CN101308989B - 一种单纵模可调谐激光器 - Google Patents

Abstract

一种单纵模可调谐激光器，涉及激光器领域，其包括泵浦源，激光增益介质和谐振腔，所述谐振腔为复合腔，其一个腔镜采用由两个反射光学元件和一个分束光学元件构成的干涉型反射腔镜，与其中一个反射光学元件平行的方形晶体为电光晶体、热光晶体或类似晶体，其中至少一个反射光学元件以镀膜的形式设在所述方形晶体的一个端面上。本发明将两个反射光学元件和分束光学元件粘结或胶合成一个整体作为单一激光腔镜，大大简化复合腔制作，通过改变其中支路的腔长调谐激光波长，同时使复合腔最小频率间隔大于激光增益介质带宽，从而实现单纵模可调谐激光输出，此外，由该复合腔还可以制成微片式激光器，兼具体积小、调谐速度快的特点。

Description

一种单纵模可调谐激光器

技术领域

本发明涉及一种激光器，尤指输出激光的频率或波长可调谐的单纵模激光器。

背景技术

为了获得好的单色性和相干性的激光束，要求激光以单纵模振荡。激光器的振荡纵横数目，由腔长、工作物质的增益线宽和激励水平等因素所决定。因为只有处于增益线宽内的那些纵模频率才有可能真正起振，形成多纵模振荡。某些实际应用，如光通讯、激光全息、精密计量等要求激光具有高单色性、高相干性，必须单纵模工作，而纵模选择又是单纵模工作的必要条件。

设由增益线宽和激励水平(阈值)所决定的激光振荡的大致频率范围为δv，腔所允许的相邻两振荡纵模的频率间隔为Δv，则实际起振的纵模数目为δv/Δv。由此可见，减少振荡纵模数(即选纵模)可通过两条途径来实现：一是设法压缩激光器的增益带宽δv；二是设法增大相邻两振荡纵模之间的频率间隔Δv。下述的各种纵模选择方法，均以此为依据。

(1)色散腔法。当工作物质具有多条荧光谱线或一条较宽的谱带时，在腔内放入色散棱镜或反射光栅等光学元件，可以进行粗选纵模。色散腔法虽能从较宽范围的谱线中选出较窄的振荡谱线，但在该谱线的荧光线宽范围内还存在着间隔为Δv的一系列分立的振荡频率-多纵模。因此色散腔法还只是粗选，为进一步选择单纵模，尚需采用其它方法。

(2)短腔法。对于一定的谐振腔，凡是落在荧光线宽范围内，且增益都处于阈值水平线以上的驻波振荡，均能形成激光振荡，此即多纵模工作状态。其相邻两纵模间隔Δv＝c/2nl由此式可知，纵模频率间隔Δv是与谐振腔腔长l成反比的，为了在激光增益曲线中获得单一频率振荡，可设法增大纵模频率间隔，使其在荧光谱线有效宽度范围内，只存在一个纵模振荡。因此可通过缩小腔长l来实现，此即所谓短腔法选纵模原理。此法简单、实用，可广泛应用于各种激光器，尤其是小功率气体激光器。短腔法只适用荧光线宽较窄的激光器，否则会因腔长过短而无法使用。此外还应指出，由于腔长的缩短，使激光输出功率明显下降，故此方法不适用于大功率输出的激光器。

(3)法布里-珀罗标准具法。为了克服短腔法的缺点而获得较大功率输出的单纵模振荡，通常在谐振腔中插入一法布里-珀罗标准具来进行纵模的选择。法-珀标准具选纵模的优点在于标准具平行平面板的厚度d可以调整到很薄，因此对增益线宽很宽的工作物质和氩离子、红宝石、YAG等也能够获得单纵模振荡，可适用于大功率激光器。

除上述几种常用的纵模选择方法外，还有一些其它方法，如复合腔法、在腔中加金属薄膜吸收法和加某种可饱和吸收染料介质等。下面根据复合腔法，详细介绍两种结构组合干涉复合腔。

在激光腔结构中，如果用一个反射干涉系统取代谐振腔中一个反射镜，则其组合反射率是光波长的函数，图1a、1b中是两种组合干涉复合腔的原理结构图。该结构特点是组合反射率R随频率周期变化，在某些特定频率处，R具有极大值。极大值之间的频率间隔是可以通过调整复合腔长改变。

图1a中是迈克耳逊干涉型复合腔，它由一个迈克耳逊干涉仪取代谐振腔的一个反射镜构成。该腔可以看成由两个子腔组合而成，全反射镜M和反射光学元件M1组成一个子腔，腔长为L+L1，谐振频率V1i＝{C/[2(L+L1)]}qi(其中设n＝1，C为光在真空中的速度，q为品质因素。下同)，另一个子腔由全反射镜M和反射光学元件M2构成，腔长为L+L2，谐振频率为V2j＝{C/[2(L+L2)]}qj，因此激光器的谐振频率必须同时满足上面两个条件，即C/[2(L+L1)]}qi＝{C/[2(L+L2)]}qj，而且第一个子腔的光束经过N个频率间隔后的频率正好和第二个子腔的光束经过N+1个频率间隔后的频率再次相等。由此可以得到复合腔的频率间隔

ΔV＝C/[2(L1-L2)]    (1)

由上式可以看出，适当选择L1及L2，可以使复合腔的频率间隔足够大，即两相邻纵模间隔足够大，与增益线宽相比拟时，即可实现单纵模运转。

图1b为一个福克斯—史密斯干涉型复合腔，谐振腔也是两个子腔构成。其中一个腔由反射镜M、反射光学元件M2组成，腔长为L+L2，另一个腔由反射镜M，反射光学元件M1组成，腔长为L+2L2+L1，复合腔两相邻的频率间隔为

ΔV＝C/[2(L1+L2)]    (2)

选择适当的L1和L2，使ΔV与增益线宽能相比拟时即可获得单纵模输出。

可调谐激光器是在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器。这种激光器的用途广泛，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。可调谐激光器从实现技术上看主要分为：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。下面介绍基于机械控制技术的可调谐激光器：

基于机械控制技术一般采用MEMs(微机电系统)来实现。其中一种基于机械控制技术的可调谐激光器采用MEMs-DFB(微机电系统-分布式反馈)结构。该可调谐激光器主要包括DFB(分布式反馈)激光器阵列、可倾斜的MEMs镜片和其他控制与辅助部分。对于DFB激光器阵列区存在若干个DFB激光器阵列，每个阵列可以产生带宽约为1.0nm内的间隔为25Ghz的特定波长。通过控制MEMs镜片旋转角度来对需要的特定波长进行选择，从而输出需要的特定波长的光。

另一种基于VCSEL(垂直腔面发射半导体激光器)结构ML系列的可调谐激光器，其设计基于光泵浦垂直腔面发射激光器，采用半对称腔技术，利用MEMS实现连续的波长调谐。同时通过此方法可得到大的输出光功率和宽光谱调谐范围，可将热敏电阻和TEC封装在一起，以便在宽的温度范围内具有稳定的输出。为了精确频率控制一个宽带波长控制器被集成同一管壳内，前端分接光功率检测器及光隔离器用于提供稳定的输出功率。这种可调激光器可以在C波段和L波段提供10/20mW光功率。

对于这种原理的可调谐激光器主要缺点是调谐时间比较慢，一般需要几秒的调谐稳定时间。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：根据上述复合腔法设计一种单纵模可调谐激光器，其具有结构简单的复合腔，且调谐速度快。

本发明的技术方案是：一种单纵模可调谐激光器，其包括泵浦源，激光增益介质和谐振腔，所述谐振腔为复合腔，其一个腔镜采用由两个反射光学元件和一个分束光学元件构成的干涉型反射腔镜；其中一个反射光学元件设在水平面上，另一个反射光学元件设在竖直面上，所述分束光学元件所在的平面与所述两个反射光学元件所在的平面相交成一定角度，与其中一个反射光学元件平行的方形晶体为电光晶体、热光晶体或类似晶体，其中至少一个反射光学元件以镀膜的形式设在所述方形晶体的一个端面上。

跟现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将两个反射光学元件(反射平面镜)和分束光学元件(分光平面镜)粘结或胶合成一个整体作为单一激光腔镜，大大简化复合腔制作，通过改变其中支路的腔长调谐激光波长，同时使复合腔最小频率间隔大于激光增益介质带宽，从而实现单纵模可调谐激光输出。此外，由该复合腔还可以制成微片式激光器，兼具体积小、调谐速度快的特点。

附图说明

图1a是迈克耳逊干涉型复合腔的原理结构图；

图1b是福克斯—史密斯干涉型复合腔的原理结构图；

图2a是本发明第一实施例福克斯—史密斯干涉型复合腔的结构图；

图2b是本发明第一实施例迈克耳逊干涉型复合腔的结构图；

图3a是本发明第二实施例福克斯—史密斯干涉型复合腔的结构图；

图3b是本发明第二实施例迈克耳逊干涉型复合腔的结构图；

图4a是本发明第三实施例福克斯—史密斯干涉型复合腔的结构图；

图4b是本发明第三实施例迈克耳逊干涉型复合腔的结构图；

图4c是本发明第四实施例福克斯—史密斯干涉型复合腔的结构图；

图4d是本发明第四实施例迈克耳逊干涉型复合腔的结构图；

图5a是本发明第五实施例福克斯—史密斯干涉型复合腔的结构图；

图5b是本发明第五实施例迈克耳逊干涉型复合腔的结构图；

图5c是本发明第六实施例福克斯—史密斯干涉型复合腔的结构图；

图5d是本发明第六实施例迈克耳逊干涉型复合腔的结构图；

具体实施方式

本发明单纵模可调谐激光器包括泵浦源、激光增益介质和谐振腔，其中泵浦源可以为弧光灯、闪光灯或激光二极管，激光增益介质可以为Nd:YVO4、Nd:YAG或类似激光晶体。

如图2a所示，本发明第一实施例福克斯—史密斯干涉型复合腔为平凹腔，设在左侧的凹面腔镜101为全反镜M，右侧的干涉型反射腔镜由复合棱镜103和胶合在复合棱镜103下表面的晶体105构成，激光增益介质102设在凹面腔镜101和复合棱镜103之间。形为立方体的复合棱镜103由三角棱镜103A、103B粘结而成，其中三角棱镜103A的竖直面镀有反射膜M2即为反射光学元件，三角棱镜103B的斜面B镀有反射率为R的反射膜(M3)即为分束光学元件。晶体105为热光晶体、电光晶体或类似晶体，其下表面镀有反射膜M1即为另一反射光学元件，其上表面与三角棱镜103A的水平面相胶合，该晶体105对振荡激光透射。三角棱镜103A的两个顶角θ1、θ2相等，即振荡激光可以三角棱镜103A的斜面上发生全反射。因此，全反镜M和反射膜M1构成一个激光腔，其腔长为L+2L2+L1，全反镜M和反射膜M2则构成另一个激光腔，其腔长为L+L2。当改变热光晶体105的温度或改变电光晶体105′上的电压时，则可改变L1，从而改变相邻频率间隔ΔV＝C/[2(L1+L2)]，同时可调谐激光波长。胶合或粘结所采用的胶应具有好的光学性能、粘结强度、导热性能和耐热性，比如可以采用紫外光敏胶、环氧胶或其它类似光学胶的一种，也可以采用上述胶的两种或两种以上的混合胶；光学元件之间也可以采用光胶或深化光胶工艺进行胶合。

如图2b所示，本发明第一实施例迈克耳逊干涉型复合腔为平凹腔，设在左侧的凹面腔镜101为全反镜M，右侧的干涉型反射腔镜由复合棱镜104和胶合在复合棱镜104下表面的晶体105构成，激光增益介质102设在凹面腔镜101和复合棱镜104之间。形为立方体的复合棱镜104由三角棱镜104A、104B粘结而成，其中三角棱镜104B的竖直面镀有反射膜M2即为反射光学元件，三角棱镜104B的斜面B镀有反射率为R的反射膜(M3)即为分束光学元件。晶体105为热光晶体、电光晶体或类似晶体，其下表面镀有反射膜M1即为另一反射光学元件，其上表面与三角棱镜104A的水平面相胶合，该晶体105对振荡激光透射。三角棱镜104A的两个顶角θ3、θ4相等，即振荡激光可以三角棱镜104A的斜面上发生全反射。因此，全反镜M和反射膜M1构成一个激光腔，其腔长为L+L1，全反镜M和反射膜M2则构成另一个激光腔，其腔长为L+L2。当改变热光晶体105的温度或改变电光晶体105′上的电压时，则可改变L1，从而改变相邻频率间隔ΔV＝C/[2(L1-L2)]，同时可调谐激光波长。

本发明构成复合腔的反射组合体亦可以用三个反射光学元件即三个平面反射镜，附加固定元件通过胶合成单一整体。可通过改变热光晶体105的温度或电光晶体105′上的电压，亦可通过调整在某一支路中的透光薄片106的角度对激光频率进行调谐。以下将结合具体实施例详细说明：

如图3a所示，本发明第二实施例福克斯—史密斯干涉型反射腔镜的结构图。腔镜的固定元件设在反射腔镜所在空间的四个角，形成一个“十”字型腔，固定元件一般采用具有良好粘结强度、导热性能和耐热性的金属材料制作而成。倾斜的分束光学元件B的一端设在固定元件的右上角、另一端设在固定元件的左下角。晶体105以胶合的方式固定在固定元件的下表面，与第一实施例相同的是，其中一个反射光学元件即反射膜M1镀在晶体105的下表面，另一反射光学元件M2以胶合的方式固定在固定元件的右侧面。此外，还可在固定元件的“十”字型腔的竖直部分靠近晶体105处设一透光薄片106，该透光薄片106可以采用对振荡激光透射的平行平板，如波片，其制作材料可以是熔融石英、K9玻璃、BK7玻璃或类似的光学线性材料，通过调节透光薄片106的角度(见图3箭头方向)可以对激光波长或频率进行调谐。

如图3b所示，本发明第二实施例迈克耳逊干涉型反射腔镜的结构图。与本实施例福克斯—史密斯干涉型反射腔镜相比，不同点仅在于：倾斜的分束光学元件B的一端设在固定元件的左上角、另一端设在固定元件的右下角。

本发明亦可以在两条支路中同时放置热/电光晶体105A、105B，或者同时放置透光薄片106A、106B，如图4a、4b、4c、4d所示，对两支路腔长同时调节，当两腔长调节速度相同时，可实现波长连续可调。以下将结合具体实施例详细说明：

如图4a所示，本发明第三实施例福克斯—史密斯干涉型反射腔镜的结构图。与第二实施例福克斯—史密斯干涉型反射腔镜相比，不同点在于：晶体105A、105B以胶合的方式分别固定在固定元件的下表面和右侧面，其中一个反射光学元件即反射膜M1仍镀在晶体105A的下表面，另一反射光学元件即反射膜M2镀在晶体105B的右端面上。此外，该复合腔内未设透光薄片106。

如图4b所示，本发明第三实施例迈克耳逊干涉型反射腔镜的结构图。与本实施例福克斯—史密斯干涉型反射腔镜相比，不同点仅在于：倾斜的分束光学元件B的一端设在固定元件的左上角、另一端设在固定元件的右下角。

如图4c所示，本发明第四实施例福克斯—史密斯干涉型反射腔镜的结构图。与第三实施例福克斯一史密斯干涉型反射腔镜相比，不同点仅在于：在固定元件的“十”字型腔靠近晶体105A、105B处各设一透光薄片106。

如图4d所示，本发明第四实施例迈克耳逊干涉型反射腔镜的结构图。与本实施例福克斯—史密斯干涉型反射腔镜相比，不同点仅在于：倾斜的分束光学元件B的一端设在固定元件的左上角、另一端设在固定元件的右下角。

以上实施例都是分离式单纵模可调谐激光器。本发明亦可以制成微片式激光器，微片式激光器需将干涉型复合腔小型化，即可将其制作成干涉组合块，然后再将该干涉组合块与微片粘结或胶合成一整体，其中微片又由激光增益介质102和其他光学元件109胶合或粘结而成。以下将结合具体实施例详细说明：

如图5a所示，本发明第五实施例福克斯—史密斯干涉型复合腔的结构图。本实施例的干涉组合块的结构与第一实施例福克斯—史密斯干涉型复合腔的相同，只是该干涉组合块的左侧面与由激光增益介质102和其他光学元件109构成的微片胶合或粘结成一整体，该整体光学件设在右侧。设在左侧的半导体泵浦激光器107一般采用带金属套筒的激光二极管(LD)。光学耦合系统108设在整体光学件与半导体泵浦激光器107之间，该光学耦合系统108一般采用准直透镜、准直器或类似器件。该微片式激光器也可由半导体泵浦激光器107直接泵浦(即端泵)所述整体光学件。

如图5b所示，本发明第五实施例迈克耳逊干涉型复合腔的结构图。本实施例的干涉组合块的结构与第一实施例迈克耳逊干涉型复合腔的相同，只是该干涉组合块的左侧面与由激光增益介质102和其他光学元件109构成的微片胶合或粘结成一整体，该整体光学件设在右侧。

如图5c所示，本发明第六实施例福克斯—史密斯干涉型复合腔的结构图。本实施例的干涉组合块的结构与第二实施例福克斯—史密斯干涉型复合腔的相同，只是该干涉组合块的左侧面与由激光增益介质102和其他光学元件109构成的微片胶合或粘结成一整体，该整体光学件设在右侧。

如图5d所示，本发明第六实施例迈克耳逊干涉型复合腔的结构图。本实施例的干涉组合块的结构与第二实施例迈克耳逊干涉型复合腔的相同，只是该干涉组合块的左侧面与由激光增益介质102和其他光学元件109构成的微片胶合或粘结成一整体，该整体光学件设在右侧。

本发明将两个反射光学元件(反射平面镜)和分束光学元件(分光平面镜)粘结或胶合成一个整体作为单一激光腔镜，大大简化复合腔制作，通过改变其中支路的腔长调谐激光波长，同时使复合腔最小频率间隔大于激光增益介质带宽，从而实现单纵模可调谐激光输出。此外，由该复合腔还可以制成微片式激光器，兼具体积小、调谐速度快的特点。

Claims (3)

1.一种单纵模可调谐激光器，其包括泵浦源，激光增益介质和谐振腔，其特征在于：所述谐振腔为福克斯-史密斯干涉型复合腔，其一个腔镜采用由两个反射光学元件和一个分束光学元件构成的干涉型反射腔镜，其中，第一个反射光学元件(M1)设在水平面上，第二个反射光学元件(M2)设在竖直面上，所述的分束光学元件所在的平面与所述两个反射光学元件所在的平面相交成一定角度，与其中一个反射光学元件平行的方形晶体(105)为电光晶体、热光晶体，所述的干涉型反射腔镜采用两个反射光学元件和一个分束光学元件胶合构成，所述的干涉型反射腔镜和一固定元件胶合形成一整体，所述固定元件设在干涉型反射腔镜所在空间的四个角，形成一个“十”字型腔；其中倾斜的分束光学元件(B)的一端设在固定元件的右上角、另一端设在固定元件的左下角，方形晶体(105)以胶合的方式固定在固定元件的下表面，其中第一个反射光学元件(M1)以镀膜的形式镀在方形晶体(105)的下表面，第二个反射光学元件(M2)以胶合的方式固定在固定元件的右侧面，所述的福克斯-史密斯干涉型复合腔为尺寸较小的干涉组合块，该干涉组合块与由激光增益介质(102)和其他光学元件(109)构成的微片粘结或胶合成一整体，该整体光学件再与泵浦源构成一微片式单纵模可调谐激光器，其中反射光学元件(M1、M2)是平面全反射镜片。

2.一种单纵模可调谐激光器，其包括泵浦源，激光增益介质和谐振腔，其特征在于：所述谐振腔为迈克耳逊干涉型复合腔，其一个腔镜采用由两个反射光学元件和一个分束光学元件构成的干涉型反射腔镜，其中，第一个反射光学元件(M1)设在水平面上，第二个反射光学元件(M2)设在竖直面上，所述的分束光学元件所在的平面与所述两个反射光学元件所在的平面相交成一定角度，与其中一个反射光学元件平行的方形晶体(105)为电光晶体、热光晶体，所述的干涉型反射腔镜采用两个反射光学元件和一个分束光学元件胶合构成，所述的干涉型反射腔镜和一固定元件胶合形成一整体，所述固定元件设在干涉型反射腔镜所在空间的四个角，形成一个“十”字型腔；其中倾斜的分束光学元件(B)的一端设在固定元件的左上角、另一端设在固定元件的右下角，方形晶体(105)以胶合的方式固定在固定元件的下表面，其中第一个反射光学元件(M1)以镀膜的形式镀在方形晶体(105)的下表面，第二个反射光学元件(M2)以胶合的方式固定在固定元件的右侧面，所述的迈克耳逊干涉型复合腔为尺寸较小的干涉组合块，该干涉组合块与由激光增益介质(102)和其他光学元件(109)构成的微片粘结或胶合成一整体，该整体光学件再与泵浦源构成一微片式单纵模可调谐激光器，其中所述的反射光学元件(M1、M2)是平面全反射镜片。

3.根据权利要求1或2所述的一种单纵模可调谐激光器，其特征在于：所述的固定元件的“十”字型腔的竖直部分靠近方形晶体(105)处设一透光薄片(106)，该透光薄片(106)采用对振荡激光透射的波片，通过调节透光薄片(106)的角度对激光波长或频率进行调谐。

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