CN102570275B - 一种波长可调谐的激光器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光技术领域，提供了一种利用旋光色散效应实现的波长可调谐的激光器，所述激光器具有一谐振腔，所述谐振腔包括：具有偏振增益特性的激光介质，第一透镜，对激光进行旋光色散处理的旋光器件，180°折返镜组，半波片，第二透镜，第一线性偏振器，激光输出耦合镜，端面反射镜。本发明提供的激光器利用旋光色散原理，结合偏振相关的增益/损耗特性对激光腔内的增益/损耗特性进行波长相关的调制，从而实现波长调谐的效果，与基于角色散或非线性转换原理进行波长调谐的方法比较，本发明摆脱了对光传输角度的依赖，有利于改善可调谐激光器的稳定性。

Description

一种波长可调谐的激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种利用旋光色散效应实现的波长可调谐的激光器。

背景技术

波长可调谐激光器有广泛的应用市场前景，已广泛应用于大气监测、外差传感、光谱测量等领域。实现激光波长调谐的原理大致有三种，大多数可调谐激光器都使用具有宽的荧光谱线的工作物质，而构成激光器的谐振腔只在很窄的波长范围内才有很低的损耗，因此，第一种是通过某些元件（如光栅）改变谐振腔低损耗区所对应的波长来改变激光的波长，典型激光器有染料激光器、金绿宝石激光器、色心激光器、可调谐高压气体激光器和可调谐准分子激光器；第二种是通过改变某些外界参数（如磁场、温度等）使激光跃迁的能级移动；第三种是利用非线性效应实现波长的变换和调谐（见非线性光学、受激喇曼散射、光二倍频，光参量振荡）。

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。其中电控技术是通过改变注入电流实现波长的调谐，具有纳秒级调谐速度，调谐带宽也较宽，但输出功率较小。基于电控技术的主要有SG-DBR（采样光栅分布布喇格反射）和GCSR（辅助光栅定向耦合背向取样反射）激光器。温控技术是通过改变激光器有源区折射率，从而改变激光器输出波长的。该技术简单，但速度慢，可调带宽窄，只有几个纳米。基于温控技术的主要有DFB（分布反馈）和DBR（分布布喇格反射）激光器。机械控制主要是基于MEMS（微机电系统）技术完成波长的选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。基于机械控制技术的主要有DFB（分布反馈）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面发射激光器）等结构。

但是上述进行波长调谐的技术大多依赖于光传输角度，稳定性受到影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种波长可调谐的激光器，旨在改善可调谐激光器的稳定性。

本发明是这样实现的，一种波长可调谐的激光器，所述激光器具有一谐振腔，所述谐振腔包括：具有偏振增益特性的激光介质，对激光进行准直处理的第一透镜，对激光进行旋光色散处理的旋光器件，第一反射镜组，半波片，第二透镜，第一线性偏振器，将激光部分输出、部分反射的输出耦合镜，端面反射镜；

所述激光介质产生的激光依下述光路在谐振腔内振荡：激光介质、第一透镜、旋光器件、180°折返镜组、半波片、第一透镜、激光介质、第二透镜、第一线性偏振器、输出耦合镜、第一线性偏振器、第二透镜、激光介质、第一透镜、半波片、180°折返镜组、旋光器件、第一透镜、激光介质、第二透镜、端面高反镜、第二透镜、激光介质。

进一步地，所述180°折返镜组用于使光路产生180°折返，并产生平行位移。

进一步地，所述激光往返通过旋光器件产生的旋光色散可相互补偿。

进一步地，所述旋光器件和所述半波片的位置可互换。

一种波长可调谐的激光器，所述激光器具有一谐振腔，所述谐振腔包括：具有偏振相关损耗特性的激光介质，第一透镜，对激光进行旋光色散处理的旋光器件，180°折返镜组，半波片，第二透镜，激光输出耦合镜，端面反射镜；

所述激光介质产生的激光依下述光路在谐振腔内振荡：激光介质、第一透镜、旋光器件、180°折返镜组、半波片、第一透镜、激光介质、第二透镜、输出耦合镜、第二透镜、激光介质、第一透镜、半波片、180°折返镜组、旋光器件、第一透镜、激光介质、第二透镜、端面反射镜、第二透镜、激光介质；

所述激光介质的两端面具有布儒斯特切割角。

一种波长可调谐的激光器，所述激光器具有一谐振腔，所述谐振腔包括：激光介质，第一透镜，第二线性偏振器，对激光进行旋光色散处理的旋光器件，180°折返镜组，半波片，第二透镜，第一线性偏振器，激光输出耦合镜，端面反射镜；

所述激光介质产生的激光依下述光路在谐振腔内振荡：激光介质、第一透镜、第二线性偏振器、旋光器件、180°折返镜组、半波片、第一透镜、激光介质、第二透镜、第一线性偏振器、输出耦合镜、第一线性偏振器、第二透镜、激光介质、第一透镜、半波片、180°折返镜组、旋光器件、第二线性偏振器、第一透镜、激光介质、第二透镜、端面反射镜、第二透镜、激光介质；

所述第一透镜和所述旋光器件之间的第二线性偏振器的最大透过率方向与所述第一线性偏振器的最大透过率方向平行。

本发明提供的激光器利用旋光色散原理，结合偏振相关的增益/损耗特性对激光腔内的增益/损耗特性进行波长相关的调制，从而实现波长调谐的效果，与基于角色散或非线性转换原理进行波长调谐的方法比较，本发明摆脱了对光传输角度的依赖，所以有利于改善可调谐激光器的稳定性，另外，整个激光器结构简单，调整容易，方便使用。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的波长可调谐的激光器的谐振腔的光学结构图；

图2是本发明第二实施例提供的波长可调谐的激光器的谐振腔的光学结构图；

图3是本发明第三实施例提供的波长可调谐的激光器的谐振腔的光学结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例基于旋光色散原理结合偏振相关的增益/损耗特性实现激光的波长调谐。具体地说，就是对于以具有宽荧光线宽的激光材料为增益介质的激光振荡器中，引入旋光色散效应，使得不同的光谱分量的光具有不同的线偏振方向。因此在激光器的设计中引入偏振相关的增益或损耗，那么通过调节各个光谱分量的偏振方向即可实现它们的净增益，从而达到调谐目的。

我们知道，旋光色散可以让线偏振宽带光脉冲通过旋光光学介质实现，而偏振面的偏转角度α可用下式表示：

α=ηL

上式中η、L分别为旋光系数和光通过的旋光介质的厚度，旋光系数η与光波长有关，于是，当一束线偏振光通过一定厚度的旋光介质时，不同波长的光，其偏振面会发生不同程度的偏转，即具有旋光色散特性。选择不同旋光介质及其厚度可以控制旋光色散。再结合克调节激光偏振方向的宽带半波片，如果在激光器中引入偏振相关的增益/损耗，旋转半波片就可调节某波长光的偏振态使其对应最小损耗/最大增益，从而达到调谐波长的目的，因此选择不同的旋光器件及其厚度可以控制旋光色散。

激光器中的偏振相关的增益/损耗可以通过三种途径获得：采用具有偏振相关增益的激光介质、利用偏振面引入偏振相关的损耗或直接插入偏振器件等，分述如下。

图1示出了本发明第一实施例提供的波长可调谐的激光器的谐振腔的光学结构，为了便于描述，仅示出了与本实施例相关的部分。

参照图1，第一实施例提供的波长可调谐的激光器具有图1所示的谐振腔，此谐振腔包括：具有偏振增益特性的激光介质G1、第一透镜L1、旋光器件R、半波片HW、180°折返镜组、第二透镜L2、第一线性偏振器P1、输出耦合镜OC、端面反射镜M3。图1中的激光介质G1具有偏振增益特性，第一透镜L1对激光介质发出的激光进行准直处理，旋光器件R用于对激光进行旋光色散处理，使不同波长的光具有不同的线偏振方向，而半波片HW用于调节激光的偏振方向具体可通过180°折返镜组在旋光器件R和半波片HW之间进行激光的反射，180°折返镜组用于使光路产生180°折返，并产生平行位移，作为本发明的一个实施例，本发明中180°折返镜组至少包括两个相互配合的反射镜，即图1中的M1和M2。

激光介质G1产生的激光经第一透镜L1准直处理后再经旋光器件R进行旋光色散处理，经旋光器件R进行旋光色散处理后的光线由第一反射镜组反射至半波片HW以调节偏振方向，然后被半波片HW调节过偏振方向的激光再经第一透镜L1入射至激光介质G1进行增益调制。被增益调制后的激光经第二透镜L1进行准直处理、再经过第一线性偏振器P1提供偏振相关的损耗后入射至输出耦合镜OC。

输出耦合镜OC将部分激光输出，并将另一部分激光予以反射，反射的激光依次经过第二透镜L2、激光介质G1、第一透镜L1、半波片HW、第一反射镜组、旋光器件R、第一透镜L1、激光介质G1、第二透镜L2后到达端面反射镜M3，端面反射镜M3将激光全部反射至激光介质G1。至此，完成一个振荡过程，激光介质G1再次产生的激光重复上述过程，循环在谐振腔内振荡。

上述的激光器中，要求激光往返一次通过旋光器件R时旋光色散相互补偿，故所用的旋光器件R采用具有旋光效应的光学晶体制作，如石英晶体等。半波片HW和旋光器件R之间不能有激光介质和偏振器或偏振反射/折射面，但可以有反射镜、透镜之类的光学元件，至于它们之间的相对位置可以互换。

进一步地，上述激光介质G1可以采用钛宝石晶体Ti:S实现，所述钛宝石晶体的切割方向是在介质内光传输方向与光轴平行，光传输方向与光轴构成π平面。钛宝石晶体Ti:S具有偏振相关的增益特性，π平面偏振的光具有最大的增益。

上述激光器工作时，光从激光介质G1的端面发出，由于其偏振增益特性，可认为所有光谱分量偏振方向均平行于某增益最大所对应的偏振面，对于钛宝石则为π平面。经第一透镜L1准直，光透过旋光器件R后，不同波长光的偏振面发生不同程度的偏转。旋转旋光器件R后的半波片HW，不同的旋转角对应于增益最大偏振面的光具有不同的波长。而偏振面平行增益最大偏振面的光再次经过激光介质G1时就有最大增益，而且通过后续的偏振器件时有最小的损耗。于是最后只有该波长的光能起振，从而达到调谐的目的。

如果宽带激光增益介质没有偏振相关的增益特性，则可以在振荡器中引入线性偏振器件（如偏振器或偏振片），如图2所示的第二实施例，图2中的激光介质G2不具有偏振增益特性，而在第一透镜L1和旋光器件R之间增加第二线性偏振器P2，要求第二线性偏振器P2的最大透过率方向与第一线性偏振器P1的最大透过率方向平行。光从激光介质G2的端面发出，经第一透镜L1准直，通过第二线性偏振器P2后所有光谱分量偏振方向均平行于第二线性偏振器P2的最大透过率方向。随后类似于图1，通过调节旋光器件R和半波片HW，使得只有某波长光的偏振方向平行于第二线性偏振器P2的最大透过率方向。再经过激光介质G2和第一线性偏振器P1，由于两个线性偏振器的最大透过率方向平行，该波长光将遭遇最小损耗，于是最后获得起振，形成激光。

当选用普通的宽带激光增益介质时，也可以将增益介质两端面以布儒斯特角切割，如图3所示，这样激光在增益介质G3的入射断面呈布儒斯特角入射/出射，在增益介质G3的两端面实现偏振相关的损耗，如图3所示的第三实施例，此时无需再用偏振器件。图3其余部分与图1所示激光器相同，不再赘述

综上所述，本发明的核心内容是利用旋光色散原理，结合偏振相关的增益/损耗特性对激光腔内的增益损耗特性进行波长相关的调制，从而实现波长调谐的效果。本发明提供的激光器摆脱了对光传输角度的依赖，所以有利于改善可调谐激光器的稳定性，另外，整个激光器结构简单，调整容易，方便使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种波长可调谐的激光器，所述激光器具有一谐振腔，其特征在于，所述谐振腔包括：具有偏振增益特性的激光介质，第一透镜，对激光进行旋光色散处理的旋光器件，180°折返镜组，半波片，第二透镜，第一线性偏振器，激光输出耦合镜，端面反射镜；

所述激光介质产生的激光依下述光路在谐振腔内振荡：激光介质、第一透镜、旋光器件、180°折返镜组、半波片、第一透镜、激光介质、第二透镜、第一线性偏振器、输出耦合镜、第一线性偏振器、第二透镜、激光介质、第一透镜、半波片、180°折返镜组、旋光器件、第一透镜、激光介质、第二透镜、端面反射镜、第二透镜、激光介质。

2.如权利要求1所述的波长可调谐的激光器，其特征在于，所述180°折返镜组用于使光路产生180°折返，并产生平行位移。

3.如权利要求1所述的波长可调谐的激光器，其特征在于，所述激光往返通过旋光器件产生的旋光色散可相互补偿。

4.如权利要求1所述的波长可调谐的激光器，其特征在于，所述旋光器件和所述半波片的位置可互换。

5.一种波长可调谐的激光器，所述激光器具有一谐振腔，其特征在于，所述谐振腔包括：具有偏振相关损耗特性的激光介质，第一透镜，对激光进行旋光色散处理的旋光器件，180°折返镜组，半波片，第二透镜，激光输出耦合镜，端面反射镜；

所述激光介质产生的激光依下述光路在谐振腔内振荡：激光介质、第一透镜、旋光器件、180°折返镜组、半波片、第一透镜、激光介质、第二透镜、输出耦合镜、第二透镜、激光介质、第一透镜、半波片、180°折返镜组、旋光器件、第一透镜、激光介质、第二透镜、端面反射镜、第二透镜、激光介质；

所述激光介质的两端面具有布儒斯特切割角。

6.一种波长可调谐的激光器，所述激光器具有一谐振腔，其特征在于，所述谐振腔包括：激光介质，第一透镜，第二线性偏振器，对激光进行旋光色散处理的旋光器件，180°折返镜组，半波片，第二透镜，第一线性偏振器，激光输出耦合镜，端面反射镜；

所述激光介质产生的激光依下述光路在谐振腔内振荡：激光介质、第一透镜、第二线性偏振器、旋光器件、180°折返镜组、半波片、第一透镜、激光介质、第二透镜、第一线性偏振器、输出耦合镜、第一线性偏振器、第二透镜、激光介质、第一透镜、半波片、180°折返镜组、旋光器件、第二线性偏振器、第一透镜、激光介质、第二透镜、端面反射镜、第二透镜、激光介质；

所述第一透镜和所述旋光器件之间的第二线性偏振器的最大透过率方向与所述第一线性偏振器的最大透过率方向平行。

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