CN101952748A - 波长调谐装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可使用单个角度操作来维持最高效率而不改变输入/输出光的位置的波长调谐装置和方法。为此，该波长调谐装置和方法包括以一体型被构造的透射型衍射光栅和反射镜，使得实现衍射光栅的最佳效率衍射角的光路可被形成，并旋转该一体结构以获得期望波长。因此，操作和控制的效率和精度可增加，且成本可减少。

Description

波长调谐装置及其方法
技术领域
本发明涉及波长调谐装置和方法，尤其是涉及可使用单个角度操作来维持最高效率而不改变输入/输出光的位置的波长调谐装置和方法。
背景技术
光学器件的发展影响各种工业领域，且从微机械加工到高速通信的各种各样的下一代技术基于光学器件。具体地，应用于工业和医疗技术例如用于使用具有高准直度的激光来改进或微加工表面的技术、用于分离特定的细胞或医学物质的技术、用于使用光学介质复制数据的技术、使用光纤的全反射的高速通信、用于识别纳米尺寸三维样本的结构的显微技术等的光学器件变得更重要。
通常，激光光学器件大部分使用单个波长。然而，当对使用不同波长的应用的要求增加时，可调谐波长的波长调谐激光光学器件被引入，以明显增加通信波段，分析各种样本，或从宽范围波长中选择提供最佳特征的这样的波长。
应用用于调谐激光束的波长的技术的波长调谐激光器根据目的具有不同的结构。然而，通常可应用于各种光学应用的波长调谐激光器通过控制具有预定波长波段的激光光源的衍射角来选择并输出期望波长。
图1是示出应用公知的利特罗腔的波长调谐装置的结构的视图。在这里，腔代表用于光学共振的结构，包括衍射光栅、反射镜、透镜等，并通常称为光学腔。
如图1所示，通过激光二极管1产生的激光通过准直透镜2变成平行光，并入射在反射式衍射光栅3上。入射光根据反射式衍射光栅3的结构以特定的角度被衍射，以从反射镜4被反射。
在这个结构中，可通过控制衍射光栅3的角度来选择波长，并可根据选定的波长来改变光路。因此，为了调整光路，需要复杂的操作，例如控制入射光或反射镜4的位置。此外，根据入射光的衍射角的有效分布根据波长是不同的，使得在所有波长处维持最高效率很难。此外，反射式衍射光栅具有绝对低的衍射效率。因此，该结构的衍射效率绝对低，因为在该结构中使用反射式衍射光栅3。因此，当实现波长调谐激光装置时，该装置的尺寸很大，且维持光的位置和路径很难。因此，存在问题，因为需要高成本和大尺寸，且精度低。
图2是示出应用利特罗腔的波长调谐装置的结构的视图。参考图2，通过激光二极管11产生的激光通过准直透镜12变成平行光，并以衍射角被反射式衍射光栅13衍射。衍射光从反射镜14反射并再次入射在反射式衍射光栅13来以特定的角被衍射。
在该结构中，通过控制反射镜14的角度可选择波长。由于用于反射的衍射光栅13的位置是固定的，存在优点，因为入射光的位置和输出光的路径不改变。然而，该结构具有非常低的效率，因为它不仅使用不能反射100％的输入光的衍射光栅13来反射多个光束，而且根据波长改变的反射效率不能被补偿。因此，可被选择的波长的范围减小了。具体地，需要波长区域可能重叠的大量激光二极管来提供宽范围的波长，以便降低成本。此外，代替激光二极管来选择波长的时间段减小了，使得操作时间减小了。此外，光路被位置固定的反射式衍射光栅13限制，使得光路的选择被限制。因此，为了解决这个限制，需要额外的反射镜结构，且其尺寸增加了。
因此，存在对光路可被自由设计的波长调谐装置和方法的快速增加的需要，该光路不根据选定的波长改变，输出效率和波长选择的精度高，对波长选择所需的控制简单，且其尺寸小。
发明的公开内容
技术问题
为了克服上面的问题，本发明提供了一种波长调谐装置和方法，其包括以一体型被构造的透射型衍射光栅和反射镜，使得实现衍射光栅的最佳效率衍射角的光路可被形成，旋转该一体结构以获得期望波长，并执行简单的操作来选择高效率波长。
本发明还提供了一种波长调谐装置和方法，其可通过选择透射型衍射光栅的衍射栅格排列角(arrangement angle)处于最高效率被维持的状态中来设计期望光路，以增加波长调谐装置的设计自由度并减小装置的尺寸。
本发明还提供了一种波长调谐装置和方法，其被自动设置，使得通过根据波长执行简单的角度调节操作，从宽波长波段中选择的波长的效率是相应波长的最高效率。
本发明还提供了一种波长调谐装置和方法，其以固定角度组合体积相位全息光栅(VPHG)和反射镜，使得考虑到入射在对宽波长波段和衍射栅格的排列角有高透射效率的VPHG上的光的入射角，透射光的衍射角是最高效率角，且光会聚到小孔中，以便减小装置的尺寸并使用单个操作单元增加效率和波长选择精度。
本发明还提供了一种波长调谐装置和方法，其根据选定的波长维持最佳效率以实现从激光二极管提供的大部分波长波段的有效输出，并从具有不同的波长波段的多个激光二极管中机械地或电动地选择一个，以便使用少量激光二极管从宽波段中选择精确的波长。
技术方案
根据本发明的方面，提供了一种波长调谐装置，其包括：光源单元，其具有预定的波长波段；透射型衍射单元，其以根据栅格排列角的角度衍射从所述光源单元提供的光；反射镜，其布置成相邻于所述透射型衍射单元，使得以最高效率衍射角通过的光通过目标光路，所述最高效率衍射角通过使用入射在所述透射型衍射单元上的光的角度和所述栅格排列角来获得；组合单元，其将透射型衍射单元与反射镜组合为单个结构；以及驱动单元，其根据选定的波长旋转组合单元。
在本发明的上面的方面中，最高效率衍射角可为与透射型衍射单元上的入射角对称的光的角度，且最高效率衍射角可等于入射光的角度。
此外，光源单元可包括具有不同波长波段的多个光源和用于从所述光源中机械地选择一个光源的光源选择单元。
此外，光源单元可为激光指示器，并且还包括反射从所述反射镜反射的光的一部分的耦合器以设置外部腔。
此外，波长调谐装置还可包括：用于会聚从反射镜反射的光的透镜；以及小孔透镜，只有会聚在所述透镜上的一种波长的光通过所述小孔透镜透射。
此外，波长调谐装置还包括用于反射从所述反射镜反射的光的一部分并将输出量值转变成电信号的部分反射和监控单元。
此外，驱动单元可绕所述透射型衍射单元的衍射轴与所述反射镜的反射面的延长线交叉的点旋转所述透射型衍射单元和所述反射镜。
此外，波长调谐装置可包括用于校正从光源提供的光以具有圆形形状的形状校正单元和用于校正焦点的焦点校正单元中的一个或多个。
此外，透射型衍射单元可为体积相位全息光栅(VPHG)。
根据本发明的另一方面，提供了一种波长调谐装置，其包括：光源单元，其具有预定的波长波段；反射镜，其反射从光源单元提供的光；透射型衍射单元，其以根据栅格排列角改变的角度透射并衍射从反射镜反射的光，并布置成相邻于反射镜，使得具有关于所述栅格排列角等于入射光的角度的衍射角的光在目标光路上通过；组合单元，其固定反射镜与透射型衍射单元之间的排列角，以将反射镜与透射型衍射单元组合为单个结构；以及驱动单元，其根据选定的波长旋转组合单元。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括具有激光光源单元和外部腔的激光输出结构的波长调谐装置，其包括：透射型衍射光栅，其为根据栅格排列角来透射和衍射入射激光的VPHG；反射镜，其用于确定光路，以便使以衍射角输出的光能够会聚在输出点上，该衍射角关于栅格排列角与入射在透射型全息衍射光栅上的光的入射角对称；组合单元，其用于布置并固定透射型全息衍射光栅和反射镜以具有固定的角度；以及光学腔，其包括用于旋转组合单元的驱动单元。
在本发明的上面的方面中，透射型衍射光栅和反射镜可按光路的相反顺序布置。
此外，只有根据光路上的组合单元的角度选择的波长会聚在输出点上并被反馈以被共振，且其它波长被发散并被消灭。
此外，波长调谐装置还可包括控制单元，其用于通过使用根据外部控制信号确定的波长和根据所确定的波长的角度来控制驱动单元。
根据本发明的另一方面，提供了一种波长调谐方法，其包括步骤：根据确定的光路来布置输出多个波长的激光光源单元；布置根据栅格排列角来透射并衍射从激光光源单元提供的光的透射型衍射单元，以及布置确定光路的反射镜，以便使以衍射角输出的光能够会聚在输出点上，该衍射角关于栅格排列角与入射在透射型全息衍射光栅上的光的入射角对称；考虑到栅格之间的距离，通过选择期望波长来获得入射在所述透射型衍射单元上的光的入射角；旋转被集成为一体的所述透射型衍射单元和所述反射镜以便具有所述入射角；以及使从输出自激光光源的多个波长选择的波长共振并将共振的波长输出到所述输出点。
在本发明的上面的方面中，透射型衍射单元可为VPHG。
此外，可绕透射型衍射单元的衍射轴与反射镜的反射面的延长线交叉的点执行旋转步骤。
此外，通过使用θ＝sin-1(λ/2d)来执行获得入射在透射型衍射单元上的光的入射角的步骤，其中θ是衍射单元的入射角，λ是期望的选定波长，而d是栅格之间的距离。
此外，布置激光光源单元的步骤还可包括布置输出不同波长波段的多个激光光源以便从所述激光光源中机械地选择一个激光光源并进行替换以及选择并布置输出包括相应波长的波长波段的激光光源的步骤。
此外，共振的步骤还包括通过测量输出波长的量值来控制激光光源单元的电流使得输出波长具有预定的量值的步骤。
有益效果
根据本发明的示例性实施方式的波长调谐装置和方法包括以一体型被构造的透射型衍射光栅和反射镜，使得实现衍射光栅的最佳效率衍射角的光路可被形成，并旋转该一体结构以获得期望波长。因此，操作和控制的效率和精度可增加，且成本可减少。
根据本发明的示例性实施方式的波长调谐装置和方法可通过选择透射型衍射光栅的衍射栅格排列角处于最高效率被维持的状态中来设计期望光路。因此，波长调谐装置的设计自由度可增加，且装置的尺寸可减小。
根据本发明的示例性实施方式的波长调谐装置和方法被自动设置，使得通过根据波长执行简单的角度调节操作，从宽波长波段中选择的波长的效率是相应波长的最高效率。因此，可在没有任何额外的修改或操作的情况下维持选定波长的最高效率。
根据本发明的示例性实施方式的波长调谐装置和方法以固定角度组合体积相位全息光栅(VPHG)和反射镜，使得考虑到入射在对宽波长波段和衍射栅格的排列角有高透射效率的VPHG上的光的入射角，透射光的衍射角是最高效率角，且光会聚到小孔中。因此，不仅装置的尺寸和成本减小了，而且效率和波长选择精度可通过减小操作单元的尺寸和数量而增加。
根据本发明的示例性实施方式的波长调谐装置和方法根据选定的波长维持最佳效率以实现从激光二极管提供的大部分波长波段的有效输出，并从具有不同波长波段的多个激光二极管中机械地或电动地选择一个，以便不仅增加待选择的波长的数量而不改变光源，而且使用少量激光二极管从宽波段中选择精确的波长。因此，装置的尺寸和成本可减少。
附图的简要说明
图1是示出常规利特罗腔的结构的概念图。
图2是示出常规利特罗腔的结构的概念图。
图3是示出用于解释透射型衍射光栅的特征的透射型衍射光栅的结构的视图。
图4是示出根据本发明的实施方式的波长调谐装置的结构的例子的视图。
图5是激光二极管的频谱和增益分布的曲线。
图6是示出根据本发明的另一实施方式的波长调谐装置的操作的视图。
图7是示出根据本发明的另一实施方式的设置光路的方法的视图。
图8是示出根据本发明的另一实施方式的在波长调谐装置中使用的波长调谐方法的视图。
图9是示出用于解释透射型衍射光栅的特征的透射型衍射光栅的结构的视图。
图10和11是示出设置光路的方法的例子的视图。
图12是示出根据本发明的另一实施方式的光路设置范围的概念图。
图13和14是示出根据本发明的另一实施方式的光学腔的结构的透视图。
图15是示出根据本发明的另一实施方式的波长调谐装置的结构的视图。
图16和17是示出布置多个光源的方法的例子的视图。
图18是示出布置光学腔的例子的视图。
图19是示出根据波长的一般衍射效率的曲线。
图20是示出根据本发明的另一实施方式的根据波长的衍射效率的曲线。
用于实现本发明的最佳方式
现在将参考附图详细描述本发明的示例性实施方式。
图3示出透射型衍射光栅的结构。所示衍射光栅是对光学器件中大部分可应用的波长波段有高透射率的体积相位全息光栅(VPHG)。
所示衍射光栅包括插入栅格22的前和后透明透射板21，栅格22衍射波长的传播方向。
衍射光栅衍射入射光以将光歪曲地透射到预定的范围。在这种情况下，以等于入射角的反射角输出的光的效率最高。具体地，在透射光中，以衍射角θd输出的光具有最高效率，衍射角θd关于虚拟垂直线(虚线)与入射角θi对称，虚拟垂直线垂直于衍射光栅。具有最佳效率的入射角和相应于入射角的透射光的角度根据期望波长和栅格之间的距离d改变。因此，为了获得透射并以最佳效率被衍射的光，需要根据波长λ的最佳入射角和根据最佳入射角的透射光的角度。这可通过方程1获得。
[方程1]
λ＝d(sinθi+sinθd)
具体地，期望波长的最佳入射角θi和透射光的衍射角θd可通过使用sin-1(λ/2d)来获得。在这里，透射光的入射角和衍射角相等。用于获得入射角和衍射角的参考线根据栅格22的排列角被确定。栅格排列角垂直于衍射光栅，使得垂直线用作参考线。参考图9将描述栅格排列角改变的情况。
图4示出根据本发明的实施方式的包括光学腔的波长调谐装置的结构的例子。在这里，示出了广泛应用的激光产生装置。然而，本领域技术人员应理解，可在使用各种光源、分光计或单波长探测器的应用中使用本发明。
装置包括可输出具有多个波长的激光的激光二极管101、允许来自激光二极管101的输出光平行的准直透镜102、平行的光通过其被衍射和透射的透射型衍射光栅103、反射衍射光以设置光路的反射镜104、以及会聚被反射镜104反射的光以使所会聚的光能够通过小孔透镜106的小孔的透镜105。在这里，为了选择并共振期望波长，可进一步包括用于反射入射光的一部分的耦合器107。
透射型衍射光栅103可优选地为具有高透射率的VPHG，且反射镜104可优选地为银镜或介质反射镜。此外，虽然透射型衍射光栅103和反射镜104的侧面部分可如图4所示彼此接触，但透射型衍射光栅103和反射镜104可被不同地构造，只要它们在光路上相对于彼此有固定的角。
透射型衍射光栅103和反射镜104以固定的角彼此组合以被认为是单个旋转部件。具体地，当透射型衍射光栅103被旋转以从入射光选择特定的波长时，反射镜104被操作来对准以等于入射光的入射角的衍射角输出的选定波长的光路，以与小孔透镜106的小孔对准。在该结构中，具有入射光的选定波长的光被透射型衍射光栅103以具有最高效率的衍射角衍射，且衍射光被反射镜104入射在小孔透镜106上。通过控制入射光的入射角可选择期望波长。因为反射镜104以固定的角度与透射型衍射光栅103组合并进行旋转，具有任何选定波长的光能以最高效率衍射角被衍射并通过小孔输出。
通常，激光器具有如图5所示的频谱分布(虚线)和增益分布(实线)。例如，具有范围从630到638nm的波长波段的激光器在接近于中心波长的635nm的波长处具有最高增益，并在其它波长处具有大于某个水平的增益。
没有外部腔的简单的激光指示器在接近于中心波长的635nm的波长处产生光。然而，在外部腔被提供以部分地反射预定的选定波长来引起共振的情况下，光可在具有预定量值或更大的增益的相邻波长处产生。
因此，如果外部腔被提供以选择预定波长，使得预定波长被发射到将被部分反射的输出点，则可实现能够输出具有选定波长的激光的波长调谐装置。
根据实施方式，作为外部腔的光学腔的核心部件，包括透射型衍射光栅103和反射镜104的一体结构被应用，且一体结构旋转以选择波长来确定入射光的角度。如上所述，衍射光栅103和反射镜104之间的角度被确定，使得入射光的角度和衍射光的角度相等，且被反射镜反射的光可聚集到输出点上。因此，可维持最高效率。
图6到8是用于解释在根据参考图4详细描述的本发明的实施方式的波长调谐激光输出装置中使用的共振方法和波长调谐方法的图。为了描述的方便，只描述了在图5所示的频谱分布中的三个波长λ1、λ2、λ3。例如，假定λ1、λ2和λ3分别是635nm、636nm和634nm，透射型衍射光栅是VPHG，以及栅格的布置是1200lpmm(每毫米线，其为每1mm有1200条线)。在附图中，部件的尺寸为了清楚起见被放大。
参考图6描述了共振方法。全反射镜布置在所示激光二极管101的左侧上，涂覆抗反射涂层的部分反射镜布置在其右侧上以移除内在的共振噪声。从激光二极管101输出的多个波长的光通过准直透镜102变成平行光，以入射在包括透射型衍射光栅103和反射镜104的波长选择单元上。入射光由于透射和聚焦在透镜105上以被会聚到小孔透镜106的小孔中而通过衍射和反射经由预定的光路被发射。在光路上，用于反射入射光的一部分的耦合器107布置成将入射光的该部分反馈回激光二极管101以引起共振。因此，由于共振，选定波长的增益逐渐增加，且光可以相应的波长被产生。在这里，只有具有等于入射角的衍射角的选定波长λ1的光通过小孔输出，而没有选定波长λ1的例如λ2、λ3等的光不能通过小孔并被消灭。
为了描述的方便，在所示结构中，部件被放大。此外，可进一步包括用于调节圆形形状的光的形状及其焦点的调节单元、用于精确的共振的耦合器等。然而，基本原理是类似的。
图7是用于解释透射型衍射光栅103、反射镜104和光路的布置以及选择入射角的方法的视图。
通过使用上述假定值，根据波长计算等于衍射角θd的入射角θi以获得最佳效率。使用方程1，可得到下面的方程。
635nm＝(1mm/1200)×2×sinθ
因此，在635nm的波长处具有最高效率的入射角通过使用sin-1(635×6×10-4)被计算为大约22.396°。
具体地，当选择635nm的波长时，透射型衍射光栅103旋转以允许入射角θi为22.396°，以相同的衍射角θd输出的光被认为是最高效率衍射角，且反射镜104和透射型衍射光栅103布置成使得光在会聚在小孔透镜106的小孔上。因此，获得固定的角θf。通过前述操作，可执行初始设计和波长选择。
换句话说，在初始设计中，反射镜104的排列位置被选择并被固定，使得具有等于入射角的衍射角的波长的入射光可会聚在输出点(小孔)上。
图8是用于解释通过旋转如图7所示固定的透射型衍射光栅103和反射镜104来选择另一波长的方法的视图。为了选择636nm的波长λ2，入射角通过使用sin-1(636×6×10-4)被计算为大约22.433°。因此，当包括具有固定的角度的衍射光栅103和反射角104的组合结构绕旋转轴P以相应于控制角θa的大约0.037°的角度旋转时，在入射角和衍射角为22.433°时以最高效率被衍射的636nm的波长λ2通过小孔输出。旋转轴是衍射光栅的衍射轴与反射镜的反射面的延长线交叉的点，其在图8中被标为P。
为了选择634nm的波长λ3，组合结构被旋转以具有22.358°的入射角。
具体地，在衍射光栅103和反射镜104之间的固定角被设置为对准光路，以使具有等于入射角的衍射角的光能够入射在输出点上。此外，衍射光栅103和光源的入射角被设置为提供具有根据在光路上的相应入射角选择的波长的光。因此，具有选定波长的光的入射角和衍射角在该结构中总是相等的。因此，最高效率可被维持，且具有期望波长的光可通过最小尺寸装置和单个角度控制操作被选择，来以最高效率将光提供到输出点。
图9示出可调谐光路的透射型衍射光栅的另一结构。图9示出当衍射光栅的栅格排列角倾斜时的衍射。
与透射型衍射光栅组合成一体型的所布置的反射镜的角度被控制以设置光路，用于将以最佳效率输出的选定波长的衍射角会聚在输出点上。然而，反射镜的反射范围被限制，光的形状可根据反射角改变，且不同波长的密度可改变。因此，实际上选择期望路径很难。换句话说，需要根据激光装置的结构、尺寸和目的来设计不同的光路，以便入射光可在入射方向上被输出，且光路可被控制以在垂直于入射光的方向上输出光。然而，只使用反射镜，高精度波长选择很难，且路径选择被限制。为了解决上述问题，在没有具有有限的光路选择的额外光学器件(例如反射镜)的情况下使用能够控制栅格的排列角的透射型衍射光栅。
如图9所示，当栅格在长度方向上相对于中心线(虚线)倾斜β角时，入射角θi和衍射角θd根据栅格的排列角(倾斜的虚线)被计算。甚至在这种情况下，也可应用方程1，只要栅格的倾角代替垂线作为依据被使用。
具体地，当衍射角θd和入射角θi相等时，衍射角具有最佳效率，关于栅格排列角与入射角对称的衍射角用于确定反射镜的排列角以设置光路，且用于波长选择的入射角通过使用现有的方程被选择。
图10和11示出使用透射型衍射光栅和反射镜的光路来设置光路的方法。在图10所示的结构中，透射型衍射光栅210和反射镜220之间的角度被设置为钝角，而在图11所示的结构中，透射型衍射光栅230和反射镜240之间的角度被设置为锐角。具体地，如图12所示，通过借助于控制衍射光栅的栅格布置和反射镜的角度来使用通过组合衍射光栅与反射镜而形成的单个单元(称为衍射单元250)，最佳效率和波长选择精度可被维持，且光路可在宽范围w内被自由地设计。因此，波长调谐装置可被构造成具有期望形状和尺寸，且光源和输出可被适当地布置。
图13和14是示出透射型衍射光栅和反射镜的实际布置和结构的例子的视图。参考图13，透射型衍射光栅261和反射镜262被固定为一体组合单元263，且组合单元263被旋转单元264旋转。组合单元263的旋转轴是透射型衍射单元261的衍射轴与反射镜262的反射面的延长线交叉的点(所示结构中的接触点)，且旋转单元264需要被构造为执行精确的旋转。根据情况，旋转轴的位置可被改变(例如到衍射板的入射点等)。参考图14，具有圆形形状但没有板(plate)的形状的透射型衍射光栅271和反射镜282被固定为具有圆形形状的组合单元273。因为光源被入射在上面的区域和用于确定光路的区域不大，因此透射型衍射光栅271、反射镜272和组合单元273的尺寸可减小。
图15示出前述结构的例子以显示实际控制操作。参考图15，在激光二极管300和准直透镜301之后设置校正单元307，校正单元307包括用于校正平行光的形状的形状校正单元和用于校正焦点的焦点校正单元中的一个或多个。通过校正单元307的光通过包括透射型衍射光栅和反射镜的衍射单元302，当光通过耦合器306以使选定的波长共振时，光的一部分被反射，且通过耦合器306的光会聚在透镜303上通过小孔透镜305的小孔。在这里，可进一步包括用于将通过透镜303的光的一部分反射到光路外部的部分反射式反射镜304以及用于将部分反射的光的输出转换成电信号的监控单元311。此外，可进一步包括用于旋转衍射单元302的衍射光栅驱动单元312、用于驱动激光二极管300的激光驱动单元313、以及用于控制衍射光栅驱动单元312具有根据外部控制信号的角度并通过比较监控单元304的输出与根据外部控制信号的输出量值来控制从激光驱动单元313提供的电流的量值的控制单元310。
通过前述结构，期望波长可被选择，并被输出为具有根据外部控制信号的期望输出量值。当然，为了更精确的控制，可进一步包括额外的单元，并可包括用于维持温度的单元。
图16和17示出用于从多个激光中电动地或机械地选择一个激光以扩展待选择的波长的范围的结构。图16示出一种结构，其中多个激光401、402和403紧密地布置使得激光入射在透射型衍射光栅410的相同点上，且只有可提供所需波长的光源被选择并被驱动。这称为频谱组合法。
图17示出一种结构，其中多个激光光源根据波长波段被机械地连续布置，且可提供期望波长的激光光源布置在提供位置的光源处。图17a示出以旋转式装置形式420布置的光源421。图17b示出以线性形式430布置的光源431。
前述机械结构可根据选定波长由图15所示的控制器控制，使得所需的激光光源可被自动选择并布置。
图18示出透射型衍射光栅452和反射镜451以光路的相反顺序布置的情况。如图18所示，通过该布置，可获得与前述前向方向布置相同的效果，以便可自由地改变布置的顺序。
图19示出根据使用透射型衍射光栅时测量的波长的效率。通过调谐波长但固定入射角来测量效率。因此，每个抛物线表示根据在单个固定入射角处的波长测量的效率的值。如图19所示，当透射型衍射光栅的入射角不相应于波长时，其效率急剧降低。因此，当使用透射型衍射光栅时，需要根据波长控制入射角并根据入射角控制对所改变的衍射角的光路的设置。换句话说，需要两个控制步骤来有效地调谐波长。
图20示出根据本发明的另一实施方式的光学腔的效率。如图20所示，在设计中，光路以具有最高效率的衍射角形成，且对于选定的波长，相应的最佳环境被自动提供并操作，使得使用单个控制步骤，可在任何波长处获得最高效率。
根据本发明的实施方式的波长调谐装置和方法包括以一体型被构造的衍射光栅和反射镜，使得实现透射型衍射光栅的最佳效率反射角的光路可被形成，并旋转该一体结构以获得期望波长，使得操作和控制的效率和精度可被增加，且成本减少了。
根据本发明的示例性实施方式的波长调谐装置和方法可通过选择透射型衍射光栅的衍射栅格排列角处于最高效率被维持的状态中，来设计期望光路，因此，波长调谐装置的设计自由度可增加，且装置的尺寸可减小。
根据本发明的示例性实施方式的波长调谐装置和方法被自动设置，使得通过利用根据波长的简单操作来执行简单的角度调节操作，从宽波长波段中选择的波长的效率是相应波长的最高效率。因此，可在没有额外的修改或操作的情况下维持最高效率。
根据本发明的示例性实施方式的波长调谐装置和方法以固定角度组合VPHG和反射镜，使得考虑到入射在VPHG上的光的入射角对宽波长波段和衍射栅格的排列角有高透射效率，透射光的衍射角是最高效率角，且光会聚到小孔中，因此，装置的尺寸可减小，且使用单个操作单元可增加效率和波长选择精度。
根据本发明的示例性实施方式的波长调谐装置和方法根据选定的波长维持最佳效率，以实现从激光二极管提供的大部分波长波段的有效输出，并从具有不同的波长波段的多个激光二极管中机械地或电动地选择一个。因此，在不替换光源的情况下可被选择的波长的数量增加了，且用于选择的时间减少了。此外，可执行对宽波段的精确的波长选择，虽然激光二极管的数量被减小以减小成本和尺寸。
虽然参考其中的示例性实施方式具体示出并描述了本发明，本领域技术人员应理解，可在其中在形式和细节上进行各种变化，而不偏离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (22)

1.一种波长调谐装置，包括：
光源单元，其具有预定波长波段；
透射型衍射单元，其以根据栅格排列角的角度衍射从所述光源单元提供的光；
反射镜，其布置成相邻于所述透射型衍射单元，使得以最高效率衍射角通过的光通过目标光路，所述最高效率衍射角通过使用入射在所述透射型衍射单元上的光的角度和所述栅格排列角来获得；
组合单元，其将所述透射型衍射单元与所述反射镜组合为单个结构；以及
驱动单元，其根据选定的波长旋转所述组合单元。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述最高效率衍射角是关于所述栅格排列角等于在所述透射型衍射单元上的入射光的角度的衍射角。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述光源单元包括激光二极管和准直透镜。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述光源单元包括具有不同波长波段的多个光源和用于从所述光源中机械地选择一个光源的光源选择单元。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述光源选择单元包括多个光源在其中被连续布置的布置单元，以及机械地操作所述布置单元以便使期望光源与用于将光提供到所述透射型衍射单元的位置对准的驱动单元。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述光源单元是激光指示器，并且还包括反射从所述反射镜反射的光的一部分的耦合器以设置外部腔。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述光源单元包括激光二极管和涂覆抗反射涂层的准直透镜，所述激光二极管包括涂覆抗反射涂层的部分反射式反射镜。
8.如权利要求1所述的装置，还包括：
用于会聚从所述反射镜反射的光的透镜；以及
小孔透镜，只有会聚在所述透镜上的一种波长的光通过所述小孔透镜透射。
9.如权利要求1所述的装置，还包括用于反射从所述反射镜反射的光的一部分并将输出量值转变成电信号的部分反射和监控单元。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述驱动单元绕所述透射型衍射单元的衍射轴与所述反射镜的反射面的延长线交叉的点旋转所述透射型衍射单元和所述反射镜。
11.如权利要求1所述的装置，还包括用于校正从所述光源提供的光以具有圆形形状的形状校正单元和用于校正焦点的焦点校正单元中的一个或多个。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述透射型衍射单元是体积相位全息光栅(VPHG)。
13.一种波长调谐装置，包括：
光源单元，其具有预定的波长波段；
反射镜，其反射从所述光源单元提供的光；
透射型衍射单元，其形成为VPHG，所述VPHG以根据栅格排列角改变的角度透射并衍射从所述反射镜反射的光，并布置成相邻于所述反射镜，使得具有关于所述栅格排列角等于入射光的角度的衍射角的光在目标光路上通过；
组合单元，其固定所述反射镜与所述透射型衍射单元之间的排列角，以将所述反射镜与所述透射型衍射单元组合为单个结构；以及
驱动单元，其根据选定的波长旋转所述组合单元。
14.一种包括具有激光光源单元和外部腔的激光输出结构的波长调谐装置，包括：
透射型全息衍射光栅，其为根据栅格排列角来透射和衍射入射激光的VPHG；
反射镜，其用于确定光路，以便使以衍射角输出的光能够会聚在输出点上，所述衍射角关于所述栅格排列角与入射在所述透射型全息衍射光栅上的光的入射角对称；
组合单元，其用于布置并固定所述透射型衍射光栅和所述反射镜以具有固定的角度；以及
光学腔，其包括用于旋转所述组合单元的驱动单元。
15.如权利要求14所述的装置，其中所述透射型衍射光栅和所述反射镜以所述光路的相反顺序被布置。
16.一种波长调谐方法，包括步骤：
根据确定的光路来布置输出多个波长的激光光源单元；
布置根据栅格排列角透射并衍射从所述激光光源单元提供的光的透射型衍射单元，以及布置确定光路的反射镜，以便使以衍射角输出的光能够会聚在输出点上，所述衍射角关于所述栅格排列角与入射在所述透射型全息衍射光栅上的光的入射角对称；
考虑到栅格之间的距离，通过选择期望波长来获得入射在所述透射型衍射单元上的光的入射角；
旋转被集成为一体的所述透射型衍射单元和所述反射镜以便具有所述入射角；以及
使从输出自所述激光光源的多个波长中选择的波长共振并将共振的波长输出到所述输出点。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述透射型衍射单元是VPHG。
18.如权利要求16所述的方法，其中旋转的步骤被绕所述透射型衍射单元的衍射轴与所述反射镜的反射面的延长线交叉的点执行。
19.如权利要求16所述的方法，其中在布置所述透射型衍射单元和所述反射镜的步骤中，所述透射型衍射单元和所述反射镜被以所述光路的相反顺序布置。
20.如权利要求16所述的方法，其中通过使用θ＝sin-1(λ/2d)来执行获得入射在所述透射型衍射单元上的光的所述入射角的步骤，其中θ是所述衍射单元的入射角，λ是期望的选定波长，且d是所述栅格之间的距离。
21.如权利要求16所述的方法，其中布置所述激光光源单元的步骤还包括以下步骤：布置输出不同波长波段的多个激光光源以便从所述激光光源中机械地选择一个激光光源并进行替换，以及选择并布置输出包括相应波长的波长波段的激光光源。
22.如权利要求16所述的方法，其中共振的步骤还包括以下步骤：通过测量输出波长的量值来控制所述激光光源单元的电流使得所述输出波长具有预定的量值。
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