CN104752947A - 一种基于光谱色散原理调节激光相干长度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光谱色散原理调节激光相干长度的方法和装置，装置包括激光光源单元(1)、光谱色散单元(2)和光谱控制单元(3)，还可包括光谱检测单元(4)，激光光源单元(1)发出的激光(S1)入射到光谱色散单元(2)，光谱色散单元(2)对激光(S1)进行色散分光后使之入射到所述光谱控制单元(3)，光谱控制单元(3)用于调节所述色散分光后的激光的光谱成分，从而控制输出激光的相干长度。本发明调节激光相干长度在激光腔外进行，操作简单方便，对激光系统本身稳定性等不会产生影响，操作简单、方便、可靠性高，能够很好地应用于各种干涉测量等相关领域。

Description

一种基于光谱色散原理调节激光相干长度的方法和装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种基于光谱色散原理调节激光相干长度的方法和装置。

背景技术

相干长度是针对光源的时间相干性定义的，它是衡量光源时间相干性能的物理量，定义为光源光能够实现相干的最大光程差；光源的时间相干性又体现为其单色性，具体数值指标为谱线宽度(简称线宽)。可见，激光相干长度(L_c)与激光线宽(Δλ)是两个紧密联系的物理量，二者近似满足下式：L_c≈λ²/Δλ。于是，调节激光相干长度也即反比例的调节激光线宽。

自1960年美国科学家T.H.Maiman使用红宝石晶体实现了世界上第一台激光器以来，激光以其良好的相干性被广泛应用于各种光学测量技术中，如被人们熟知的相干光纤通讯、激光雷达、量子频标、全息摄影等领域。另一方面，宽谱、低相干的高亮度光源也有很大的应用空间，如相干层析、彩虹测量、微小物体扫描等精密测量技术应用。

通常使用的激光器，其相干长度是固定不变的，若采用某些措施实现激光相干长度的连续调节，可极大地扩展其应用范围，提高测量精度并方便装调。以高精度面型检测为例，利用点衍射干涉仪进行反射元件面型的误差检测时，在粗调阶段增大光源相干长度(如～cm量级)，便于等光程位置的粗略确定；在精调阶段减小光源相干长度(如～mm量级)，便于更精确地确定等光程位置，减小环境因素以及光源频率稳定性对测量结果的影响，消除相干噪声，提高测量精度。

现有的调节激光相干长度的技术多是通过调整激光腔本身的参数(如：腔长、损耗等)从而实现输出激光相干长度的调节，属于腔内调节。例如：调节谐振腔腔长技术，这种技术是通过控制激光器腔内同时振荡的纵模数目从而调节激光的相干长度。这种方法在腔长拉伸过程中，易造成激光腔失谐，且腔长过长将导致系统体积过大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明旨在解决现有的调节激光相干长度的技术易造成激光腔失谐和系统体积过大的问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种调节激光相干长度的装置，包括激光光源单元、光谱色散单元和光谱控制单元，其中，所述激光光源单元发出的激光入射到光谱色散单元；所述光谱色散单元对所述激光进行色散分光后使之入射到所述光谱控制单元；所述光谱控制单元用于调节所述色散分光后的激光的光谱成分，从而控制输出激光的相干长度。

根据本发明的具体实施方式，所述装置还包括光谱检测单元，其用于测量经调节光谱成分后的输出激光的相干长度。

根据本发明的具体实施方式，所述光谱色散单元包括光栅、棱镜、F-P标准具。

根据本发明的具体实施方式，所述光谱控制单元是光束聚焦元件与狭缝的组合，或者光束聚焦元件与光阑的组合。

根据本发明的具体实施方式，所述狭缝和光阑是固定通光尺寸的，或者可调节通光尺寸的。

本发明还提出一种调节激光相干长度的方法，包括如下步骤：使激光光源单元发出的激光入射到光谱色散单元；使用所述光谱色散单元对所述激光进行色散分光后使之入射到所述光谱控制单元；使用所述光谱控制单元调节所述色散分光后的激光的光谱成分，从而控制输出激光的相干长度。

根据本发明的具体实施方式，该方法还包括使用光谱检测单元测量经调节光谱成分后的输出激光的相干长度的步骤。

根据本发明的具体实施方式，所述光谱色散单元包括光栅、棱镜、F-P标准具。

根据本发明的具体实施方式，所述光谱控制单元是光束聚焦元件与狭缝的组合，或者光束聚焦元件与光阑的组合。

根据本发明的具体实施方式，所述狭缝和光阑是固定通光尺寸的，或者可调节通光尺寸的。

(三)有益效果

本发明利用光谱色散原理调节激光相干长度，一切调控均在激光腔外进行，操作简单方便，对激光系统本身稳定性等不会产生影响，操作简单、方便、可靠性高，能够很好地应用于各种干涉测量等相关领域。

附图说明

图1是本发明的基于光谱色散原理调节激光相干长度的装置的光路结构原理图；

图2是本发明的基于光谱色散原理调节激光相干长度的装置的第一实施例的光路示意图；

图3是本发明的基于光谱色散原理调节激光相干长度的装置的第二实施例的光路示意图。

具体实施方式

图1是本发明的基于光谱色散原理调节激光相干长度的装置的光路结构原理图。如图1所示，所述装置包括激光光源单元1、光谱色散单元2、光谱控制单元3。

其中，由激光光源单元1发出的激光S1入射到光谱色散单元2，经其色散分光后，再入射到光谱控制单元3。光谱控制单元3可以调节色散分光后输出激光的光谱成分，从而控制输出激光的相干长度。

所述装置还可以包括光谱检测单元4，经调节后的激光S2作为输出激光，进入光谱检测单元4以测量其相干长度。

所述的激光光源单元1可以包括任意波长的激光光源，也可以包括脉冲激光或连续激光光源。所述的光谱色散单元2可以包括光栅、棱镜、F-P标准具等或它们的各种组合。所述的光谱控制单元3可以是各种光束聚焦元件与狭缝、光阑等的组合。所述的狭缝、光阑可以是固定通光尺寸的或者可调节通光尺寸的。所述的光谱检测单元4可以包括光谱仪、迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗干涉仪等光谱检测仪器。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图2是本发明的基于光谱色散原理调节激光相干长度的装置的第一实施例的光路示意图。如图2所示，该实施例的装置包括有：激光光源11、准直镜12、衍射光栅21、聚焦镜31、出射狭缝32、迈克尔逊干涉仪41。其中，激光光源11和准直镜12构成激光光源单元1，衍射光栅21为光谱色散元件，构成光谱色散单元2，聚焦镜31和出射狭缝32构成光谱控制单元3，迈克尔逊干涉仪41构成光谱检测单元4。

所述的激光源11发出的激光经准直镜12准直后以一定角度入射到衍射光栅21上。衍射光栅21会将入射激光进行色散分光，根据光栅方程(d(sinθ_i±sinθ_o)＝mλ，m＝0，±1，±2，…)，会形成很多衍射级次的出射激光，而各衍射级次(m≠0)激光内都对应一系列不同出射角度的相应波长的激光。取能量较高的衍射分光级次，使之入射到聚焦透镜31，由于各入射波长激光都对应不同的入射角度，所以在聚焦透镜31焦平面处，各波长激光在空间上将分开排列。出射狭缝32的通光尺寸可以通过机械方式连续调节，置于聚焦透镜31的焦平面上，狭缝中心位于聚焦光斑的中心。通过调节出射狭缝32的大小即可控制输出激光的光谱成分多少，从而控制输出激光的线宽和相干长度。最后利用迈克尔逊干涉仪41测量调控后激光的相干长度。

所述的衍射光栅对相应光源的激光波段有较高的衍射效率。

下面将就平行光经光栅分光、聚焦镜聚焦后的情况，详述激光线宽和相干长度的调节原理。

由几何光学知识可知：a.任何入射到透镜中心的光线，经透镜后传播方向不变；b.一束特定波长的平行光入射到透镜后，聚焦点位于透镜后的焦平面上。于是，若波长相同的一束平行光入射到透镜，则经过透镜中心的光线与透镜焦平面的交点即对应于这束入射平行光经透镜后的会聚点。

如图2所示，假设一束线宽为Δλ＝λ₁-λ₂的平行光S1入射到光栅21，经光栅21衍射分光后，会分成出射角度不同的多束平行光。根据光栅公式，每一出射角度对应于相应级次λ₁到λ₂内的特定波长。取m＝1级衍射光来计算波长为λ₁和λ₂的两束平行光在焦平面上的两相应会聚点的距离Δh。

假设平行光束在光栅上的入射角为θ_i，波长λ₁光在m＝1级衍射光的衍射角为θ_o1，波长λ₂光在m＝1级衍射光的衍射角为θ_o2；光栅与聚焦镜31间距为L₁，聚焦镜31与焦平面间距为L₂＝f；光栅常数为d，则由光栅方程：

d(sinθ_i-sinθ_o1)＝λ₁      (1)

d(sinθ_i-sinθ_o2)＝λ₂         (2)

则两波长激光出射角度差为：

Δθ＝θ_o2-θ_o1           (3)

＝arc sin[sinθ_i-(λ₁-Δλ)/d]-arcsin[sinθ_i-λ₁/d]

于是，在透镜焦平面处，两波长激光聚焦点的距离为：

Δh≈Δθ·L₂           (4)

＝[arcsin(sinθ_i-(λ₁-Δλ)/d)-arcsin(sinθ_i-λ₁/d)]·f

上式可见，在聚焦镜31的焦平面上，两波长λ₁和λ₂的激光在空间上被分开了距离Δh，且随着入射激光线宽Δλ的不同，距离Δh也不同。于是，通过在聚焦镜31的焦点处加入大小可调的狭缝32，可以控制穿越狭缝32的光谱成分多少，从而调节输出激光线宽和相干长度。

图3是本发明的基于光谱色散原理调节激光相干长度的装置的第二实施例的光路示意图。如图3所示，该实施例的装置包括准直激光源13、棱镜22、聚焦镜31、出射狭缝32、迈克尔逊干涉仪41。其中，棱镜22为光谱色散元件，聚焦镜31和出射狭缝32构成光谱控制元件，迈克尔逊干涉仪41为光谱检测元件。所述的准直激光源13发出线宽为Δλ＝λ₁-λ₂的准直激光，激光入射到棱镜22上，经其色散分光后，在棱镜22的出射面自顶角到底角的方向上会形成波长由大到小的一系列平行光，这些平行光入射到聚焦镜31。根据上文分析，由于各波长激光对应不同的入射角度，所以在聚焦镜31的焦平面处，各波长成分将在空间上被分开排列。出射狭缝32的通光尺寸固定，置于聚焦透镜31的焦平面上，狭缝中心位于聚焦光束的光轴上，且能够沿着光轴连续向前或向后移动。通过调节出射狭缝32在光轴上的位置前后即可控制穿越狭缝的光谱成分多少，从而控制输出激光的线宽和相干长度。最后利用迈克尔逊干涉仪41测量调控后激光的相干长度。

以上分析为本发明的理想调节情况，实际实验中可能会引入很多影响输出激光相干长度的因素，例如：激光源本身的光束质量及准直情况，透镜本身的色差及像差，光栅、棱镜或标准具在加工过程中引入的制作误差等等。

综上所述，本发明提出的基于光谱色散原理调节激光相干长度的方法和装置是基于光谱色散原理利用色散元件和控制元件实现对光源光谱的控制，不对激光腔本身产生任何影响，所有操作都在激光腔外进行，操作简单、方便，适用于绝大多数输出激光。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种调节激光相干长度的装置，包括激光光源单元(1)、光谱色散单元(2)和光谱控制单元(3)，其中，

所述激光光源单元(1)发出的激光(S1)入射到光谱色散单元(2)；

所述光谱色散单元(2)对所述激光(S1)进行色散分光后使之入射到所述光谱控制单元(3)；

所述光谱控制单元(3)用于调节所述色散分光后的激光的光谱成分，从而控制输出激光的相干长度。

2.如权利要求1所述的调节激光相干长度的装置，其特征在于，还包括光谱检测单元(4)，其用于测量经调节光谱成分后的输出激光的相干长度。

3.如权利要求1或2所述的调节激光相干长度的装置，其特征在于，所述光谱色散单元(2)包括光栅、棱镜、F-P标准具。

4.如权利要求1或2所述的调节激光相干长度的装置，其特征在于，所述光谱控制单元(3)是光束聚焦元件与狭缝的组合，或者光束聚焦元件与光阑的组合。

5.如权利要求4所述的调节激光相干长度的装置，其特征在于，所述狭缝和光阑是固定通光尺寸的，或者可调节通光尺寸的。

6.一种调节激光相干长度的方法，包括如下步骤：

使激光光源单元(1)发出的激光(S1)入射到光谱色散单元(2)；

使用所述光谱色散单元(2)对所述激光(S1)进行色散分光后使之入射到所述光谱控制单元(3)；

使用所述光谱控制单元(3)调节所述色散分光后的激光的光谱成分，从而控制输出激光的相干长度。

7.如权利要求6所述的调节激光相干长度的方法，其特征在于，还包括使用光谱检测单元(4)测量经调节光谱成分后的输出激光的相干长度的步骤。

8.如权利要求6或7所述的调节激光相干长度的方法，其特征在于，所述光谱色散单元(2)包括光栅、棱镜、F-P标准具。

9.如权利要求6或7所述的调节激光相干长度的方法，其特征在于，所述光谱控制单元(3)是光束聚焦元件与狭缝的组合，或者光束聚焦元件与光阑的组合。

10.如权利要求10所述的调节激光相干长度的方法，其特征在于，所述狭缝和光阑是固定通光尺寸的，或者可调节通光尺寸的。