一种基于量子级联激光器的全光纯频率调制系统的制作方法

本发明涉及自由空间红外光通信技术、红外激光光谱技术领域，具体涉及一种基于量子级联激光器的全光纯频率调制系统。

背景技术：

现有技术中，量子级联激光器作为一种广泛使用的红外相干光源，其具有线宽窄、功率高、可在室温环境下工作等优点。由于中红外激光在大气中的传输损耗低，使得其具有自由空间光通信的应用优势；由于中红外波段覆盖了绝大多数气体分子的指纹光谱区，所以使得是对于痕量气体检测具有巨大的优势。频率调制技术可以调高量子级联激光器的传输带宽和光谱信号的信噪比，但频率调制必定伴随着振幅调制，振幅调制则影响着信号的准确度，所以抑制振幅调制，实现纯频率调制是有着重要应用价值的。

采用光、电结合的方式实现对量子级联激光器纯频率调制虽然已有报道，然而，电调制的方式受寄生电容的影响，调制速度受到限制，无法实现高速调制，且光、电结合的方式受到激光器电流热效应，使得量子级联激光器输出波长红移，降低了由光调制引起的激光频率变化量，大大限制了红外激光光谱技术和自由空间红外光通讯技术的发展。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于量子级联激光器的全光纯频率调制系统，解决电调制的方式受寄生电容的影响，调制速度受到限制，且光、电结合的方式受到激光器电流热效应，使得量子级联激光器输出波长红移，降低了由光调制引起的激光频率变化量的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于量子级联激光器的全光纯频率调制系统，其特征在于包括量子级联激光器、高精度电流源、恒温控制装置、双光束调制系统、光束准直器、分束器、傅里叶红外光谱仪、光束聚焦器、高频红外探测器、高精度示波器，其中：

量子级联激光器：用于产生可见光或近红外光；

高精度电流源：用于向量子级联激光器提供直流或者脉宽为tp、重复频率为ωr的电流脉冲序列，使得量子级联激光器工作在直流或脉冲模式下；

恒温控制装置：用于为量子级联激光器提供一个恒定温度的工作环境，保证量子级联激光器的稳定工作；

双光束调制系统：用于对量子级联激光器输出的光进行两种调制，其中一个增大调制，另一个减小调制，并且使得输出光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比，实现量子级联激光器的振幅、频率调制、振幅抑制，实现纯频率调制，并输出调制后的光波；

光束准直器：对量子级联激光器输出的光波进行准直调节并输出至分束器；

分束器：将光束准直器输出的光波分成两束功率相同的光束，其中一束经耦合入傅里叶红外光谱仪，另一束则经过光束聚焦器聚焦在高频红外探测器的探测面上；

傅里叶红外光谱仪：用于对量子级联激光器输出红外光波长变化的测量；

高频红外探测器：将所探测到的光信号转化成为电信号传递给高精度示波器，由高精度示波器实现信号的显示。

本发明的量子级联激光器可以是法布里-泊罗型量子级联激光器，也可以是分布反馈型量子级联激光器，通过高精度电流源向量子级联激光器提供直流或者脉宽为tp、重复频率为ωr的电流脉冲序列，使得量子级联激光器工作在直流或脉冲模式下；通过恒温装置为量子级联激光器提供一个恒定温度的工作环境，保证量子级联激光器的稳定工作，通过双光束调制系统对量子级联激光器输出的光进行调制，使得量子级联激光器输出光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比，实现量子级联激光器的振幅、频率调制、以及振幅抑制，实现纯频率调制，调制后的光波经过光束准直器和分束器后，分成两束功率相同的光束，其中一束经耦合入傅里叶红外光谱仪，另一束则经过光束聚焦器聚焦在高频红外探测器的探测面上，高频红外探测器将所探测到的光信号转化成为电信号传递给高精度示波器，由高精度示波器实现信号的显示，并由高精度电流源做同步触发，最终获得的信号可以传递给计算机做实时分析、处理、存储，本发明的双光束调制系统与量子级联激光器配合后，实现了纯频率调制，相对于现有技术中的光电混合调制方式而言，其调制的速度不受寄生电容的影响而大大提高，也不受激光器电流热效应影响，解决了量子级联激光器输出波长红移的问题，降低了由光调制引起的激光频率变化量。

具体地讲，所述的双光束调制系统包括频率调制光源、振幅调制抑制光源、多路同步输出半导体激光器驱动、第一光束准直器、第一光束聚焦器、以及第二光束准直器、第二光束聚焦器，其中：

多路同步输出半导体激光器驱动：用于提供幅值为a的直流或重复频率为ωm的电流脉冲序列，使得频率调制光源工作在直流或脉冲模式下；同时提供幅值为b的直流或重复频率为ωm的电流脉冲序列，且与频率调制光源的驱动电流保持同步，使得振幅调制抑制光源工作在直流或脉冲模式下；

频率调制光源：作为可见或近红外的激光光源，产生中心波长为λ1的可见或近红外光束，并通过第一光束准直器和第一光束聚焦器后将可见或近红外光束聚焦在量子级联激光器的出射端面，引起量子级联激光器输出的红外光波以频率ωm振荡，且振幅增大，输出光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比；

振幅调制抑制光源：作为可见或近红外的激光光源，产生中心波长为λ2的可见或近红外光束，其中λ1>λ2，并通过第二光束准直器和第二光束聚焦器后将可见或近红外光束聚焦在量子级联激光器的出射端面，引起量子级联激光器输出的红外光波以频率ωm振荡，且振幅减小，输出光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比。

本发明的核心就是双光束调制系统，频率调制光源的中心波长为λ1；通过多路同步输出半导体激光器驱动提供幅值为a的直流或重复频率为ωm的电流脉冲序列，使得频率调制光源工作在直流或脉冲模式下；并通过第一光束准直器和第一光束聚焦器将可见或近红外光束聚焦在量子级联激光器的出射端面，引起量子级联激光器输出的红外光波以频率ωm振荡，且振幅增大，输出光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比，从而实现分布反馈式量子级联激光器的振幅、频率调制；振幅调制抑制光源的中心波长为λ2，其中λ1>λ2；通过多路同步输出半导体激光器驱动提供幅值为b的直流或重复频率为ωm的电流脉冲序列，且保证与频率调制光源的驱动电流保持同步，使得振幅调制抑制光源工作在直流或脉冲模式下；并通过第二光束准直器和第二光束聚焦器将可见或近红外光束聚焦在量子级联激光器的出射端面，引起量子级联激光器输出的红外光波以频率ωm振荡，且振幅减小，输出光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比，从而实现分布反馈式量子级联激光器的振幅抑制，实现纯频率调制；频率调制光源、振幅调制抑制光源所输出的可见或近红外光同步，两者均由通过多路同步输出半导体激光器驱动提供的直流或幅值不同、相位相同、重复频率为ωm的电流脉冲序列驱动，使得由频率调制光源所引起的量子级联激光器输出红外光正振幅调制同时被由振幅调制抑制光源所引起的量子级联激光器输出红外光负振幅调制抵消，实现纯频率调制。

所述频率调制光源所发出的可见或近红外光，其对应的光子能量与量子级联激光器中价带顶与导带激光上能级的带隙能量相等或相差不大于1个声子能量；振幅调制抑制光源所发出的可见或近红外光，其对应的光子能量大于量子级联激光器中价带顶与导带激光上能级的带隙能量。具体地讲，为了更好的实现本发明的目的，通过对双光束调制系统的光波能量进行不同的实验和理论验证后，找到了最佳的实施方案：采用频率调制光源所发出的可见或近红外光，其对应的光子能量接近于量子级联激光器中带隙较小的半导体材料带隙能量，通过光致激发使得量子级联激光器谐振腔内部电子由价带跃迁至导带激光上能级，进而增加了导带激光上能级上的电子数目，增加了激光增益，实现了对量子级联激光器的正振幅调制，与此同时，导带激光上能级电子数目的增加，将改变量子级联激光器的谐振腔折射率，从而改变了量子级联激光器的谐振腔的有效腔长，进而改变了量子级联激光器输出红外波长或频率，实现了对量子级联激光器的频率调制；振幅调制抑制光源所发出的可见或近红外光，其对应的光子能量远大于量子级联激光器中带隙较小的半导体材料带隙能量，通过光致激发使得量子级联激光器谐振腔内部电子由价带跃迁至导带，过高的能量使得电子不仅跃迁至激光上能级，还包括更高能量的能级及其能级的高k态，在短时间内，电子通过电子-电子散射，电子-声子散射的方式释放能量，大部分能量将以热能的方式增加电子温度，而电子温度的增加会增加量子级联激光器的阈值电流，进而降低量子级联激光的红外光输出功率，实现对负振幅调制，同时导带能级的电子分布的改变将将改变量子级联激光器的谐振腔折射率，从而改变了量子级联激光器的谐振腔的有效腔长，进而改变了量子级联激光器输出红外波长或频率，实现了对量子级联激光器的频率调制，所以当负振幅调制与正振幅调制大小相同时，则实现了纯频率调制。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种基于量子级联激光器的全光纯频率调制系统，通过双光束调制系统对量子级联激光器输出的光进行调制，使得量子级联激光器输出光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比，实现量子级联激光器的振幅、频率调制、以及振幅抑制，实现纯频率调制，调制后的光波经过光束准直器和分束器后，分成两束功率相同的光束，其中一束经耦合入傅里叶红外光谱仪，另一束则经过光束聚焦器聚焦在高频红外探测器的探测面上，高频红外探测器将所探测到的光信号转化成为电信号传递给高精度示波器，由高精度示波器实现信号的显示，并由高精度电流源做同步触发，最终获得的信号可以传递给计算机做实时分析、处理、存储，本发明的双光束调制系统与量子级联激光器配合后，实现了纯频率调制，相对于现有技术中的光电混合调制方式而言，其调制的速度不受寄生电容的影响而大大提高，也不受激光器电流热效应影响，解决了量子级联激光器输出波长红移的问题，降低了由光调制引起的激光频率变化量；

2、本发明一种基于量子级联激光器的全光纯频率调制系统，采用了同步的振幅调制抑制光源，通过将直流或强度呈高速周期变化、波长对应的光子能量远大于量子级联激光器中带隙较小的半导体材料带隙能量的可见光或近红外光激光光束，通过聚焦器件汇聚在量子级联激光器出射端面，使其在量子级联激光器谐振腔内将价带电子激发至激光器导带激光上能级或能量更高的能级及高k态上，通过电子-电子闪射、电子-声子散射的方式使得导带电子温度上升，进而增加量子级联激光器的阈值电流，实现负振幅调制，同时由于导带电子浓度的改变，使得量子级联激光器的谐振腔等效折射率产生高速周期性振荡，从而导致输出波长的高速周期性振荡，当负振幅调制与正振幅调制大小相同时，振幅调制被完全抑制，实现了纯频率调制；

3、本发明一种基于量子级联激光器的全光纯频率调制系统，利用频率调制光源照射量子级联激光器出射端面实现高速振幅、频率调制，且振幅调制为正调制；利用振幅调制抑制光源照射量子级联激光器出射端面实现高速振幅、频率调制，且振幅调制为负调制；利用频率调制光源和振幅调制抑制光源的同步，实现振幅调制的同步抑制，实现纯频率调制；利用信号实时分析、处理、存储是通过信号采集部分实现对量子级联激光器纯频率调制光信号的转化及振幅调制/频率调制量的检测，实现实时分析、处理、存储。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明原理框架示意图；

图2为本发明光路的位置示意图；

图3为本发明频率调制光源和振幅调制抑制光源的光波能量级别图；

图4为本发明量子级联激光器没有调制时的脉冲强度波形图；

图5为本发明量子级联激光器调制后的脉冲强度波形图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-量子级联激光器，2-频率调制光源，3-振幅调制抑制光源，4-高精度电流源，5-恒温控制装置，6-多路同步输出半导体激光器驱动，7-第一光束准直器，8-第一光束聚焦器，9-第二光束准直器，10-第二光束聚焦器，11-光束准直器，12-分束器，13-傅里叶红外光谱仪，14-光束聚焦器，15-高频红外探测器，16-高精度示波器，17-计算机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明一种基于量子级联激光器的全光纯频率调制系统，包括量子级联激光器1、频率调制光源2、振幅调制抑制光源3、高精度电流源4、恒温控制装置5、多路同步输出半导体激光器驱动6、第一光束准直器7、第一光束聚焦器8、第二光束准直器9、第二光束聚焦器10、光束准直器11、分束器12、傅里叶红外光谱仪13、光束聚焦器14、高频红外探测器15、高精度示波器16、计算机17，其中：如图2所示，量子级联激光器1固定在金属热沉上，频率调制可见光或近红外激光光束和振幅调制抑制可见光或近红外激光光束被汇聚于量子级联激光器的出射端面上，引起量子级联激光器的高速频率调制，同时抑制振幅调制，从而实现量子级联激光器的全光纯频率调制，高精度电流源4向量子级联激光器1提供直流或者脉宽为tp、重复频率为ωr的电流脉冲序列，使得量子级联激光器1工作在直流或脉冲模式下；通过恒温装置5为量子级联激光器1提供一个恒定温度的工作环境，保证量子级联激光器1的稳定工作，多路同步输出半导体激光器驱动6提供幅值为a的直流或重复频率为ωm的电流脉冲序列，使得频率调制光源2工作在直流或脉冲模式下；同时多路同步输出半导体激光器驱动6提供幅值为b的直流或重复频率为ωm的电流脉冲序列，且与频率调制光源2的驱动电流保持同步，使得振幅调制抑制光源3工作在直流或脉冲模式下；频率调制光源2为可见或近红外的激光光源，产生中心波长为λ1的可见或近红外光束，并通过第一光束准直器7和第一光束聚焦器8后将可见或近红外光束聚焦在量子级联激光器1的出射端面，引起量子级联激光器1输出的红外光波以频率ωm振荡，且振幅增大，输出光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比，频率调制光源2所发出的可见或近红外光，其对应的光子能量接近于量子级联激光器中带隙较小的半导体材料带隙能量，通过光致激发使得量子级联激光器谐振腔内部电子由价带跃迁至导带激光上能级，进而增加了导带激光上能级上的电子数目，增加了激光增益，实现了对量子级联激光器的正振幅调制，与此同时，导带激光上能级电子数目的增加，将改变量子级联激光器的谐振腔折射率，从而改变了量子级联激光器的谐振腔的有效腔长，进而改变了量子级联激光器输出红外波长或频率，实现了对量子级联激光器的频率调制；振幅调制抑制光源3为可见或近红外的激光光源，产生中心波长为λ2的可见或近红外光束，其中λ1>λ2，并通过第二光束准直器9和第二光束聚焦器10后将可见或近红外光束聚焦在量子级联激光器11的出射端面，引起量子级联激光器1输出的红外光波以频率ωm振荡，且振幅减小，输出光波长振荡的幅值与可见光或近红外光束光强成正比，振幅调制抑制光源所发出的可见或近红外光，其对应的光子能量远大于量子级联激光器中带隙较小的半导体材料带隙能量，通过光致激发使得量子级联激光器谐振腔内部电子由价带跃迁至导带，过高的能量使得电子不仅跃迁至激光上能级，还包括更高能量的能级及其能级的高k态，在短时间内，电子通过电子-电子散射，电子-声子散射的方式释放能量，大部分能量将以热能的方式增加电子温度，而电子温度的增加会增加量子级联激光器的阈值电流，进而降低量子级联激光的红外光输出功率，实现对负振幅调制，同时导带能级的电子分布的改变将将改变量子级联激光器的谐振腔折射率，从而改变了量子级联激光器的谐振腔的有效腔长，进而改变了量子级联激光器输出红外波长或频率，实现了对量子级联激光器的频率调制，所以当负振幅调制与正振幅调制大小相同时，则实现了纯频率调制，如图3所示，左图所示，频率调制光源2所发出的可见或近红外光，其对应的光子能量接近于量子级联激光器1中带隙较小的半导体材料带隙能量，通过光致激发使得量子级联激光器谐振腔内部电子由价带跃迁至导带激光上能级，进而增加了导带激光上能级上的电子数目，增加了激光增益，实现了对量子级联激光器的正振幅调制，与此同时，导带激光上能级电子数目的增加，将改变量子级联激光器的谐振腔折射率，从而改变了量子级联激光器的谐振腔的有效腔长，进而改变了量子级联激光器输出红外波长或频率，实现了对量子级联激光器的频率调制；右图所示，振幅调制抑制光源3所发出的可见或近红外光，其对应的光子能量远大于量子级联激光器1中带隙较小的半导体材料带隙能量，通过光致激发使得量子级联激光器谐振腔内部电子由价带跃迁至导带，过高的能量使得电子不仅跃迁至激光上能级，还包括更高能量的能级及其能级的高k态，在短时间内，电子通过电子-电子散射，电子-声子散射的方式释放能量，大部分能量将以热能的方式增加电子温度，而电子温度的增加会增加量子级联激光器的阈值电流，进而降低量子级联激光的红外光输出功率，实现对负振幅调制，同时导带能级的电子分布的改变将将改变量子级联激光器的谐振腔折射率，从而改变了量子级联激光器的谐振腔的有效腔长，进而改变了量子级联激光器输出红外波长或频率，实现了对量子级联激光器的频率调制，所以当负振幅调制与正振幅调制大小相同时，则实现了纯频率调制；量子级联激光器1的纯频率调制红外光通过光束准直器11后经分束器12分成两束光，一束进入傅里叶变换光谱仪13中，用于测量其波长变化量；另一束则通过光束聚焦器14汇聚在高频红外探测器15的探测面上，用于测量其振幅变化量；利用高精度示波器16、计算机17实现信号的实时显示、分析、处理、存储。

如图4所示，量子级联激光器没有调制时，它输出的红外光振幅大小如虚线所示；当只有频率调制可见或近红外光聚焦在量子级联激光器出射端面时，它输出的红外光振幅增大，如实线所示；当振幅调制抑制可见或近红外光聚焦在量子级联激光器出射端面时，它输出的红外光振幅被抑制，如点线所示。

如图5所示，量子级联激光器没有调制时，它输出的红外光所在中心波长位置如实线所示；当只有频率调制可见或近红外光聚焦在量子级联激光器出射端面时，它输出的红外光所在中心波长位置蓝移，如点线所示；当只有振幅调制抑制可见或近红外光聚焦在量子级联激光器出射端面时，它输出的红外光所在中心波长位置蓝移，如虚线所示；当两束可见或近红外光同时聚焦在量子级联激光器出射端面时，它输出的红外光所在中心波长位置蓝移增大，与两束光分别引起的蓝移之和基本相同，如碎点线示。

本发明提供的量子级联激光器全光纯频率调制系统，可应用于高灵敏度红外激光光谱技术和高精确度自由空间调频红外光通讯。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。