CN101896849A - 具有包括楔的气隙标准具的外腔可调谐激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可调谐的窄线宽激光器，其中，使用可调节的标准具结构(20)来同步地调谐激光传输波长和激光器腔体的长度。标准具结构(20)是有效的、相对较厚的剪力板，其由匹配的楔形透明基底(24a，24b)和一对平行的、其间具有空间的部分透射镜(22a，22b)组成。相对于激光输入来旋转标准具结构(20)导致入射到第一基底(24a)上的入射角和标准具角度发生变化，由此导致激光波长和外部激光器腔体的长度发生变化。因此，实现了可靠的频率调谐，而不发生模跳跃。使用以下更为一般性的构思来定义本发明，即，通过选择性地改变激光输入在波长分辨结构上的入射角能够同步地改变波长和激光器腔体长度，从而消除频率调谐期间的模跳跃，所述波长分辨结构例如是标准具结构，其定位在激光器体系的光程中。

Description

具有包括楔的气隙标准具的外腔可调谐激光器
背景技术
可调谐激光器是能够以可控方式改变工作波长的激光器。虽然所有的激光增益介质都允许输出波长有小的偏移，但是仅有少数几种类型的激光器允许在宽的波长范围内连续调谐。
存在许多类型和种类的可调谐激光器，一种已知类型的激光器调谐称作单线调谐(single line tuning)。由于没有任何实际的激光器真正地是单色的，因此所有激光器都能够发射某些频率范围的光线，这称作激光跃迁的线宽(linewidth)。在大多数激光器中，这种线宽是非常窄的(例如，Nd:YAG激光器的1064纳米波长跃迁的线宽大约是120GHz，相当于0.45纳米的波长范围)。通过将波长选择性光学元件放置在激光器的光学腔体内，能够实现在该范围的激光输出调谐，从而提供对所述腔体的特定纵模(longitudinalmode)的选择。
一种这样的波长选择性光学元件是标准具(etalon)，其包括两个基本上平行的部分透射镜(partially transmitting mirror)。除了一系列的峰，穿过标准具的透射通常是比较低的，这些峰以称作标准具的自由光谱范围(freespectral range(FSR))的间隔相距大约相等的距离。可以通过改变标准具透射镜(etalon mirror)之间的光学距离来改变标准具透射峰(transmission peak)的中心波长。需要标准具的FSR明显大于激光器的所需调谐范围，从而确保只有一个标准具透射峰位于所需的调谐范围内。透射峰的带宽也是进行激光器调谐的重要参数，因为带宽决定了与激光模相邻的模所造成的损耗，这进而决定了边模抑制比(SMSR)。标准具的带宽和自由光谱范围都可以根据已知的设计原理来改变。
美国专利申请公开US2005/0008045A1描述了一种可调谐激光器，其中，在半导体外腔中，将可调谐标准具用作透镜。可以借助用于控制两个平行透镜之间的光学空间的微机电装置来调谐用于调谐所述腔体的标准具。但是，这种操作会造成仅仅调谐激光发射波长的后果，这会导致模跳跃(modehopping)。给予简单的解释，激光器腔体仅仅能够支持特定的振动模，这种模可以是纵向的和横向的。模跳跃仅仅是可能的模之间的激光跃变(laserjumping)，对于纵模跳跃，激光波长有效地跃变。在许多应用场合中，模跳跃是不希望的，因为这会引起不希望的剧烈噪音。
本发明的发明人现在已经设计出了改进的可调谐激光器，其中与已知系统相关联的至少一些问题得到了缓解。
发明内容
根据本发明，提供了一种激光器系统，其包括激光光源、激光器腔体以及波长分辨结构(wavelength discriminating structure)，所述波长分辨结构用于接收来自所述激光光源的输入并且产生激光输出，所述系统进一步包括以下装置，所述装置用于选择性地改变所述输入在所述波长分辨结构上的入射角，从而导致所述激光器腔体的长度和所述激光输出的频率发生同步的相应变化。
因此，本发明能够实现对激光发射的可靠调谐，而不会产生模跳跃，因为波长分辨结构(可以是衍射光栅，但是优选是标准具结构)设计成使得通过选择性地改变激光输入在所述波长分辨结构上的入射角来同步地调谐波长和腔体长度。第一标准具透射镜(etalon mirror)和第二标准具透射镜可以设置在相应的第一基底和第二基底上，然后将所述第一基底和第二基底有利地布置和配置成使得相对于所述激光光源调节所述标准具结构(优选地，使得所述标准具结构相对于所述激光光源围绕轴线旋转，所述轴线相对于激光器系统的光程是横切的(transverse))导致所述激光输入在所述波长分辨结构上的入射角发生相应的变化，更优选地，所述第一基底和第二基底以及所述相应的第一标准具透射镜和第二标准具透射镜配置成起到有效的坚固剪力板(substantially shear plate)的作用。
在一个优选实施方式中，所述第一基底具有输入表面，所述第二基底具有输出表面，所述输入表面和输出表面基本上相互平行，并且不与所述第一标准具透射镜和第二标准具透射镜平行。例如，所述第一基底和第二基底可以包括匹配的透射楔(transmissive wedge)。
所述第一标准具透射镜和第二标准具透射镜之间的空间优选地包括密封的气隙，使得所述结构对于温度是不敏感的。
所述系统优选进一步包括滤光片(filter)，用于将来自所述激光光源的所述输入的光谱限制到预定的调谐范围，所述预定的调谐范围有利地基本上等于所述标准具结构的自由光谱范围(FSR)。
本发明的这些和其他方面从本文中描述的实施方式是显而易见的，并且将结合这些实施方式对本发明的这些和其他方面进行说明。
附图说明
下面将仅借助实施例并且参考附图对本发明的实施方式进行描述。
图1是显示根据本发明的示例性实施方式的激光器系统的一些主要组件的示意图；
图2示意性地示出设置在图1所示的系统中的滤光片的带通频率(bandpass frequency)；
图3a和图3b示意性地示出设置在图1所示的系统中的标准具结构；
图4和图5示意性地示出通过改变激光输入相对于一对匹配楔的入射角来改变激光传输的光程的原理，所述楔例如是用在设置在图1所示的系统中的标准具结构中的楔；
图6和图7分别示意性地示出用在根据本发明的示例性实施方式的激光器系统中的标准具结构的替代性设计。
具体实施方式
根据本发明的优选的示例性实施方式的可调谐的窄线宽激光器设计成稳健的(robust)，具有小于500kHz的线宽，重复频率为1kHz的大于100GHz的频率啁啾(frequency chirp over 100GHz)，并且没有发生模跳跃。
参见图1，根据本发明的示例性实施方式的可调谐激光器具有泵浦增益介质(pumped gain medium)10，所述泵浦增益介质在激光输入面上具有高反射率(HR)的反射镜(reflector)12(例如，反射率R＞35％)并且在其相对的激光输出面上具有抗反射(AR)涂层(例如，R＜0.1％)。激光输出面上的抗反射涂层14允许建立有效的外腔，而不发生模竞争(modecompetition)。
来自增益介质10的激光输出通过准直透镜16到达红外(IR)滤光片18，滤光片18被布置和配置成将光谱范围限制在100GHz，即，标准具20的调谐范围和FSR(如图2中示意性地示出的)。由于红外滤光片18将激光频率限制到了仅仅100GHz的小范围，因此100GHz FSR标准具在该频率仅具有一个共振波模(resonant mode)。
标准具20包括两个平行的部分透射镜22a和22b，它们设置在各自的匹配的楔形板(wedge plate)24a和24b上。由设置在反射镜22a和22b之间的相对的隔板26来限定反射镜22a和22b之间的光学空间。因此，标准具反射镜22a和22b之间的间隔是固定的。来自标准具20的激光输出传送到激光输出耦合器28(例如，R＞90％)，以提供所述的啁啾激光输出30。
旋转标准具反射镜22a和22b使得激光发射波长能够被调谐到高达100GHz。在本发明的这一示例性实施方式中，标准具基底是匹配的楔24a和24b，它们形成有效的、相对较厚的剪力板，当所述剪力板旋转时，由于这种结构允许激光传输的入射角(AOI)改变，从而还能够改变腔体长度，这一点将在后面做更详细的解释。换句话说，标准具的旋转同时调谐激光发射波长和腔体长度，由此消除模跳跃并且能够可靠地将激光发射调谐到高达100GHz。考虑到所示的示例性实施方式，为了使标准具能够调谐到高达100GHz(tunethrough 100GHz)，有效的标准具腔体长度需要变化100e9/1e14，即，1000ppm。为了消除调谐期间的模跳跃，必须满足以下表达式：
Nλ/2＝L腔体(激光器条件)
mλ＝2ndcosθ(标准具条件)
当激光频率增加100GHz(1000ppm)时，激光器腔体的长度需要缩短1000ppm×30mm，即，30μm，从而避免发生模跳跃。借助构建在标准具基底22a和22b中的有效的剪力板(经由匹配的楔24a，24b)，当标准具旋转时，激光器腔体长度变化正确的量，从而允许无模跳跃的调谐(mode hopfree tuning)。
额外参见图3a和图3b，能够更详细地观察标准具结构20。示出的结构20包括设置在各自的匹配的楔形板24a和24b上的两个平行的反射镜22a和22b。由设置在反射镜22a和22b之间的相对的隔板26来限定反射镜22a和22b之间的光学空间(或气隙32)。为了完整，例如，设想匹配的楔24a和24b可以由熔融石英制成(具有例如20度的顶角)，标准具隔板26可以由ULE制成(如果制成密封的，其能够保持对温度的不敏感性)。但是，可以设想其他合适的材料，关于这一点，本发明并不限于此。另一个考虑存在于匹配的楔24a和24b的设计，特别是顶角α。在示出的实例中，匹配的楔采取直角三角形的形式，使得标准具相对于垂直线的角度为0。但是，关于这一点，本发明并不限于此。参见图6和图7，角度dα可以分别大于或小于0。但是，如果匹配的楔的顶角增大，则输入激光传输的可能的AOI增大。因此，如果顶角增大地太多，则所述AOI可以增大到超过理想的频率调谐范围所需的角度。同样地，如果顶角减小地太多，则标准具角度将会减小到小于理想的频率调谐范围所需的角度。因此，对于角度dα存在设计限制。
如所示出的，当标准具结构20旋转时，输入光34在由匹配楔24a和24b形成的有效剪力板上的入射角θi以及在标准具上的入射角θ将发生变化，这使得优化的路径和频率追踪能够避免模跳跃并且不再需要提供若干个致动器。更详细地，可以通过根据下面的表达式旋转标准具结构来调谐标准具频率透射峰(frequency transmission peak)：
Δλ/λ＝-θ2/2n2
其中λ是输出光的频率，Δλ是频率偏移，θ是标准具角度，并且n是反射镜22a和22b之间的光学空间32的折射率，在该情况下，n是1。因此，在1550nm下由AOI θi调谐使得标准具角度θ从0.5度变化至大约2度，这导致频率偏移100GHz或0.8nm。当标准具旋转时，其共振波长减小，这需要更短的腔体长度，从而消除可能的模跳跃。因此，当在基底上的AOI变化通过θi(change throughθi)时，标准具角度θ增大，即，标准具的共振波长减小，并且在第二基底24b上的AOI减小，导致光程的长度有效地减小，如图4中示意性地示出的。
如图5所示，在本文中描述的本发明的特定的示例性实施方式中，将在基底上的AOI从31度变化至29.5度，则光程变化大约30μm。同样的AOI变化导致标准具角度从0.5度变化至1.8度，这等同于频率增大了大约100GHz。
关于频率调谐的精确度，1ppm的频率精确度(等同于1.25nm的标准具位移分辨率)需要高度线性的调谐装置、高度可再现的调谐装置，或者，更优选地，用于精确测量操作过程中的频率调谐的装置。参见图1，提出的用于旋转标准具结构的致动机构包括安装在实心金属底座38上的金属挠性件(flexture)36，所述挠性件36与标准具结构耦合并且被压电致动器40促动。还设置测量传感器42，所述测量传感器42任选地处于与压电致动器40的闭环连接线路(closed loop connection)44中。因此，使用中，被压电致动器40促动的挠性件36导致标准具结构20旋转，以实现AOI的所需变化，从而实现所需的频率偏移。用于监控这一操作进展的可行的测量技术包括监控压电致动器40的电压输出、测量挠性件36和/标准具结构20经由线性或旋转编码器或标尺的位移，以及借助监控标准具透射的光学编码器来测量标准具结构20的旋转。一项特定的供选择方案是使用分辨率为20pm的超灵敏电容表。但是，也可以设想其他技术，本发明并不限于此。
应当注意，本发明并不限于上面描述的实施方式，优选的实施方式可以在权利要求所限定的范围内变化。当用在说明书包括权利要求书中时，术语“包括”意图指明所声明的特征、装置、步骤或组件的存在，但是并不排除一个或多个其他特征、装置、步骤或组件或其集合的存在或增加。而且，出现在权利要求中的元素前面的用语“一个”和“一种”并不排除多个所述元素的存在。而且，任何附图标记都不意图限制权利要求的范围。可以借助硬件和软件两者实施本发明，可以由硬件的同一项目代表若干个“装置”。最后，本发明的特征，无论是单独出现或组合出现，也都能够组合在一起或者相互分离，使得能够容易地设想本发明的许多种变化和应用。

Claims (20)

1.一种激光器系统，其包括激光光源、激光器腔体以及波长分辨结构，所述波长分辨结构用于接收来自所述激光光源的输入并且产生激光输出，所述系统进一步包括以下装置，所述装置用于选择性地改变所述输入在所述波长分辨结构上的入射角，从而导致所述激光器腔体的长度和所述激光输出的频率发生同步的相应变化。
2.根据权利要求1所述的激光器系统，其中，所述波长分辨结构包括标准具结构。
3.根据权利要求2所述的激光器系统，其中，所述的用于选择性地改变所述输入在所述标准具结构上的入射角的装置包括光学装置，所述光学装置与所述标准具结构分开，用于在所述输入入射到所述标准具结构之前选择性地改变所述输入的光程。
4.根据权利要求2所述的激光器系统，其中，所述的用于选择性地改变所述激光输入在所述标准具结构上的入射角的装置包括用于相对于所述激光输入调节所述标准具结构的装置。
5.根据权利要求4所述的激光器系统，其中，所述标准具结构包括第一基底和第二基底，在所述第一基底和第二基底上设置有第一部分透射镜和第二部分透射镜，所述第一部分透射镜和第二部分透射镜彼此相互平行并且在其间具有空间，所述第一基底和第二基底配置成使得相对于所述激光输入选择性地调节所述第一基底和第二基底导致所述输入在所述第一部分透射镜上的入射角发生变化。
6.根据权利要求4或5所述的激光器系统，其中，所述的用于选择性地改变所述输入在所述标准具结构上的入射角的装置包括用于相对于所述激光输入机械地调节所述标准具结构的装置。
7.根据权利要求5所述的激光器系统，其中，所述第一基底和第二基底是透射的，并且所述标准具结构配置成起到有效的坚固剪力板的作用。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的激光器系统，其中，所述的用于选择性地改变所述输入在所述标准具结构上的入射角的装置包括用于相对于所述激光输入旋转所述标准具结构的装置。
9.根据权利要求8所述的激光器系统，其中，所述的用于相对于所述激光输入旋转所述标准具结构的装置布置成围绕轴线选择性地旋转所述标准具结构，所述轴线横切于所述系统的光程。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的激光器系统，其中，所述第一基底具有输入表面，所述第二基底具有输出表面，所述输入表面和输出表面基本上相互平行并且不与所述第一部分透射镜和第二部分透射镜平行。
11.根据权利要求10所述的激光器系统，其中，所述第一基底和第二基底包括匹配的透射楔。
12.根据权利要求4至11中任一项所述的激光器系统，其中，所述第一部分透射镜和第二部分透射镜之间的所述空间填充有以下材料，所述材料具有不同于所述第一基底和第二基底的折射率。
13.根据权利要求12所述的激光器系统，其中，在所述空间中的所述材料的所述折射率小于所述第一基底和第二基底的折射率。
14.根据权利要求13所述的激光器系统，其中，所述空间填充有空气。
15.根据权利要求14所述的激光器系统，其中，所述空间是密封的。
16.根据上述权利要求中任一项所述的激光器系统，其进一步包括滤光片，用于将来自所述激光光源的所述输入的光谱限制到预定的调谐范围。
17.根据权利要求16所述的激光器系统，其中，所述预定的调谐范围基本上等于所述标准具结构的自由光谱范围(FSR)。
18.根据上述权利要求中任一项所述的激光器系统，其进一步包括用于监控所述激光输入在所述标准具结构上的所述入射角的选择性变化的监控装置。
19.根据权利要求18所述的激光器系统，其中，所述监控装置产生代表所述激光输入在所述标准具结构上的所述入射角和/或所述入射角的变化的信号，所述信号被输入到用于控制所述入射角的变化的控制装置中。
20.根据权利要求19所述的激光器系统，其中，所述的用于选择性地改变所述激光输入在所述标准具结构上的所述入射角的装置包括用于相对于所述激光输入调节所述标准具结构的装置，并且所述监控装置包括用于测量对所述标准具结构的所述相对调节的测量装置。
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