CN103151705B - 结合液晶空间光调制器与声光调制器的Littrow外腔式激光器及其调谐方法 - Google Patents

Abstract

结合液晶空间光调制器与声光调制器的Littrow外腔式激光器及其调谐方法，属于激光调谐技术领域。它解决了现有Littrow结构外腔式激光器由于采用了对光栅的机械转动，存在调谐连续性差的问题。激光器包括半导体激光器、液晶空间光调制器、声光调制器和闪耀光栅；方法为使半导体激光器发射的激光束经液晶空间光调制器后入射至声光调制器，声光调制器的一级衍射光入射至闪耀光栅，并使一级衍射光原路返回，在激光器的内腔和外腔之间形成谐振，形成谐振的激光束最后从声光调制器的零级出射；改变声光调制器加载的超声波频率，在折射率随一级衍射角变化的过程中，实现所述Littrow外腔式激光器的调谐。本发明适用于激光调谐。

Description

结合液晶空间光调制器与声光调制器的Littrow外腔式激光器及其调谐方法

技术领域

本发明涉及结合液晶空间光调制器与声光调制器的Littrow外腔式激光器及其调谐方法，属于激光调谐技术领域。

背景技术

Littrow结构外腔式激光器能够实现单模的连续扫频，其频率调节是通过旋转光栅实现的。当找到一个最优光栅旋转轴点，即可实现激光器的无跳模扫频连续调节。其结构示意图如图2所示。

图2中，在对激光器调谐的过程中，光栅以O点为轴点进行旋转，此时公式(1)和公式(2)共同决定了外腔式激光器发出激光束的波长λ：

λ_r＝d2sinθ，                               (1)

${\mathrm{\λ}}_q=\frac{2L_f\left(\mathrm{\θ}\right)}{q},---\left(2\right)$

上式中，外腔式激光器发出激光束的波长λ等于最接近λ_r的λ_q值，λ_r为照射到光栅上后能够原路返回的光波波长，d为光栅周期，θ为光栅的入射角；λ_q为谐振波长，L_f为Littrow结构外腔式激光器光学腔长，q为该Littrow结构外腔式激光器振荡的纵模数，为正整数。

设定上面两公式中，θ＝θ₀时，λ_r＝λ_q。

若要实现激光器的无跳模扫频连续调节，θ在θ₀附近小范围内变化时，需要满足λ_r与λ_q的差值小于激光器纵模间隔Δλ的一半，即：

$F\left(\mathrm{\&theta;}\right)=|{\mathrm{\&lambda;}}_r-{\mathrm{\&lambda;}}_q|=|d2\sin \mathrm{\&theta;}-\frac{{2L}_f\left(\mathrm{\&theta;}\right)}{q}|<\mathrm{\&Delta;\&lambda;}/2,---\left(3\right)$

在旋转光栅的过程中，L_f(θ)由L_x、L_y和θ共同决定，其中L_x为轴点O到激光二极管管腔的水平距离，L_y为轴点O到光轴的竖直距离。通过计算F(θ)的一阶导数，可以求出当轴点的位置L_x、L_y满足公式(4)时，F(θ)满足公式(3)，且θ有最大的变化范围，即此时外腔式激光器有最大的调谐范围：

$L_y=\frac{\mathrm{qd}{\sin \mathrm{\&theta;}}_0-L_x}{\tan {\mathrm{\&theta;}}_0},---\left(4\right)$

该种Littrow结构外腔式激光器在θ的调节范围过大时，会出现跳模，这导致了Littrow结构外腔式激光器无法得到很大的调节范围。并且这种调节范围的实现，采用了对光栅的机械转动，存在调谐速度慢、调谐连续性差、抗震动能力差的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有Littrow结构外腔式激光器由于采用了对光栅的机械转动，存在调谐连续性差的问题，提供了一种结合液晶空间光调制器与声光调制器的Littrow外腔式激光器及其调谐方法。

本发明所述结合液晶空间光调制器与声光调制器的Littrow外腔式激光器，它包括半导体激光器，它还包括液晶空间光调制器、声光调制器和闪耀光栅，

半导体激光器发射的激光束经液晶空间光调制器后入射至声光调制器，声光调制器的一级衍射光入射至闪耀光栅，半导体激光器和液晶空间光调制器依次排列在声光调制器的零级透射光轴轴线上，半导体激光器的光轴轴线、液晶空间光调制器的光轴轴线均与声光调制器的零级透射光轴轴线重合。

基于上述结合液晶空间光调制器与声光调制器的Littrow外腔式激光器的调谐方法，

使半导体激光器发射的激光束经液晶空间光调制器后入射至声光调制器，声光调制器的一级衍射光入射至闪耀光栅，闪耀光栅的一级衍射光原路返回，在所述Littrow外腔式激光器的内腔和外腔之间形成谐振，形成谐振的激光束最后从声光调制器的零级出射；

改变声光调制器加载的超声波频率，从而改变声光调制器的一级衍射角θ，并使液晶空间光调制器的折射率n(θ)为：

$n\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{\mathrm{Nd}\cos (\mathrm{\&theta;}+{\mathrm{\&theta;}}_1)-L_2-\frac{L_1}{\sin (\mathrm{\&theta;}+{\mathrm{\&theta;}}_1)}}{H}+1,$

式中，N为所述Littrow外腔式激光器振荡的纵模数，d为闪耀光栅的周期，θ₁为闪耀光栅的光栅面的延长线与声光调制器的零级透射光轴轴线的夹角，L₂为所述Littrow外腔式激光器的内腔到声光调制器的几何距离，L₁为声光调制器到闪耀光栅的光栅面的距离，H为液晶空间光调制器的厚度；

在液晶空间光调制器的折射率n(θ)随声光调制器的一级衍射角θ变化的过程中，实现所述Littrow外腔式激光器的调谐。

本发明的优点：本发明所述Littrow外腔式激光器的调谐过程不依赖机械结构，声光调制器和液晶空间光调制器的调节速度都远高于机械的调节速度，因此可以得到更高的调谐速度。并且声光调制器和液晶空间光调制器的调节连续性也优于机械结构，因此可以得到更好的调谐连续性。由于本发明在调谐的过程中，震动对声光调制器和液晶空间光调制器的影响要小于现有技术中震动对机械结构的影响，因此本发明具有更好的抗震动能力。

附图说明

图1是本发明所述结合液晶空间光调制器与声光调制器的Littrow外腔式激光器的原理示意图；

图2是现有Littrow结构外腔式激光器的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述结合液晶空间光调制器与声光调制器的Littrow外腔式激光器，它包括半导体激光器1，其特征在于，它还包括液晶空间光调制器2、声光调制器3和闪耀光栅4，

半导体激光器1发射的激光束经液晶空间光调制器2后入射至声光调制器3，声光调制器3的一级衍射光入射至闪耀光栅4，半导体激光器1和液晶空间光调制器2依次排列在声光调制器3的零级透射光轴轴线上，半导体激光器1的光轴轴线、液晶空间光调制器2的光轴轴线均与声光调制器3的零级透射光轴轴线重合。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为基于实施方式一所述结合液晶空间光调制器与声光调制器的Littrow外腔式激光器的调谐方法，

使半导体激光器1发射的激光束经液晶空间光调制器2后入射至声光调制器3，声光调制器3的一级衍射光入射至闪耀光栅4，闪耀光栅4的一级衍射光原路返回，在所述Littrow外腔式激光器的内腔和外腔之间形成谐振，形成谐振的激光束最后从声光调制器3的零级出射；

改变声光调制器3加载的超声波频率，从而改变声光调制器3的一级衍射角θ，并使液晶空间光调制器2的折射率n(θ)为：

$n\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{\mathrm{Nd}\cos (\mathrm{\&theta;}+{\mathrm{\&theta;}}_1)-L_2-\frac{L_1}{\sin (\mathrm{\&theta;}+{\mathrm{\&theta;}}_1)}}{H}+1,$

式中，N为所述Littrow外腔式激光器振荡的纵模数，d为闪耀光栅4的周期，θ₁为闪耀光栅4的光栅面的延长线与声光调制器3的零级透射光轴轴线的夹角，L₂为所述Littrow外腔式激光器的内腔到声光调制器3的几何距离，L₁为声光调制器3到闪耀光栅4的光栅面的距离，H为液晶空间光调制器2的厚度；

在液晶空间光调制器2的折射率n(θ)随声光调制器3的一级衍射角θ变化的过程中，实现所述Littrow外腔式激光器的调谐。

本实施方式中，利用声光调制器3对半导体激光器1发射的激光束的角度进行改变，当声光调制器3的衍射角发生变化时，闪耀光栅4选出的原路返回的光波长也会发生变化，由于闪耀光栅4选出的产生谐振的光波长与谐振波长λ_q不能做到统一，因此采用液晶空间光调制器2对所述Littrow外腔式激光器腔长进行补偿。

由液晶空间光调制器2的折射率n(θ)的表达式可知，折射率n(θ)随声光调制器3的一级衍射角θ的改变而改变。

工作原理：

半导体激光器1出射的激光垂直照射到液晶空间光调制器2上，然后再传播到声光调制器3上，当声光调制器3加上超声波时，会有一个一级衍射角，衍射光照射在闪耀光栅4上，此时有特定波长的光可以原路返回，当加载到声光调制器3上的超声波频率变化时，声光调制器3的一级衍射角θ就会发生变化，此时能够返回半导体激光器1的光波波长就会发生变化，该光波波长满足光栅方程。此时要形成窄线宽且无跳模，需要闪耀光栅4选出的波长满足谐振条件，由于θ改变时外腔式激光器的腔长也发生变化，而且此时的腔长不一定能令该波长发生谐振，因此随着θ的改变需要改变液晶空间光调制器2的折射率n(θ)。并使产生谐振的光从声光调制器3的零级发出。

光栅方程为：

d2sinθ_i＝d2sin(π/2-θ-θ₁)＝λ_r；

谐振方程分别为：

$\frac{2}{N}[L_2+\frac{L_1}{\sin (\mathrm{\&theta;}+{\mathrm{\&theta;}}_1)}+(n-1)H]={\mathrm{\&lambda;}}_q$

式中，θ_i为激光在闪耀光栅4上的入射角，如图1中所示；λ_r为照射到闪耀光栅4上后能够原路返回的光波波长，λ_q为谐振波长。

令上述两式恒等，则需要：

$n\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{\mathrm{Nd}\cos (\mathrm{\&theta;}+{\mathrm{\&theta;}}_1)-L_2-\frac{L_1}{\sin (\mathrm{\&theta;}+{\mathrm{\&theta;}}_1)}}{H}+1,$

即随着θ改变，液晶空间光调制器2的折射率n(θ)如上式相应变化时，就可以使闪耀光栅4选出的光波频率刚好发生谐振，从而形成无跳模窄线宽调谐。

Claims (2)

1.一种结合液晶空间光调制器与声光调制器的Littrow外腔式激光器，它包括半导体激光器(1)和液晶空间光调制器(2)，其特征在于，它还包括声光调制器(3)和闪耀光栅(4)，

半导体激光器(1)发射的激光束经液晶空间光调制器(2)后入射至声光调制器(3)，声光调制器(3)的一级衍射光入射至闪耀光栅(4)，半导体激光器(1)和液晶空间光调制器(2)依次排列在声光调制器(3)的零级透射光轴轴线上，半导体激光器(1)的光轴轴线、液晶空间光调制器(2)的光轴轴线均与声光调制器(3)的零级透射光轴轴线重合。

2.一种基于权利要求1所述结合液晶空间光调制器与声光调制器的Littrow外腔式激光器的调谐方法，其特征在于，

使半导体激光器(1)发射的激光束经液晶空间光调制器(2)后入射至声光调制器(3)，声光调制器(3)的一级衍射光入射至闪耀光栅(4)，闪耀光栅(4)的一级衍射光原路返回，在所述Littrow外腔式激光器的内腔和外腔之间形成谐振，形成谐振的激光束最后从声光调制器(3)的零级出射；

改变声光调制器(3)加载的超声波频率，从而改变声光调制器(3)的一级衍射角θ，并使液晶空间光调制器(2)的折射率n(θ)为：

$n\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{\mathrm{Nd}\cos (\mathrm{\&theta;}+{\mathrm{\&theta;}}_1)-L_2-\frac{L_1}{\sin (\mathrm{\&theta;}+{\mathrm{\&theta;}}_1)}}{H}+1,$

式中，N为所述Littrow外腔式激光器振荡的纵模数，d为闪耀光栅(4)的周期，θ₁为闪耀光栅(4)的光栅面的延长线与声光调制器(3)的零级透射光轴轴线的夹角，L₂为所述Littrow外腔式激光器的内腔到声光调制器(3)的几何距离，L₁为声光调制器(3)到闪耀光栅(4)的光栅面的距离，H为液晶空间光调制器(2)的厚度；

在液晶空间光调制器(2)的折射率n(θ)随声光调制器(3)的一级衍射角θ变化的过程中，实现所述Littrow外腔式激光器的调谐。