带有光学反馈的激光器系统技术方案

本发明专利技术涉及带有光学反馈的激光器系统，包括：光学反馈敏感的激光器(110)，其经由输出光纤(111)发射称为源波的频率可调连续传播源光波(L0p)；谐振光学腔，其通过光学反馈耦合到激光器并被配置成生成腔内波(L5)，腔内波(L5)的部分以反向传播光波(L0c)形式返回到激光器；放置在激光器与谐振光学腔之间光路上的光纤电光调制器(115)，所述电光调制器被配置成通过使源波相移生成相移的源波(L1p)以及通过使反向传播光波相移生成称为反馈波的相移的反向传播波(L0c)，反馈波到达激光器；相位控制装置(130)，用于从表示源波(L0p)与反馈波(L0c)之间相对相位的误差信号(SE)生成电光调制器的控制信号(SC)以抵消源波与反馈波之间的相对相位。

Laser System with Optical Feedback

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】带有光学反馈的激光器系统
本说明书涉及一种激光器系统，其包括通过光学反馈耦合到谐振光学腔的激光器，并且涉及一种用于借助于这种激光器系统生成光波的方法。
技术介绍
专利申请WO03/031949描述了一种激光器系统，其包括激光器，该激光器通过光学反馈耦合到激光器外部的谐振光学腔，用于检测痕量气体。由激光器发射的连续波形源波中的一部分通过光学耦合系统被注入谐振光学腔中。光学腔位于气体可以注入其中以进行分析的腔室中。在谐振光学腔中生成的光波中的一部分(在此称为腔内波)被发送回激光器。当激光器对光学反馈敏感时(这是例如半导体激光器的情况)，发生光学反馈效应，使得源波的频率变得受控于谐振光学腔的谐振模式的频率。这导致源波的频谱的谱窄化，该源波变得集中在谐振光学腔的谐振模式的频率上。光学反馈(例如在前述专利申请中所描述的)借助于对由激光器发射的源波的谱特性的控制，允许激光器的发射波长和在该波长下的谱宽度、光子到谐振光学腔中的注入均被优化，并且激光器系统关于痕量气体的检测的灵敏度增加。然而，这些受控和谱窄化效应仅在某些条件下发生。具体地有必要使从谐振光学腔发出并指向激光器的波与由激光器产生的腔内波同相。在诸如前述专利申请中描述的那些的设置中，这意味着以高精度控制激光器与谐振光学腔之间的距离，因为如果一个激光器/腔往返行程的总光路不是由激光器发射的波长的倍数，则出现相移。此外，考虑到热机械效应或者空气的折射率的与压力或温度有关的变化，这些条件大体上可以被动地维持仅约几秒量级的有限时间。大体上，从谐振光学腔发出的波与激光器的源波之间的相对相位是波长的函数。前述专利申请利用这样的事实：在谐振光学腔的臂的长度的倍数的距离下，谐振波的电场必然与激光器的电场同相，而无论波长如何：特别地，不仅在光学腔的后镜上而且还在激光器的腔的镜上，电场在谐振下必然为零。例如，通过将激光器放置成使得其相对于谐振光学腔的输入镜定位在等于光学腔的不在激光器的轴线上的臂的长度的距离处，有可能使激光器的发射波长在不需要校正激光器与谐振光学腔之间的距离的情况下变化。然后所有要求的是使用一个元件来精细地调整激光器与谐振光学腔之间的距离。该元件例如是安装在压电换能器上的镜，其允许激光器与谐振光学腔之间的距离被精细地调整。然而，这样的调整具体地由于压电换能器的受限通带以及由于找到镜的允许源波与通过从谐振光学谐振腔传输输出的波之间的相对相位被抵消的位置所必要的时间而引入限制。实践中，就获得在各种激光器发射频率下的光学反馈而言，这些约束一起意味着在给定环境中激光器系统的调整可能要求几个小时。从而，似乎存在克服这些约束和/或简化激光器系统调整操作的需要。
技术实现思路
根据第一方面，本说明书的主题是一种带有光学反馈的激光器系统，该激光器系统包括：-激光器，其对光反学馈敏感并且旨在经由输出光纤发射被称为源波的频率可调的连续波形正向传播源光波；-谐振光学腔，其通过光学反馈耦合到激光器并且其被配置成生成腔内波，腔内波中的一部分以反向传播光波的形式返回到激光器；-基于光纤的电光调制器，其被放置在激光器与谐振光学腔之间的光路上，该电光调制器被配置成通过使源波相移生成相移的源波并且通过使反向传播光波相移生成被称为反馈波的相移的反向传播波，该反馈波到达激光器；-相位控制装置，其用于从表示源波与反馈波之间的相对相位的误差信号来生成用于控制电光调制器的信号以便抵消源波与反馈波之间的相对相位。源波与反馈波之间的相对相位在此也被称为相对激光器/腔相位或者甚至激光器/腔相移。相对激光器/腔相位被表示为Φlc。相对激光器/腔相位Φ以2π取模确定，并由以弧度表示的角度值给出。类似地，由电光调制器完成的相位调整ΔΦ(或相移)由以弧度表示的角度值给出。该相位调整ΔΦ对应于在源波的往返激光器/腔行程上的总调整，即对源波进行的相位调整ΔΦ1和对反馈波进行的相位调整ΔΦ2的总和。该相位调整ΔΦ可以小于、等于或大于2π。ΔΦ＝2π(相应地，-2π)的相位调整对应于光路以等于源波的波长λ的长度的伸长(相应地，缩短)。更一般地，ΔΦ＝2πδ/λ的相位调整对应于光路以(正或负)长度δ的调整。基于光纤的电光调制器用于施加相位校正，并且更准确地说用于修改源波与反馈波之间的相对相位。从而，完全消除了关于激光器与谐振光学腔之间的距离的约束，因为电光调制器允许获得折射率足够大范围的变化以允许在激光源的所有波长范围内实现多于一个半波长的相位调整。该相位调整ΔΦ同时对传递到电光调制器的源波和反向传播波进行，从该反向传播波生成反馈波。因此，在往返行程上测量的相位调整可以对应于光路以多于源波的一个波长λ的伸长。由电光调制器完成的相位调整ΔΦ相当于源波的光路这样的调整(即伸长或缩短)：使得激光器/腔相移以2π取模为零，这对应于源波的波长λ的整数倍的光路。当激光器/腔相移为零时，激光器与谐振光学腔之间耦合的程度最大化并且谐振光学腔的传输也最大化。此外，通过用配置成进行相位调整的具有可调折射率的电光调制器替换用于调整激光器与谐振光学腔和镜之间的距离的机械元件，获得了一种灵活、简单并且允许有效地实现激光/腔相移的几乎瞬时调整的解决方案。另外，与使用迭代过程来找到镜的位置从而允许无论波长如何都抵消激光器/腔相移的前述解决方案相反，借助于电光调制器生成的相位校正允许取决于正向传播源光波的波长来调整激光器/腔相移。响应时间短于0.1纳秒(ns)，比镜的机械调整所要求的几毫秒(ms)的响应时间短得多。此外，基于表示相对相位的误差信号SE可以几乎瞬时地施加相位校正。另外，基于例如所存储的针对各种波长值进行的相对相位测量可以在计算上设定待完成的相位调整ΔΦ，以便进一步增加完成调整的快速性。此外，输出是光纤耦合的激光器的使用是显著的进步，因为其不仅允许激光器被快速地更换，而且其还允许执行附加功能的基于光纤的光学模块被容易地插入，例如允许以下功能的模块：分裂光束(光纤分路器或光纤环行器)；以各种波长发射的激光束的串行或并行多路复用(光学开关或WDM或波长解复用器)；光束放大(光纤放大器SOA或BOA)以便控制激光器系统的光学反馈的程度或输出功率；等等。在激光器系统的至少一个实施例中，谐振光学腔由包括至少一个输出镜的至少两个镜形成；并且相位控制装置被配置成从腔内波经由所述输出镜从谐振光学腔出射的部分生成用于控制电光调制器的信号。在激光器系统的至少一个实施例中，谐振光学腔由包括输入镜的至少两个镜形成；并且相位控制装置被配置成从由相移的源波被输入镜反射的部分与腔内波在反向传播方向上经由谐振光学腔的输入镜传输的部分之间干涉所得的波生成用于控制电光调制器的信号。在激光器系统的至少一个实施例中，相位控制装置被配置成从反向传播光波在反向传播方向上在电光调制器的输入处被采样的部分生成用于控制电光调制器的信号。在激光器系统的至少一个实施例中，电光调制器被进一步配置成通过取决于误差信号围绕平均值调制源波的相位来生成经调制的光学信号，并且相位控制装置被配置成经由锁定检测方法从反向传播光波在反向传播方向上在电光调制器的输入处被采样的部分产生控制信号。在激光器系统的至少一个实施例中，输出光纤是保偏光纤。在激光器系统的至少一个实施例中，激光器在其输出处没有光学隔离器。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带有光学反馈的激光器系统，其包括：‑激光器(110；510A；610A；710A)，其对光学反馈敏感并且旨在经由输出光纤(111；511A；611A；711A)发射称为源波的频率可调的连续波形正向传播源光波；‑谐振光学腔(120)，其通过光学反馈耦合到所述激光器并且其被配置成生成腔内波(L5)，所述腔内波(L5)中的一部分以反向传播光波(L1c；L51Ac，L61Ac，L71Ac)的形式返回到所述激光器；‑基于光纤的电光调制器(115；615A；715A)，其被放置在所述激光器与所述谐振光学腔之间的光路上，所述电光调制器被配置成通过使所述源波相移生成相移的源波(L1p；L51Ap，L61Ap，L71Ap)并且通过使所述反向传播光波相移生成称为反馈波的相移的反向传播波(L0c；L50Ac，L60Ac，L70Ac)，所述反馈波到达所述激光器；‑相位控制装置(130；230A；230B；230C；230D；230E；530；630；730A)，其用于从表示所述源波(L0p；L50Ap，L60Ap，L70Ap)与所述反馈波(L0c；L50Ac，L60Ac，L70Ac)之间的相对相位的误差信号(SE)生成用于控制所述电光调制器的信号(SC；SC6A，SC7A)，以便抵消所述源波与所述反馈波之间的相对相位。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.27 FR 16591071.一种带有光学反馈的激光器系统，其包括：-激光器(110；510A；610A；710A)，其对光学反馈敏感并且旨在经由输出光纤(111；511A；611A；711A)发射称为源波的频率可调的连续波形正向传播源光波；-谐振光学腔(120)，其通过光学反馈耦合到所述激光器并且其被配置成生成腔内波(L5)，所述腔内波(L5)中的一部分以反向传播光波(L1c；L51Ac，L61Ac，L71Ac)的形式返回到所述激光器；-基于光纤的电光调制器(115；615A；715A)，其被放置在所述激光器与所述谐振光学腔之间的光路上，所述电光调制器被配置成通过使所述源波相移生成相移的源波(L1p；L51Ap，L61Ap，L71Ap)并且通过使所述反向传播光波相移生成称为反馈波的相移的反向传播波(L0c；L50Ac，L60Ac，L70Ac)，所述反馈波到达所述激光器；-相位控制装置(130；230A；230B；230C；230D；230E；530；630；730A)，其用于从表示所述源波(L0p；L50Ap，L60Ap，L70Ap)与所述反馈波(L0c；L50Ac，L60Ac，L70Ac)之间的相对相位的误差信号(SE)生成用于控制所述电光调制器的信号(SC；SC6A，SC7A)，以便抵消所述源波与所述反馈波之间的相对相位。2.根据权利要求1所述的激光器系统，其中：-所述谐振光学腔(120)由包括至少一个输出镜(125)的至少两个镜形成，-所述相位控制装置被配置成从所述腔内波经由所述输出镜(125)从所述谐振光学腔出射的部分(L3)生成用于控制所述电光调制器(115)的信号(SC)。3.根据权利要求1所述的激光器系统，其中：-所述谐振光学腔(120)由包括输入镜(123)的至少两个镜形成，-所述相位控制装置被配置成从由所述相移的源波被所述输入镜(123)反射的部分(L2r)与所述腔内波(L5)经由所述输入镜在反向传播方向上传输的部分(L2c)之间的干涉所得的波(L6)生成用于控制所述电光调制器(115)的信号(SC)。4.根据权利要求1所述的激光器系统，其中所述相位控制装置被配置成从所述反向传播光波(L1c)在反向传播方向上在所述电光调制器(115)的输入处被采样的部分生成用于控制所述电光调制器(115)的信号(SC)。5.根据权利要求1所述的激光器系统，其中所述电光调制器被进一步配置成通过取决于所述误差信号围绕平均值调制所述源波的相位来生成经调制的光学信号，并且所述相位控制装置被配置成经由锁定检测方法从所述反向传播光波(L1c)在反向传播方向上在所述电光调制器(115)的输入处被采样的部分来产生控制信号(SC)。6.根据前述权利要求中任一项所述的激光器系统，其中所述输出光纤是保偏光纤。7.根据前述权利要求中任一项所述的激光器系统，其中所述激光器在其输出处没有光学隔离器。8.根据前述权利要求中任一项所述的激光器系统，其包括放置在所述源波的光路上在基于光纤的所述电光调制器(115)之前或之后的至少一个基于光纤的光学部件(102；103)，所述基于光纤的光学部件是选自由光学放大器、光学耦合器和光学环行器构成的组的部件。9.根据权利要求1至8中任一项所述的激光器系统，其包括：-至少一个第二激光器(510B，510C)，其对光学反馈敏感并且其经由输出光纤(511B，511C)发射频率可调的第二连续波形正向传播源光波(L50Bp，L50Cp)；-基于光纤的光学开关(550)，其被配置成接收从第一激光器和所述至少一个第二激光器输出的所述正向传播源光波(L50Ap，L50Bp，L50Cp)，用于选择所接收的正向传播源光波中的一个并且用于向基于光纤的所述电光调制器传输所选择的正向传播源光波。10.根据权利要求1至8中任一项所述的激光器系统，其包括：-至少一个第二激光器(610B，610C)，其对光学反馈敏感并且其经由输出光纤发射频率可调的对应的第二连续波形正向传播源光波(L60Bp，L60Cp)；-至少一个基于光纤的第二电光调制器(615B，615C)，其被放置在对应的所述第二激光器(610B，610C)与所述谐振光学腔之间的...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·卡西，
申请(专利权)人：国立科学研究中心，
类型：发明
国别省市：法国,FR