一种布里渊激光器

1.本实用新型实施例涉及激光技术，尤其涉及一种布里渊激光器。


背景技术：

2.近年来，具有高亮度、窄线宽的激光器在激光雷达、干涉测量传感器、计量学、量子物理和微波光子学等领域有着广阔的应用前景，并带动诸多交叉科学的发展。尤其是高功率、低噪声、高光束质量的极窄线宽激光光源已成为前沿科学研究中无可替代的有力工具，如空间相干光通信和激光干涉引力波探测(ligo)要求激光既满足长程传输，又具备足够的相干长度(例如线宽为10hz的激光的理论相干长度可达3万公里)。
3.基于受激布里渊散射(sbs)效应的布里渊激光器被视为获得极窄线宽、低噪声激光的潜在技术途径，并且目前已实现亚hz的极窄线宽激光输出，相比其他技术手段获得的激光线宽要窄10
3-106倍。为了获得布里渊激光输出，人们通常将布里渊增益介质设计成光纤、微腔、薄片等波导型结构，进而有效控制谐振腔腔长、促进斯托克斯光与泵浦光的相互作用、提高布里渊放大的总增益。虽然波导型结构的布里渊激光器容易获得低阈值且窄线宽的布里渊激光输出，但由于此类型振荡器的光束模体积很小，其输出功率受到了极大的限制。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例提供了一种布里渊激光器，以实现可以片上集成、具有低噪声、大功率无级联的布里渊激光输出。
5.第一方面，本实用新型实施例提供了一种布里渊激光器，包括波长可调光源、环行器、光纤和光学微腔；
6.所述波长可调光源用于提供泵浦光；
7.所述波长可调光源的输出端与所述环行器的第一端连接，所述环行器的第二端与所述光纤连接；
8.所述光纤从所述环行器的第二端延伸至所述光学微腔，延伸至所述光学微腔的所述光纤包括锥状结构，所述光纤通过所述锥状结构与所述光学微腔耦合；
9.其中，所述光学微腔包括衬底和位于所述衬底一侧的支撑柱和腔体；
10.所述波长可调光源出射的泵浦光经过所述环行器后耦合入所述光纤，所述泵浦光通过所述锥状结构耦合入所述光学微腔；
11.调节所述泵浦光的波长、功率以及所述锥状结构与所述光学微腔的距离，使所述泵浦光在所述光学微腔中激发出布里渊激光，所述泵浦光和所述布里渊激光在所述光学微腔的不同光学模式族中；
12.所述布里渊激光耦合入所述光纤，并从所述环行器的第二端输入，从所述环行器的第三端输出。
13.可选的，还包括设置于所述波长可调光源和所述环行器之间的光放大器，所述光
放大器用于将所述泵浦光放大。
14.可选的，所述光放大器为半导体光放大器；
15.所述布里渊激光器还包括第一准直器、光隔离器和第二准直器；
16.所述第一准直器、所述半导体光放大器、所述光隔离器和所述第二准直器在所述波长可调光源和所述环行器之间沿光路依次排列；
17.所述第一准直器的输入端与所述波长可调光源的输出端耦合，用于将所述泵浦光准直后输入所述半导体光放大器；
18.所述半导体光放大器用于将所述泵浦光放大；
19.所述光隔离器用于使放大后的泵浦光单向传输；
20.所述第二准直器的输出端与所述环行器的第一端连接。
21.可选的，所述光放大器为光纤放大器；
22.所述波长可调光源与所述光纤放大器的输入端连接；
23.所述光纤放大器的输出端与所述环行器的第一端连接。
24.可选的，还包括设置于所述光放大器和所述环行器之间的可调衰减器，所述可调衰减器用于调整放大后的泵浦光的输出功率。
25.可选的，所述腔体包括环芯腔、微球腔、微盘腔或微环腔的任意一种。
26.可选的，所述光纤与所述光学微腔集成于同一基片衬底上。
27.可选的，所述波长可调光源包括波长可调激光器。
28.可选的，所述光学微腔的衬底材料包括硅，所述腔体的材料包括二氧化硅、金属氟化物、硫系玻璃或氮化硅。
29.第二方面，本实用新型实施例还提供一种布里渊激光产生方法，利用上述的布里渊激光器输出布里渊激光，包括：
30.波长可调光源输出泵浦光，所述泵浦光通过光纤耦合入光学微腔；
31.调节所述泵浦光的波长、功率以及所述锥状结构与所述光学微腔的距离，使所述泵浦光在所述光学微腔中激发出布里渊激光。
32.本实用新型实施例提供的布里渊激光器，包括波长可调光源、环行器、光纤和光学微腔；其中，光纤包括锥状结构，光纤可以通过锥状结构和光学微腔进行耦合，光学微腔包括衬底和位于所述衬底一侧的支撑柱和腔体。波长可调光源输出的泵浦光通过光纤中的锥状结构耦合进入光学微腔，通过调节泵浦光的功率及锥状结构与光学微腔的距离，当泵浦光功率超过布里渊散射的阈值时，在光学微腔中产生受激布里渊散射；通过调节泵浦光的波长，当泵浦光泵浦模式(高频)和布里渊散射的布里渊模式(低频)之间的频率间隔等于布里渊声学模式频率时，输出低噪声的布里渊激光。而且本实用新型实施例通过合理设置光学微腔的尺寸，使泵浦模式和布里渊模式处于不同的光学模式族中，可以避免产生级联的布里渊激光，有利于实现大功率的布里渊激光输出。本实施例提供的布里渊激光器，所采用的光学微腔容易单片集成，工艺简单，降低了布里渊激光产生的难度，进一步的拓宽了布里渊激光的应用。
附图说明
33.图1为本实用新型实施例提供的一种布里渊激光器的结构示意图；
34.图2为本实用新型实施例提供的布里渊激光器的光路原理示意图；
35.图3为本实用新型实施例提供的级联和非级联布里渊激光产生过程示意图；
36.图4为本实用新型实施例提供的另一种布里渊激光器的结构示意图；
37.图5为本实用新型实施例提供的又一种布里渊激光器的结构示意图；
38.图6为本实用新型实施例提供的又一种布里渊激光器的结构示意图；
39.图7为本实用新型实施例提供的一种光学微腔的俯视结构示意图；
40.图8为图7中沿剖线a-a
′
的剖面结构示意图；
41.图9为本实用新型实施例提供的一种微环芯腔的扫描电镜显微示意图；
42.图10为本实用新型实施例提供的布里渊激光器的泵浦光功率与布里渊激光功率的关系示意图；
43.图11为本实用新型实施例提供的布里渊激光的光谱示意图；
44.图12为本实用新型实施例提供的布里渊激光的频率噪声示意图；
45.图13为本实用新型实施例提供的一种布里渊激光产生方法的流程示意图。
具体实施方式
46.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
47.在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。需要注意的是，本实用新型实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本实用新型实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
48.图1所示为本实用新型实施例提供的一种布里渊激光器的结构示意图。参考图1，本实施例提供的布里渊激光器包括波长可调光源10、环行器20、光纤30和光学微腔40；波长可调光源10用于提供泵浦光；波长可调光源10的输出端与环行器20的第一端连接，环行器20的第二端与光纤30连接；光纤30从环行器20的第二端延伸至光学微腔40，延伸至光学微腔40的光纤30包括锥状结构(图1中未示出)，光纤30通过锥状结构与光学微腔40耦合；其中，光学微腔40包括衬底和位于衬底一侧的支撑柱和腔体；波长可调光源10出射的泵浦光经过环行器20后耦合入光纤30，泵浦光通过锥状结构耦合入光学微腔40；调节泵浦光的波长、功率以及锥状结构与光学微腔40的距离，使泵浦光在光学微腔40中激发出布里渊激光，泵浦光和布里渊激光在光学微腔的不同光学模式族中；布里渊激光耦合入光纤30，并从环行器20的第二端输入，从环行器30的第三端输出。
49.其中，本实施例中，波长可调光源10可以包括波长可调激光器，例如半导体激光器、光纤激光器等，能够输出预设波长范围内可连续调节的泵浦光，例如1550nm、1064nm、780nm等波段的泵浦光。光学微腔40为一种片上集成器件，其中可以集成在作为衬底的硅片
上。光纤30中传输的光在锥状结构产生倏逝场，实现光学微腔40与光纤30的耦合，锥状结构可以通过光纤熔融拉锥得到。通过控制锥状结构与光学微腔40的距离，可以调节泵浦光与光学微腔40的耦合效率。在具体实施时，波长可调光源10和环行器20可以通过光纤连接，可以在波长可调光源10和环行器之间插入偏振控制器，偏振控制器用来调节泵浦光的偏振态。
50.布里渊散射是回音壁型光学微腔中常见的非线性现象，起源于激光电场与分子或固体中的声波场的相互作用，也就是光子与声子的相互作用，又称声子散射。在激光的电场作用下，通过电致伸缩效应，使介质发生周期性密度和介电常数的变化，感生声波场，从而导致入射光与声波场间发生相干散射过程。换言之，当一个泵浦光子湮灭，同时产生一个斯托克斯光子和一个声子的过程。布里渊散射现象产生的方法是需要两个间隔刚好为布里渊频移量的光学模式，一个作为泵浦模式去激发另一个布里渊模式，在反向光路中观察布里渊激光。布里渊激光能有效压窄泵浦激光的线宽，可以实现窄线宽激光器，在制作陀螺仪等方面有重要应用。
51.图2为本实用新型实施例提供的布里渊激光器的光路原理示意图。参考图2，频率为ω
p
的泵浦光经过光纤的锥状结构耦合进入光学微腔，泵浦光在腔内正向(顺时针)传播。经过受激布里渊散射过程产生斯托克斯光，在布里渊模式频率处产生布里渊激光ωs。本实施例中，要求泵浦模式(高频)与布里渊模式(低频)之间的频率间隔等于布里渊声学模式频率，其中布里渊声学模式频率n表示腔体材料的折射率，va表示腔体材料的声速，λ
p
表示泵浦光的波长。
52.本实施例中，为了提高布里渊激光的功率，泵浦光和布里渊激光在光学微腔的不同光学模式族中，以避免布里渊激光发生级联。图3为本实用新型实施例提供的级联和非级联布里渊激光产生过程示意图，其中图3中(a)为级联的情况，泵浦光pump产生的布里渊光sbl之间的频率差恰好为光学微腔的自由光谱范围fsr，前一级泵浦光激发的布里渊光进一步激发出下一级的布里渊光，然后布里渊光产生级联cascading，(b)为非级联non-casdading的情况，通过设置泵浦光和布里渊激光在光学微腔的不同光学模式族中，可以避免布里渊激光发生级联，提高布里渊激光的输出功率。
53.本实施例的技术方案，通过波长可调光源输出的泵浦光通过光纤中的锥状结构耦合进入光学微腔，通过调节泵浦光的功率及锥状结构与光学微腔的距离，当泵浦光功率超过布里渊散射的阈值时，在光学微腔中产生受激布里渊散射；通过调节泵浦光的波长，当泵浦光泵浦模式(高频)和布里渊散射的布里渊模式(低频)之间的频率间隔等于布里渊声学模式频率时，输出低噪声的布里渊激光。而且本实用新型实施例通过合理设置光学微腔的尺寸，使泵浦模式和布里渊模式处于不同的光学模式族中，可以避免产生级联的布里渊激光，有利于实现大功率的布里渊激光输出。本实施例提供的布里渊激光器，所采用的光学微腔容易单片集成，工艺简单，降低了布里渊激光产生的难度，进一步的拓宽了布里渊激光的应用。
54.在上述技术方案的基础上，图4为本实用新型实施例提供的另一种布里渊激光器的结构示意图。参考图4，可选的，布里渊激光器还包括设置于波长可调光源10和环行器20之间的光放大器50，光放大器50用于将泵浦光放大。
55.可以理解的是，在具体实施时，波长可调光源10输出的泵浦光的功率可能较小，无法达到激发出可以发生布里渊激光的泵浦光的阈值功率，因此，可以在波长可调光源10和环行器20之间光路上设置光放大器50，以将泵浦光的功率放大到阈值功率之上。
56.图5为本实用新型实施例提供的又一种布里渊激光器的结构示意图。参考图5，可选的，光放大器50为半导体光放大器；布里渊激光器还包括第一准直器51、光隔离器52和第二准直器53；第一准直器51、半导体光放大器、光隔离器52和第二准直器53在波长可调光源10和环行器20之间沿光路依次排列；第一准直器51的输入端与波长可调光源10的输出端耦合，用于将泵浦光准直后输入半导体光放大器；半导体光放大器用于将泵浦光放大；光隔离器52用于使放大后的泵浦光单向传输；第二准直器53的输出端与环行器20的第一端连接。
57.可以理解的是，半导体光放大器一般传输自由空间的光束，波长可调光源10可以通过光纤输出泵浦光，在经过第一准直器51后，将光纤中的传输光转变为自由空间中的平行光，并在通过半导体光放大器提高光功率后对泵浦光进行增益放大，在经过光隔离器52后使得放大后的泵浦光只能沿着正向传输，防止背向反射光对半导体光放大器造成损伤，在经过第二准直器53后将功率放大后的自由空间平行光重新耦合进入至光纤中继续传输。
58.在另一实施例中，可选的，光放大器50为光纤放大器；波长可调光源10与光纤放大器的输入端连接；光纤放大器的输出端与环行器20的第一端连接。
59.可以理解的是，光放大器50还可以为光纤放大器，光路只在光纤30中传输，降低光路的耦合难度。在其他实施例中，也可以选用其他类型的光放大器，本实用新型实施例对此不作限定。
60.图6为本实用新型实施例提供的又一种布里渊激光器的结构示意图。参考图6，可选的，布里渊激光器还包括设置于光放大器50和环行器20之间的可调衰减器60，可调衰减器60用于调整放大后的泵浦光的输出功率。
61.可选的，腔体包括环芯腔、微球腔、微盘腔或微环腔的任意一种。可选的，光学微腔的衬底材料包括硅，腔体的材料包括二氧化硅、金属氟化物、硫系玻璃或氮化硅。具体实施时可以根据实际情况选择光学微腔的类型和材料，本实用新型实施例对此不作限定。
62.可选的，光纤与光学微腔集成于同一基片衬底上。这样可以提高激光器的集成性能。
63.示例性的，在本实用新型实施例的某一实施例中，光学微腔采用环芯腔，图7为本实用新型实施例提供的一种光学微腔的俯视结构示意图，图8为图7中沿剖线a-a
′
的剖面结构示意图。参考图7和图8，该光学微腔为包括衬底31和位于衬底一侧的支撑柱32和腔体33，环芯腔外边缘轮廓俯视呈圆形(如图7所示)，由中间的盘状结构以及边缘的环芯结构组成。通过改变环芯腔两个关键尺寸d和d，可以改变微腔的模式体积，模式体积为光学模式在空间中分布所在的体积，对于微环芯腔来说，其尺寸越大，同一波长范围的模式体积越大。本实施例中，使用较大模式体积的微腔，降低热效应对光学模式的影响，使微腔能够支持大功率布里渊激光输出，而且所使用微腔的色散不利于克尔光频梳的产生，使微腔能够支持大功率布里渊激光输出。
64.图9为本实用新型实施例提供的一种微环芯腔的扫描电镜显微示意图，利用图9中的微环芯腔，图10为本实用新型实施例提供的布里渊激光器的泵浦光功率与布里渊激光功率的关系示意图，本实施例中，布里渊激光的最大输出功率超过33mw。图11为本实用新型实
施例提供的布里渊激光的光谱示意图，图12为本实用新型实施例提供的布里渊激光的频率噪声示意图，由图12可知，其基础线宽(fundamental linewidth)约为63mhz，本实用新型实施例提供的布里渊激光具有大功率、低噪声的特点。
65.图13为本实用新型实施例提供的一种布里渊激光产生方法的流程示意图，由上述实施例提供的任意一种布里渊激光器产生布里渊激光，参考图13，该布里渊激光产生方法包括：
66.步骤s110、波长可调光源输出泵浦光，泵浦光通过光纤耦合入光学微腔。
67.步骤s120、调节泵浦光的波长、功率以及锥状结构与光学微腔的距离，使泵浦光在光学微腔中激发出布里渊激光。
68.本实用新型实施例的技术方案，波长可调光源输出的泵浦光通过光纤中的锥状结构耦合进入光学微腔，通过调节泵浦光的功率及锥状结构与光学微腔的距离，当泵浦光功率超过布里渊散射的阈值时，在光学微腔中产生受激布里渊散射；通过调节泵浦光的波长，当泵浦光泵浦模式(高频)和布里渊散射的布里渊模式(低频)之间的频率间隔等于布里渊声学模式频率时，输出低噪声的布里渊激光。而且本实用新型实施例通过合理设置光学微腔的尺寸，使泵浦模式和布里渊模式处于不同的光学模式族中，可以避免产生级联的布里渊激光，有利于实现大功率的布里渊激光输出。本实施例提供的布里渊激光器，所采用的光学微腔容易单片集成，工艺简单，降低了布里渊激光产生的难度，进一步的拓宽了布里渊激光的应用。
69.注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。