CN102315588A - F-p腔及采用该f-p腔的激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种法布里-珀罗(F-P)腔，该F-P腔是由单块光学元件整体构成的折叠共焦腔，该折叠共焦腔具有三个反射面，第一反射面为平面并同时作为输入输出耦合面，第二反射面为平面，第三个反射面为球面，所述球面的曲率半径等于光线在折叠共焦腔中往返一次的几何长度的一半。本发明还公开了一种基于该F-P腔的激光器。通过本发明方案解决了现有折叠F-P腔稳定性不好，易受到外界干扰，体积过大和系统复杂等问题。

Description

F-P腔及采用该F-P腔的激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术，特别是指一种法布里-珀罗(F-P)腔及采用该F-P腔的激光器。

背景技术

F-P腔是光学和激光研究中的重要工具，可应用于外腔半导体激光器、单块固体激光器等光学设备中。

折叠F-P腔的逆入射反射光具有与F-P腔相反的光谱结构，可以提供窄线宽光反馈。目前折叠F-P腔由分立元件构成。例如K.

I.Ernsting，R.-H.Rinkleff，S.Schiller，and A.Wicht提出的结构，如图1所示。该折叠F-P腔(CAV)由一个耦合镜101以及两个反射镜102、103组成。其中，耦合镜101还兼做折叠反射镜。入射光从耦合镜101射入折叠F-P腔，在腔内经反射镜102、103和耦合镜101的反射后，产生两束反射光，即与耦合镜101上的原入射光的镜反射光共线同向的反射光和与入射光共线反向的逆入射反射光。其中沿着与原入射光束共线且反向的逆入射反射光可作为附带有选频作用的输出光从F-P腔被输出利用。

然而，由于分立元件的精密调节比较困难，并且容易受到外界音频、机械振动和温度变化的干扰和影响。同时腔的体积比较大，系统的稳定性比较差。此外一次折叠共焦腔需要加工两个球面反射镜形成谐振腔，增加了工艺难度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种F-P腔及采用该F-P腔的激光器，解决现有折叠F-P腔稳定性不好，易受到外界干扰，体积过大和系统复杂等问题。

基于上述目的本发明提供的一种F-P腔，，所述F-P腔是由单块光学元件整体构成的折叠共焦腔，该折叠共焦腔具有三个反射面，第一反射面为平面并同时作为输入输出耦合面，第二反射面为平面，第三个反射面为球面，所述球面的曲率半径等于光线在折叠共焦腔中往返一次的几何长度的一半。

可选的，该F-P腔光线从第一反射面上的入射点入射进入折叠共焦F-P腔，经过第三反射面的正入射被反射后，回到第一反射面入射点，然后折向第二反射面上，被第二反射面全反射后，正入射到第三反射面，然后经原路反射回第二反射面，再次全反射后，返回第一反射面的入射点；或者

光线从第一反射面上的入射点入射进入折叠共焦F-P腔后，入射到第二反射面，经全反射后，正入射在第三反射面，经原路反射回到第二反射面后，被第二反射面全反射返回到第一反射面的入射点，经折叠后正入射在第三反射面，再由第三反射面返回到第一反射面的入射点。

可选的，该F-P腔满足：

$\left\{\begin{array}{c}R-\frac{1}{\cos \mathrm{\α}}[y+2(R-H)]+\frac{y}{\cos (\mathrm{\π}-2\mathrm{\β}+\mathrm{\α})}=0\\ y=-\frac{x}{\tan \mathrm{\α}}-2(R-H)\\ y=\frac{x}{\tan (\mathrm{\π}-2\mathrm{\β}+\mathrm{\α})}\end{array}\right.$

其中R为球缺曲率半径，H为球缺高，α为激光在单块共焦腔中的折射角，β为单块共焦腔钝角，(x，y)为以圆心为坐标原点建立的坐标系中，激光在全反射面的反射点坐标。

可选的，该F-P腔所述第二反射面作为全反射面，在该面上没有镀膜或根据使用波长镀高反射率膜。

可选的，该F-P腔针对F-P腔体内传输的激光波段，所述单块光学元件由光学玻璃、或光学晶体、或石英玻璃制成。

基于上述目的本发明还提供了一种激光器，在该激光器中采用如所述的单块折叠共焦F-P腔作为F-P腔。

可选的，该激光器包括：半导体激光管、准直透镜、分束镜和所述单块折叠共焦F-P腔；

所述激光器内各部件的布设使得半导体激光管发出的激光，经准直透镜准直后，由在分束镜分出的一束入射在单块折叠共焦F-P腔上；单块折叠共焦F-P腔的逆入射反射光沿着与原入射光束共线反向的路径，经分束镜被返回到半导体激光管中。

可选的，该激光器在准直透镜与所述分束镜之间的光路内设置有半波片；或者在准直透镜与所述光栅之间的光路内设置有半波片。

可选的，该激光器还包括以下一种或两种以上调节系统的组合：

谐振频率调节系统，通过改变单块折叠F-P腔的光程来调节单块折叠F-P腔决定的谐振频率；

激光振荡频率调节系统，通过改变分束镜到单块折叠F-P腔或分束镜到半导体激光管的距离来调节分束镜选频决定的激光振荡频率；

第一半导体激光管输出光频率范围调节系统，通过改变半导体激光管的输入电流来改变半导体激光管输出光频率范围；

第二半导体激光管输出光频率范围调节系统，通过改变半导体激光管的温度来改变半导体激光管输出光频率范围。

可选的，该激光器中所述分束镜替换为光栅。

从上面所述可以看出，本发明提供的F-P腔及采用该F-P腔的激光器，通过单块光学元件整体构成一个F-P腔，使得F-P腔稳定性大大提高，并具有不易受外界干扰，体积小、系统简单和使用方便等特点。并且通过将一个面设计成球面，使F-P腔形成为折叠共焦腔，不需要针对不同的入射光束进行模式匹配的工作，进一步简化了操作。即使没有实现很好的模式匹配，由于共焦腔的特性，奇数模和偶数模分别得到简并，减少了激光器跳模的可能。

附图说明

图1为现有K.

I.Ernsting，R.-H.Rinkleff，S.Schiller，and A.Wicht提出的采用的分立元件折叠共焦F-P腔的结构示意图；

图2为本发明实施例单块折叠共焦F-P腔的结构示意图；

图3为本发明实施例半导体激光器结构示意图；

图4为本发明实施例设置有调节系统的半导体激光器结构示意图。

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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

申请人在长期的研究实践中发现分立元件F-P腔的容易受到外界音频、机械振动和温度变化的干扰和影响，腔的体积比较大，系统的稳定性比较差。同时，非共焦F-P腔由于需要针对不同输入光束进行模式匹配，因此在操作上相比共焦F-P腔较复杂。当没有实现很好的匹配时，容易出现多模，增加造成跳模的可能，影响激光器的跟踪锁定。而一次折叠共焦腔需要加工两个球面反射镜形成谐振腔，加工工艺非常复杂，阻碍了其推广使用。

为此，本发明实施例提出的F-P腔是由单块光学元件整体构成的折叠共焦腔，该折叠共焦腔具有三个反射面，第一反射面为平面并同时作为输入输出耦合面，第二反射面为平面，第三个反射面为球面，所述球面的曲率半径等于光线在折叠共焦腔中往返一次的几何长度的一半。应该强调的是本发明中所称的球面，不一定为非常严格的球面，凡是在实际应用中误差允许的范围内，本领域技术人员所知的其他微小变型都应该属于本发明所保护的范围内，例如：接近于球面的曲面，或者只在局部符合的其他形状的面等。

参见图2所示，为本发明一个较佳实施例的F-P腔结构。在该实施例中，F-P腔被构造成横截面为如图2中粗线部分所围形状的单块。该单块由一整块光学材料加工形成折叠共焦腔。在单块折叠共焦腔中包括三个反射面，其中反射面S1(反射点B所在面)和S2(反射点C所在面)为平面，反射面S3(反射点A、D所在面)为球面，该球面的曲率半径R等于光线在该折叠腔中往返一次的几何长度的一半，即R＝AB+BC+CD，以实现从S3面经S1、S2面返回S3面后形成折叠共焦F-P腔。

作为一个实施例可通过以下算式确定该单块共焦腔：

$\left\{\begin{array}{c}R-\frac{1}{\cos \mathrm{\α}}[y+2(R-H)]+\frac{y}{\cos (\mathrm{\π}-2\mathrm{\β}+\mathrm{\α})}=0\\ y=-\frac{x}{\tan \mathrm{\α}}-2(R-H)\\ y=\frac{x}{\tan (\mathrm{\π}-2\mathrm{\β}+\mathrm{\α})}\end{array}\right.$

其中R为球缺，即S3面的曲率半径，H为球缺高，α为激光在单块共焦腔中的折射角，β为单块共焦腔钝角，(x，y)即C点，为以圆心为坐标原点建立的坐标系中，激光在全反射面的反射点坐标。

S1面镀有在s和p偏振方向上反射率和透过率合适的反射膜，S2面作为全反射面，可不镀膜，S3面上镀有高反射膜。其中，S1、S3面上所镀反射膜的反射率的大小可以根据实际应用的需要来设定。具体光路如下：光线在兼做折叠面的输入输出耦合面S1上的B点入射进入折叠共焦F-P腔，光线有两种行进方式，例如首先经过在镀有高反射膜的反射球面S3上A点正入射被反射后，回到折叠面S1上B点，折向反射平面S2上C点，在C点实现全反射后，正入射到反射球面上D点反射回C点，经过C点的再次全反射，返回折叠面S1的B点。或者相反，即由S1进入单块后，首先入射在S2上C点，经全反射后，正入射在S3面的D点，经D点反射后回到S2的C点，然后返回到S1面的B点，经B点折叠后正入射在S3面的A点，再由A点返回到S1面的B点。

在上述两种方式中，光线在S1的B点被折叠反射的同时，均同时发生折射或输出。该输出光束包括两个方向。一束沿着反射光方向，与S1面上的直接镜反射光重合或同向共线，形成入射光束的总镜反射光，该光束在谐振峰处功率达到极小值。另一束则与入射光束共线反向，形成单块共焦腔的逆入射返回光，该光束与直接镜反射光构成互补的光谱结构。在谐振峰处功率达到极大值，其谐振峰的宽度由共焦腔精细度决定。

如图2所示，该单块折叠共焦F-P腔由低传输损耗的光学石英玻璃加工而成。该折叠腔具有3个反射面，均达到超光滑表面光洁度。平面S1和S2夹角为99.3041°。其中S1为折叠面和输入输出耦合面，长6mm，利用光学镀膜技术镀有合适反射率Rc的反射膜，例如反射率Rc＝0.95至0.98。平面S2为折叠面长15.9mm，该面可不镀膜，通过内全反射原理实现光束的折叠。球面S3曲率半径30.2mm，光学加工严格保证光线长度AB、BC、CD几何长度之和等于球面S3曲率。该曲面正入射，反射率大于99.9％。以上镀膜均要求膜层的吸收和散射小于200ppm。

输入激光光束，例如波长在689nm，以一定入射角在兼做折叠面和输入输出耦合面上的B点入射，入射光在B点发生反射和折射。其中折射进入折叠共焦F-P腔的光束部分，正入射在镀有高反射膜的曲面上的A，在该点被反射后，返回到折叠面B点，在B点发生透射和反射，其中反射部分以大于全反射的角度入射在C点。在C点发生全反射后，折向镀有高反射膜的曲面上的D点，以正入射方式在D点被反射后回到全反射面折叠面上C点，然后回到折叠面兼输入输出耦合面上的B点。并在B点发生透射和反射。

在B点的透射光束中，与入射光束共线反向的透射光束的总合构成F-P腔的逆入射反射光，其光谱表现为与常规非折叠F-P腔透射光相反的结构，即在谐振频率时该反射光最强。而沿着外部反射光束方向的透射光的总合，与外部直接反射光束相干叠加形成镜反射光束，该光束强度在谐振频率处达到最小值。

针对F-P腔体内传输的激光波段，构成所述F-P腔的单块光学元件可以相应选用合适的光学玻璃、或光学晶体、或石英玻璃制成。该F-P腔可以制作在单一光学材料上，或者也可以利用键合等胶合方式将两块以上的光学材料组合为一个整体，再通过在该材料上加工出适当的光学表面，构成共焦折叠F-P腔。

单块折叠共焦F-P腔采用温度传感器和半导体制冷器实现温度控制。该单块折叠共焦F-P腔的谐振频率可通过粘接压电陶瓷方法和控温技术分别实现快速小范围细调和慢速大范围粗调，实现对F-P腔谐振频率的调谐与控制。

上述方案中的腔体也可选用其它形状，尺寸大小也可选用其它尺寸，也可选用其它角度，激光波长可选用其它波长数值，材料也可选用其它光学或激光材料，镀膜参数也可选用其它数值。

基于上述单块折叠共焦F-P腔，本发明实施例还提供了一种激光器.参见图3所示，为本发明一个半导体激光器的实施例，包括：半导体激光管1、准直透镜(AL)3、分束镜(BS)12、单块折叠共焦F-P腔5。可以看出，本实施例是在B.Dahmani，L.Hollberg，and R.Drullinger的方案中，用单块折叠F-P腔5取代由分立元件构成的F-P腔而构成。

其中，半导体激光管1可以采用半导体二极管(LD)、分布反馈(DFB)半导体激光器等半导体激光光源。半导体激光管1发出的激光，经准直透镜3准直后，通过分束镜12分出合适功率的一束入射进入单块折叠共焦F-P腔5。在单块折叠共焦F-P腔5内部经图2所示光路后射出的逆入射反射光沿着与原入射光束共线反向的路径，经分束镜12被返回到半导体激光管1中。由于F-P腔所具有更好的选频作用，使得整个激光谐振的选频作用被极大地增强，其效果表现为激光振荡的频率噪声被进一步压缩，从而实现激光线宽的压窄。

本发明半导体激光器可以通过多种手段对输出光进行调节，包括：

1)设置谐振频率调节系统，通过改变单块折叠F-P腔5内部的光程来调节单块折叠F-P腔5决定的谐振频率。例如：可以通过改变对单块折叠F-P腔5施加应力、温度调节等方式(包括多种方式组合)来实现。

2)设置激光振荡频率调节系统，通过改变分束镜12到单块折叠F-P腔5的距离、改变分束镜12到半导体激光管1的距离等方式来调节分束镜12选频决定的激光振荡频率，例如：设置激光振荡频率调节系统，在保证分束镜12分出的入射光到达单块折叠F-P腔5的入射角度不变的情况下，通过按一定轨迹移动单块折叠F-P腔5、或分束镜12、或半导体激光管1的方式或同时移动其中的两种以上部件等方式来实现来改变分束镜12到单块折叠F-P腔5或分束镜12到半导体激光管1的距离。

3)设置半导体激光管1输出光频率范围调节系统，通过改变半导体激光管1的输入电流、温度等方式来改变半导体激光管1输出光频率范围等，例如：设置第一半导体激光管1输出光频率范围调节系统，通过调节来改变半导体激光管1的输入电流；还可以设置第二半导体激光管1输出光频率范围调节系统，通过调节来改变半导体激光管1的温度。

以上各种调节系统的各种调节方式都可以任意组合，来配合使用。通过上述调节手段可以改变半导体激光器输出激光的波长或频率。另外，本发明优选实施例中，为达到最佳的激光输出效果，调节过程中应使以上三种调节手段所获得的激光频谱的峰值重合。

图3本发明实施例带有调节部件的单块折叠F-P腔反馈半导体激光器结构示意图。包括：半导体激光管1，半导体激光管热沉2，非球面准直透镜3，非球面准直透镜调整架4，单块折叠F-P腔5，用于单块的慢速大范围频率调谐的单块折叠F-P腔热沉6，粘在单块折叠F-P腔5上的压电陶瓷7，用于调整分束镜12的调节架动板8，微调螺钉9，固定在底板11上的调节架定板10，底板11以及分束镜12。其中，

半导体激光管热沉2，用于控制半导体激光管1的温度，从而改变半导体激光管1输出光频率范围。

单块折叠F-P腔热沉6，控制单块折叠F-P腔5的温度，进而通过温度的变化控制单块折叠F-P腔5的谐振频率，最终达到调节输出激光频率的目的，该控制速度相对于压电陶瓷7比较慢，但范围比较大。

粘在单块折叠F-P腔5上的压电陶瓷7，本实施例中成片状并与单块折叠F-P腔5粘在一起，可以根据需要设置成如圆形、方形或其他多边形等任意形状。当加在该压电陶瓷7电压变化时，该压电陶瓷7的面积也会随之变化，并带动单块折叠F-P腔5形状变化，从而改变谐振腔谐振频率，达到调节输出激光频率的目的，相对于单块折叠F-P腔热沉6的调节，压电陶瓷7对频率的调节更加快速、细微、精确。

调节架动板8，微调螺钉9和调节架定板10用于分束镜12的调整，所述分束镜12设置在调节架动板8上，所述微调螺钉9设置在调节架定板10上，所述光路校准系统的设置通过转动微调螺钉9带动调节架动板8转动，从而保证半导体激光管1的光束与单块折叠F-P腔5之间的对准。该调整系统也可用于单块折叠F-P腔5，即将调节架动板8与单块折叠F-P腔5固定在一起，并在相应位置设置微调螺钉9和调节架定板10，而分束镜12保持不动，通过调整单块折叠F-P腔5保证半导体激光管1的光束与单块折叠F-P腔5之间的对准。另外，还可以利用压电陶瓷带动调节架动板8，比如：在微调螺钉9和调节架动板8之间设置压电陶瓷，这样可以获得更为精确的调节。

上述单块折叠F-P腔热沉6、粘在单块折叠F-P腔5上的压电陶瓷7构成所述谐振频率调节系统；调节架动板8、微调螺钉9、调节架定板10构成光路校准系统；半导体激光管热沉2构成所述半导体激光管1输出光频率范围调节系统。

另外，还可以在图3所示设备中设置激光振荡频率调节系统，通过改变分束镜12到单块折叠F-P腔5的距离、改变分束镜12到半导体激光管1的距离等方式来调节分束镜12选频决定的激光振荡频率，例如：通过设置螺钉、压电陶瓷等惯用的机械机构，带动单块折叠F-P腔5、或分束镜12、或半导体激光管1移动，在保证分束镜12分出的入射光到达单块折叠F-P腔5的入射角度不变的情况下，通过按一定轨迹移动单块折叠F-P腔5、或分束镜12、或半导体激光管1的方式或同时移动其中的两种以上部件方式来实现来改变分束镜12到单块折叠F-P腔5或分束镜12到半导体激光管1的距离。

作为本发明半导体激光器的另一个实施例，图3和图4中所述分束镜也可替换为光栅；所述半导体激光器内各部件的布设使得半导体激光管发出的激光，经准直透镜准直后到达光栅，经光栅衍射后的光束入射在单块折叠共焦F-P腔上；单块折叠共焦F-P腔的逆入射反射光沿着与原入射光束共线反向的路径，经光栅被返回到半导体激光管中。

该光栅可以为透射衍射光栅，所述经光栅衍射后入射在单块折叠共焦F-P腔上的光束优选为一级衍射光。

本发明中所述激光器的激光光源除了半导体激光管以外也可选用其它类型的激光光源。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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。

Claims (10)

1.一种法布里-珀罗F-P腔，其特征在于，所述F-P腔是由单块光学元件整体构成的折叠共焦腔，该折叠共焦腔具有三个反射面，第一反射面为平面并同时作为输入输出耦合面，第二反射面为平面，第三个反射面为球面，所述球面的曲率半径等于光线在折叠共焦腔中往返一次的几何长度的一半。

2.根据权利要求1所述的F-P腔，其特征在于，光线从第一反射面上的入射点入射进入折叠共焦F-P腔，经过第三反射面的正入射被反射后，回到第一反射面入射点，然后折向第二反射面上，被第二反射面全反射后，正入射到第三反射面，然后经原路反射回第二反射面，再次全反射后，返回第一反射面的入射点；或者

光线从第一反射面上的入射点入射进入折叠共焦F-P腔后，入射到第二反射面，经全反射后，正入射在第三反射面，经原路反射回到第二反射面后，被第二反射面全反射返回到第一反射面的入射点，经折叠后正入射在第三反射面，再由第三反射面返回到第一反射面的入射点。

3.根据权利要求1所述的F-P腔，其特征在于，该F-P腔满足：

$\left\{\begin{array}{c}R-\frac{1}{\cos \mathrm{\α}}[y+2(R-H)]+\frac{y}{\cos (\mathrm{\π}-2\mathrm{\β}+\mathrm{\α})}=0\\ y=-\frac{x}{\tan \mathrm{\α}}-2(R-H)\\ y=\frac{x}{\tan (\mathrm{\π}-2\mathrm{\β}+\mathrm{\α})}\end{array}\right.$

其中R为球缺曲率半径，H为球缺高，α为激光在单块共焦腔中的折射角，β为单块共焦腔钝角，(x，y)为以圆心为坐标原点建立的坐标系中，激光在全反射面的反射点坐标。

4.根据权利要求1所述的F-P腔，其特征在于，所述第二反射面作为全反射面，在该面上没有镀膜或根据使用波长镀高反射率膜。

5.根据权利要求1所述的F-P腔，其特征在于，针对F-P腔体内传输的激光波段，所述单块光学元件由光学玻璃、或光学晶体、或石英玻璃制成。

6.一种激光器，其特征在于，在该激光器中采用如权利要求1-5任意一项所述的单块折叠共焦F-P腔作为F-P腔。

7.根据权利要求6所述的激光器，其特征在于，包括：半导体激光管、准直透镜、分束镜和所述单块折叠共焦F-P腔；

所述激光器内各部件的布设使得半导体激光管发出的激光，经准直透镜准直后，由在分束镜分出的一束入射在单块折叠共焦F-P腔上；单块折叠共焦F-P腔的逆入射反射光沿着与原入射光束共线反向的路径，经分束镜被返回到半导体激光管中。

8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，在准直透镜与所述分束镜之间的光路内设置有半波片；或者在准直透镜与所述光栅之间的光路内设置有半波片。

9.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括以下一种或两种以上调节系统的组合：

谐振频率调节系统，通过改变单块折叠F-P腔的光程来调节单块折叠F-P腔决定的谐振频率；

激光振荡频率调节系统，通过改变分束镜到单块折叠F-P腔或分束镜到半导体激光管的距离来调节分束镜选频决定的激光振荡频率；

第一半导体激光管输出光频率范围调节系统，通过改变半导体激光管的输入电流来改变半导体激光管输出光频率范围；

第二半导体激光管输出光频率范围调节系统，通过改变半导体激光管的温度来改变半导体激光管输出光频率范围。

10.根据权利要求6-9任意一项所述的激光器，其特征在于，所述分束镜替换为光栅。

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