一种压缩量子级联激光器光谱线宽的方法
阅读说明：本技术 一种压缩量子级联激光器光谱线宽的方法 (Method for compressing spectral line width of quantum cascade laser ) 是由 王成 赵彬彬 王星光 于 2019-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种压缩量子级联激光器光谱线宽的方法,在量子级联激光器输出光路上设置光反馈装置,其特征在于,量子级联激光器的输出光经过光反馈装置后部分光返回到量子级联激光器的激光腔中与量子级联激光器的输出光发生耦合,光反馈比达到强光反馈,同时,对光反馈相位不进行控制,从而在无反馈相位控制的条件下使用强光反馈压缩量子级联激光器的光谱线宽。与传统光反馈的方案相比,本发明不需要使用压电传感器控制光反馈的相位,因此具有装置简单、成本低的优势。(The invention relates to a method for compressing the spectral line width of a quantum cascade laser, which is characterized in that an optical feedback device is arranged on an output optical path of the quantum cascade laser, the method is characterized in that the output light of the quantum cascade laser is split and returned to a laser cavity of the quantum cascade laser through the rear part of the optical feedback device to be coupled with the output light of the quantum cascade laser, the optical feedback ratio reaches the high light feedback, and meanwhile, the optical feedback phase is not controlled, so that the spectral line width of the quantum cascade laser is compressed by using the high light feedback under the condition of no feedback phase control. Compared with the traditional optical feedback scheme, the invention does not need to use a piezoelectric sensor to control the phase of optical feedback, thereby having the advantages of simple device and low cost.)
技术领域
本发明涉及半导体光电技术领域激光器稳频的方法，尤其涉及一种压缩量子级联激光器光谱线宽的方法。
背景技术
量子级联激光器是一种基于电子在导带中的子带间跃迁实现受激辐射的半导体激光光源。其辐射光谱覆盖中红外和太赫兹波段，在分子光谱学、气体检测、自由空间光通信、光电对抗等领域有重要的应用价值。以上应用通常需要使用单纵模的量子级联激光器，包括单模激发的法布里-珀罗腔激光器、分布反馈激光器、分布布拉格反射激光器、垂直腔面发射激光器，以及外腔激光器。由于激光器中自发辐射所产生的噪声、激光器电流源的噪声和激光器温度控制器的噪声，以上单纵模量子级联激光器输出的激光存在有限的光谱线宽，通常在兆赫兹量级。这一线宽能够满足通常的气体检测需求，但是无法满足高分辨率分子光谱学、窄吸收峰气体小分子等场合的检测需要。因此需要压缩量子级联激光器的光谱线宽。
压缩量子级联激光器光谱线宽的常用方法包括：I.将激光器锁相到某种气体的吸收峰上，通过检测激光器频率变化所产生的误差信号控制激光器的电流进行稳频[Williams et al.,Opt.Lett.24,1844(1999)]。但是这一方法要求激光器的频率与气体的吸收峰频率近似，因此激光器丧失可调谐性。II.将激光器锁相到高品质因子光学腔的某个纵模上，当激光器频率与光学腔纵模频率不一致时产生误差信号，从而控制激光器的电流进行稳频[Taubman et al.,Spectr.Acta 60,3457(2004)]。但是这一方法要求对激光器进行相位调制。III.将激光器通过差频或者和频技术锁相到近红外波段的光频梳上[Argenceet al.,Nature Photon.9,456(2015)]。但是这一方法所需要的实验装置极为复杂。相对简易的方法包括：通过检测量子级联激光器电压的变化进行稳频[专利号WO2014/198707A1；Tombez et al.,Opt.Lett.38,5079(2013)；Sergachev,Opt.Lett.39,6411(2014)]，以及将激光器锁相到光学延迟线上[Shehzad et al.,Opt.Lett.44,3470(2019)]。以上所有方法均需要对激光器进行主动稳频，本发明提出一种利用强光反馈对量子级联激光器进行被动稳频的简易方法。
如图1所示，光反馈是指在激光器输出光路上由于某种反射装置如平面镜的存在，部分光返回到激光腔中与激光器的输出光发生耦合的现象。激光器的光谱行为与光反馈比和光反馈相位相关。光反馈比定义为反射光的光功率与自由运转激光器光功率的比值。光反馈相位由激光器和反射装置之间的距离决定。一般的半导体激光器在强光反馈条件下(反馈比大于约1％)会发生失稳，光谱线宽急剧增加。在弱光反馈条件下(反馈比小于约1％)，当反馈相位同相或近似同相时，激光器光谱线宽压缩[Schunk and Petermann,IEEEJ.Quantum.Electron.24,1242(1988)]。当反馈初始相位反相或近似反相时，激光器光谱线宽展宽。因此，在使用弱光反馈且精确控制光反馈相位的条件下能够压缩激光器的线宽。如图1所示，光反馈相位通常由压电传感器控制[Dahmani et al.,Opt.Lett.12,876(1987)]。但是以上系统的稳定性和可靠性差，因此对半导体激光器线宽压缩的效果一般。
发明内容
自由运转的量子级联激光器的光谱线宽无法满足高分辨率分子光谱学和气体小分子窄吸收峰的检测需求。为此，本发明的目的是提出一种基于强光反馈压缩量子级联激光器光谱线宽的方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种压缩量子级联激光器光谱线宽的方法，在量子级联激光器输出光路上设置光反馈装置，其特征在于，量子级联激光器的输出光经过光反馈装置后部分光返回到量子级联激光器的激光腔中与量子级联激光器的输出光发生耦合，光反馈比达到强光反馈，同时，对光反馈相位不进行控制，从而在无反馈相位控制的条件下使用强光反馈压缩量子级联激光器的光谱线宽。
优选地，采用市电驱动的电流源、市电驱动的电压源、电池驱动的低噪声电流源或电池驱动的低噪声电压源为所述量子级联激光器供电。
优选地，所述光反馈装置采用部分反射的光学透镜，或者采用与所述量子级联激光器输出光偏振方向有一定夹角的偏振片。
优选地，所述光反馈装置包括分束镜、偏振片一、偏振片二和反射镜，其中：
分束镜用于将所述量子级联激光器的输出光分为两路，一路用于光反馈，另外一路用于线宽测量；
偏振片一的偏振方向保持与所述量子级联激光器的输出光偏振方向一致；
通过旋转偏振片二改变其与偏振片一的夹角控制所述光反馈比的大小。
优选地，还包括用于进行线宽测量的线宽测量装置，通过分束镜分出的用于线宽测量的一路光输入该线宽测量装置。
优选地，还包括光束准直镜，所述量子级联激光器的输出光经过光束准直镜准直后再输入所述分束镜。
优选地，所述量子级联激光器输出波长在中红外波段或太赫兹波段，输出模式为单纵模。
与传统光反馈的方案相比，本发明不需要使用压电传感器控制光反馈的相位，因此具有装置简单、成本低的优势。另外，本发明对光反馈不可避免的相位抖动不敏感，因此具有稳定性高的优势。另一方面，本发明使用强光反馈(反馈比大于约1％)，而传统光反馈的方案只能使用弱光反馈(反馈比大于约1％)，因此，本发明对量子级联激光器光谱线宽压缩的效果好。与常用的压缩量子级联激光器的三种方案相比，本发明所提出的方案大大简化了装置的复杂度和成本。
附图说明
图1为传统弱光反馈对半导体激光器稳频的示意图。该装置需要压电传感器精确控制平面镜的位置，且光反馈强度弱(反馈比小于约1％)。
图2为本发明量子级联激光器光谱线宽压缩比与光反馈比和光反馈相位的关系图。线宽压缩比定义为自由运转激光器的线宽与光反馈下激光器的线宽比值。
图3为本发明强光反馈对量子级联激光器稳频的示意图。该装置不需要压电传感器控制平面镜的位置，且光反馈强度强(反馈比大于约1％)。
图4为本发明使用强光反馈压缩量子级联激光器光谱线宽的实施例效果图。
图5为本发明使用强光反馈压缩量子级联激光器光谱线宽及其测量的实施例图。
图6为本发明使用强光反馈抑制量子级联激光器频率噪声的实施例效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图2所示，在弱光反馈条件下(反馈比小于约1％)，取决于光反馈相位，量子级联激光器的光谱线宽可能压缩或者展宽。在强光反馈条件下(反馈比大于约1％)，对于任何光反馈相位，量子级联激光器的线宽均被压缩。因此，在强光反馈条件下，不需要任何包括压电传感器在内的相位控制装置即可有效的压缩量子级联激光器的线宽。基于以上分析，本发明提出的技术方案原理如图3所示，该方案主要包括量子级联激光器和平面镜，而不包括且不需要图1中的压电传感器。使用该方案，图4给出了强光反馈在不同反馈比下对量子级联激光器光谱线宽的压缩效果。自由运转条件下，量子级联激光器的光谱线宽为7.8MHz。反馈比为42％的条件下，该量子级联激光器的光谱线宽压缩到了107kHz。这一方案将量子级联激光器的线宽压缩了约73倍，远远优于专利WO2014/198707A1中利用量子级联激光器电压稳频方案中的2.8倍。
本发明的一种具体实现方式如图5所示，应当说明的是本发明并不限于以下描述的实施方式，还可以通过其他类似的装置，基于本发明提出的原理和原则实现相同的功能。
图5中的装置包括三个主要组成部分：I.光源部分；II.光反馈装置；III.线宽测量装置。
I.光源部分包括激光器驱动电源1、量子级联激光器2和光束准直镜3。本实施例中采用的激光器驱动电源1为市电驱动的电流源。量子级联激光器2是法布里-珀罗腔激光器。量子级联激光器2输出波长在中红外波段，输出模式为单纵模。光束准直镜3为非球面透镜，对量子级联激光器输出的激光束进行准直。
除上述技术方案之外，激光器驱动电源1还可以采用市电驱动的电压源，或电池驱动的低噪声电流源，或电池驱动的低噪声电压源为量子级联激光器2供电。量子级联激光器2还可以是分布反馈激光器、分布布拉格反射激光器、垂直腔面发射激光器、以及外腔激光器等可以输出单纵模的激光器。激光器输出波长可以在太赫兹波段。光束准直镜3并不是实施例中必须的元件，本领域技术人员也可以不使用光束准直镜3。
II.光反馈装置包括分束镜4、偏振片5、偏振片6和反射镜7。分束镜4将经过光束准直镜3准直后的激光束分为两路：一路用于光反馈，另外一路用于线宽测量。本实施例中偏振片5的偏振方向保持与激光器输出光偏振方向一致，以下将激光器输出光偏振方向简称为TM方向。偏振片6用于控制反馈光的强度。通过旋转偏振片6改变其与偏振片5的夹角能够控制光反馈比的大小。反射镜7为平面反射镜。
除上述技术方案之外，光反馈装置还有多种其他实现方式，例如采用部分反射的光学透镜，或者采用与TM方向有一定夹角的偏振片等实现光反馈。
III.线宽测量装置包括光隔离器8、鉴频器9、光电探测器10和电谱分析仪11。本实施例中，光隔离器8用于避免测量光路中器件产生的光反馈。鉴频器9使用CO气池，目的是将量子级联激光器2的频率噪声转化为强度噪声。光电探测器10将转化后的强度噪声转化为电学信号。电谱分析仪11将量子级联激光器2的频率噪声谱在频域中显示出来。量子级联激光器2的光谱线宽是通过分析其频率噪声谱得出来的。
除上述技术方案之外，线宽测量装置可以通过与其他窄线宽的激光器如光学频率梳进行混频得出来。
图6给出了使用本发明抑制量子级联激光器频率噪声的效果图。相对于自由运转的激光器，强光反馈减小了100MHz以下的频率噪声。尤其是100kHz以下的频率噪声被抑制了约40dB。激光器的光谱线宽由图中高于β线的频率噪声所决定，通过对这一部分频率噪声进行积分得到图4中的量子级联激光器光谱线宽随反馈比的变化图(具体方法参考[Domenico et al.Appl.Opt.49,4801(2010).])。