到峰值，结合原子本身对光的吸收作用，不同波长的光对应不同的透射率，透射率高的反馈光更容易在腔内模式竞争中取得竞争优势，由此实现选频；原子滤波器的工作状态通过调整磁场强度和调节气室温度以调整原子浓度的方式来调节，从而改变模式竞争中取得优势的光的波长；

8、s4根据光路可逆的原理，反射光将沿原路返回并入射至大功率光纤耦合半导体激光器的各个发光源，通过反馈光使得发光源模式竞争发生改变；发光源的光谱成分中与反馈光谱相同的部分在竞争中取得优势、与反馈光谱不同的部分受到抑制，最终实现各个发光源及整个半导体激光器的波长锁定及线宽压窄。

9、本发明还提出一种上述方法的光纤耦合半导体激光器的线宽压窄装置，包括半导体激光器、传能光纤、光束整形调制系统、原子滤波器、反射镜；

10、半导体激光器输出的光经过传能光纤传导后进入光束整形调制系统被准直和调制，准直使光束在外腔传输及返回过程中光斑形貌不变，以提高外腔反馈效率；调制针对半导体激光器的偏振特性，一方面产生线偏振光，另一方面对线偏振光的偏振方向进行调制，进而调节入射至原子滤波器内的偏振分量，最终实现反馈光比例可调的效果；经过准直调制后的光进入原子滤波器中进行选频，偏振方向旋转九十度的光可以透过原子滤波器并被反射镜反射；根据光路可逆的原理，反射光将沿原路返回并入射至半导体激光器的各个发光源，各个发光源与反射镜均形成激光器谐振外腔，通过反馈光使得发光源模式竞争发生改变：发光源的光谱成分中与反馈光谱相同的部分在竞争中取得优势、与反馈光谱不同的部分受到抑制，最终实现各个发光源及整个半导体激光器的波长锁定及线宽压窄。

11、进一步地，所述半导体激光器可以是叠阵输出或线阵输出的半导体激光器。

12、进一步地，所述原子滤波器原子气室内的工作介质可以为碱金属原子，如铷、钾、铯等；

13、进一步地，所述半导体激光器可以锁定于原子滤波器原子气室内的工作介质的不同吸收线，如铷原子还可用于420nm蓝光半导体激光器的锁定。

14、进一步地，所述原子滤波器原子气室内的工作介质可以为其他具备旋光效应的原子或分子，如：亚稳态惰性气体原子、二氧化碳分子等，可进一步拓展工作波长。

15、进一步地，所述原子滤波器可以用于多路半导体激光器合束后的外腔反馈，实现对多个半导体激光器相同的波长锁定及线宽压窄。

16、本发明基于以下原理：本发明提出的技术方案与现有的大功率光纤耦合半导体外腔架构的主要区别在于外腔选频元件的不同，采用原子滤波器作为外腔选频元件，由于选频元件原子滤波器具备滤波带宽极窄，带外抑制比高，透射峰对应原子吸收线等优点，构建的外腔激光器也具备相应优势。

17、为了让原子滤波器适用于大功率半导体激光器的外腔反馈，本发明一方面对光路设计进行优化，利用偏振元件调节入射至原子滤波器内的偏振分量，实现反馈光比例可调。在该光路架构下，激光器只有部分功率通过原子滤波器，能够显著降低原子滤波器的功率负载，在相同的条件下该光路结构能够在原子滤波器的损伤阈值内实现更大功率半导体模块的波长锁定和线宽压窄。

18、本发明的技术效果在于：

19、1.本发明使用原子滤波器作为外腔反馈元件，输出波长精确锁定原子吸收线，能够实现稳定波长输出；

20、2.本发明使用原子滤波器作为外腔反馈元件，能够实现10-100pm量级的输出线宽，线宽极窄，有效提高半导体激光器在泵浦原子对应激光器时的泵浦效率；

21、3.本发明使用原子滤波器同时对多个发光源乃至多个半导体激光器模块实现波长锁定及线宽压窄，能够实现高光谱统一性的激光输出。